Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Костромской государственный университет им. Н.А. Некрасова

Краткий конспект лекций для студентов специальности 030600 «Технология и предпринимательство»

Основы надежности технологических систем

Травин Г.М., Токарев В.А., Родионова Е.А.

Кострома 2008

УДК

Рецензенты: кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ведущий специалист ЦНИИМАШдеталь Кулемкин Ю.В.

кафедра технологии художественной обработки материалов и технического сервиса Костромского технологического университета (заведующий кафедрой д-р техн. наук, профессор С.И. Галанин)

Рассмотрено и рекомендовано к изданию редакционно-издательским советом КГУ им. Н.А. Некрасова

Травин Г.М.

Основы надежности технологических систем. Краткий конспект лекций для студентов специальности 030600 «Технология и предпринимательство» / Г.М. Травин, В.А. Токарев, Е.А. Родионова. - Кострома: Изд-во КГУ им. Н.А. Некрасова, 2008. - 97 с.

Настоящее учебное пособие отражает теоретические вопросы надежности технологических систем. В его основе лежит материал лекционных курсов цикла «Основы надежности технологических систем», читаемых авторами студентам специальности 030600 «Технология и предпринимательство».

УДК

ISBN

Травин Г.М., Токарев В.А., Родионова Е.А.

Костромской государственный университет им. Н.А. Некрасова, 2008

Содержание

Лекция 1. Декомпозиция технологических систем

1.1 Понятие системы

1.2 Классификация систем

1.3 Технологические системы и их элементы

1.4 Состояния и события технической системы

Лекция 2. Качество и надежность технических систем

2.1 Понятие качества

2.2 Свойства надежности

2.3 Показатели оценки надежности

Лекция 3. Факторы и процессы, влияющие на надежность технических систем

3.1 Факторы и процессы влияния

3.2 Изнашивание

3.3 Влияние скорости процессов на надежность технических систем

Лекция 4. Анализ отказов технических систем

4.1 Классификация отказов

4.2 Характеристика потока отказов

Лекция 5. Безотказность. Свойства и показатели оценки

5.1 Вероятность безотказной работы

5.2 Наработка на отказ, до отказа, интенсивность и параметр потока отказов

5.3 Законы распределения времени между отказами

Лекция 6. Долговечность. Свойства и показатели оценки

6.1 Понятие физической и моральной долговечности

6.2 Технико-экономическая долговечность

6.3 Определение оптимального срока службы оборудования

6.4 Количественные показатели долговечности

6.5 Выбор показателей долговечности средств технологического оснащения и их элементов

Лекция 7. Ремонтопригодность. Свойства и показатели оценки

7.1 Понятие и свойства ремонтопригодности

7.2 Характеристики свойств ремонтопригодности

7.3 Частные показатели оценки ремонтопригодности

Лекция 8. Методы исследования и комплексной оценки надежности

8.1 Требования к информации о надежности

8.2 Методы исследования и оценки надежности

8.3 Комплексные показатели надежности

Лекция 9. Методы повышения надежности технических систем

9.1 Избыточность как основной метод повышения надежности систем

9.2 Понятие о резервировании

9.3 Методы резервирования элементов

9.4 Методы резервирования систем

9.5 Использование алгебры логики для моделирования систем с резервированием

Лекция 10. Методы расчета соединений деталей на надежность

10.1 Расчет надежности резьбовых соединений

10.2 Расчет надежности сварных соединений

10.3 Расчет надежности соединений с натягом

Лекция 11. Надежность персонала

11.1 Понятие и свойства надежности оперативного персонала

11.2 Виды и формы отказов персонала

11.3 Классификация ошибок оперативного персонала

Библиографический список

Лекция 1. Декомпозиция технологических систем

1.1. Понятие системы 1.2. Классификация систем 1.3. Технологические системы и их элементы 1.4. Состояния и события технической системы	Система, связи, отношения, организация, состояние, поведение, равновесие, устойчивость, развитие, естественные, идеальные, искусственные, казуальные, целенаправленные, технологические, восстанавливаемые, невосстанавливаемые системы, средства технологического оснащения, дополняющее технологическое оборудование, работоспособность, исправность, предельное состояние, отказ, неисправность

1.1 Понятие системы

Развитие науки неизбежно приводит к появлению новых областей знаний. Их зарождение вызывается двумя факторами:

- фактором обособления;

- фактором обобщения.

Обособление приводит к возникновению специфических научных направлений глубокого проникновения в узкий класс объектов. Обобщающие науки занимаются изучением закономерностей явлений, протекающих в широком классе объектов. К числу именно таких наук относятся науки о системах. Системность является всеобщим свойством материи. Оно проявляется в познавательной и практической деятельности, в окружающей природе, что отражено на рисунке 1.

Системность познавательной деятельности это синтез, анализ, системный подход. Практической - целенаправленность и алгоритмичность. Системность окружающей природы это системность собственно природы, общества и взаимодействия человека с природой. Частными проявлениями системности выступают время, пространство, движение.



Рисунок 1. Системность как всеобщее свойство материи

Система (греческ.) - целое, состоящее из частей, соединение.

Система - множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, образующих определенную целостность, единство. Всякая система состоит из элементов, каждый из которых может рассматриваться как подсистема. Каждая подсистема есть система более низкого иерархического уровня. Имеет место следующая иерархия систем: мега, мета, мезо, макро, микро, нано системы. Чтобы считаться системой объект должен обладать следующими четырьмя свойствами:

- целостностью и членимостью;

- связями и отношениями;

- организацией;

- интегративными качествами.

Первое свойство означает, что систему образует объект как единое целое, состоящее из взаимодействующих частей, может быть даже разнокачественных, но одновременно совместимых. Целостность обусловливается тем, что изменение любого компонента (подсистемы, элемента) оказывает воздействие на другие компоненты и, как следствие, на всю систему в целом. В свою очередь любое изменение системы в ее регулировании, управлении или другом неизбежно отзывается на составляющих.

Наличие связей и отношений отличает систему от конгломерата и выделяет в виде целого. Связь, по сути, физический канал, по которому обеспечивается обмен между элементами и с окружающей средой веществом, энергией и информацией. Отношения те же связи, но в абстрактной форме как отображение реальных связей.

Свойство организации проявляется в снижении степени неопределенности системы по сравнению со степенью неопределенности факторов, определяющих саму возможность создания системы. Возникновение организации в системе есть упорядоченное распределение элементов и связей в пространстве и времени.

Интегративные качества проявляются в том, что существуют такие качества, которые присущи системе в целом, но не свойственны ни одному элементу в отдельности. Т.е. целое не равно сумме частей. Единство обеспечивается взаимодействием (эффект синергии).

1.2 Классификация систем

Процессы, происходящие в системах, можно охарактеризовать с помощью следующих понятий, заимствованных из разных наук: состояние, поведение, равновесие, устойчивость.

Понятием состояние характеризуют мгновенный срез, остановку в развитии системы; поведение - способность системы переходить из одного состояния в другое.

Понятием равновесие характеризуется способность системы в отсутствии внешних возмущающих воздействий (или при постоянных воздействиях) сохранять свое состояние сколь угодно долго; устойчивость - способность системы возвращаться в состояние равновесия после того, как была выведена из него.

Поведение системы, ее равновесие, устойчивость и развитие связаны с изменениями состояния системы.

Вследствие многообразия систем невозможно разработать их единую классификацию. Чаще всего на первом уровне выделяются три класса систем:

- естественные, существующие в объективной действительности - в живой, неживой природе и обществе (атом, живая клетка, организм, общество);

- концептуальные (идеальные), отражающие реальную действительность, объективный мир (литературные, музыкальные произведения, научные теории);

- искусственные, созданные человеком (технические, организационно-технические, организационные).

По степени организованности выделяют два класса систем: казуальные и целенаправленные.

Формирование казуальных систем есть результат действия причинно-следственных связей. К ним относится широкий круг неживых, искусственных и естественных систем. Особенность таких систем в отсутствии внутренне (имманентно) присущей цели. Если она имеется, то задается извне.

Основой формирования целенаправленных систем являются факторы целесообразности и целеполагания. Их главным отличием от казуальных является наличие информационных взаимодействий (программные, самовосстанавливающиеся, адаптивные, самовоспроизводящиеся, самосохраняющиеся, предвидящие, социальные и др. системы).

1.3 Технологические системы и их элементы

ГОСТ 27.004.-85 «Системы технологические. Термины и определения» формулирует технологические принципы структурирования и выделяет:

- технологические системы подразделений,

- технологические системы процессов,

- технологические системы операций.

Очевидно, что технологические системы подразделений образуются из технологических систем процессов, а они из технологических систем операций. Естественно, что базовым элементом технологических систем является технологическая система операции. Она относится к определенному методу преобразования предмета труда или одному наименованию изготавливаемой продукции. Поскольку технологическая система операции является основным элементом любой технологической системы более высокого иерархического уровня, рассмотрим более подробно ее структуру.

В общем случае она представляет собой человеко-машинную систему, включающую технический комплекс как совокупность функционально взаимосвязанных средств технологического оснащения, предмет производства и исполнителя (оператора), выполняющего в регламентированных условиях определенные действия по реализации технологической операции. Все эти элементы технологической системы взаимосвязаны и взаимодействуют друг с другом как это показано на рисунке 2.



Рисунок 2. Структура технологической системы операции

Технический комплекс средств технологического оснащения согласно ГОСТ включает оборудование и дополняющее технологическое оборудование или технологическую оснастку, которая непосредственно формирует, преобразует, позиционирует, направляет предмет труда или взаимодействует с другой оснасткой. В зависимости от вида технологической операции в структуру средств технологического оснащения может входить и рабочая среда, которая при воздействии на предмет труда вызывает изменение его физико-механических свойств или химического состава. Рабочей средой могут служить газы, растворы (крашение тканей), горячий воздух, инфракрасное излучение (сушка ткани) и др.

Оператор воздействует на предмет труда и средства технологического оснащения или взаимодействует с ними через интерфейс, представляющий собой средства управления, контроля и отображения.

Таким образом, исходя из выполненного структурного анализа, можно сделать заключение о том, что надежность технологической системы операции, а, следовательно, процесса и подразделений, определяется надежностью средств технологического оснащения, самого предмета труда и надежностью оператора (человеческий фактор).

Следует подчеркнуть, что все эти составляющие как объекты влияния на общую надежность технологической системы оказывают влияние на надежность друг друга. Так, под воздействием предмета труда происходит износ, разладка, засорение и т.п. рабочих органов оборудования и оснастки, а последние, воздействуя на предмет труда, могут привести к появлению пороков и брака продукции, а также появлению технологической наследственности (влиянию свойств и дефектов, приобретенных на предыдущих операциях технологического процесса, на надежность предмета труда на данной операции). Обратное влияние оборудования, рабочей среды, технологического продукта на персонал связано с возникновением вредных и опасных производственных факторов, а также утомления, что может привести к снижению уровня производительности, появлению ошибок и неадекватных действий. Можно утверждать, что надежность технологической системы определяется главным образом средствами технологического оснащения, т.к. влияние персонала реализуется также через оборудование, оснастку, рабочую среду.

1.4 Состояния и события технической системы

Под технической системой как подсистемой технологической системы будем понимать средства технологического оснащения: оборудование и технологическую оснастку. Существует два класса технических систем: восстанавливаемые и невосстанавливаемые. К первым относятся системы, которые в случае возникновения отказа могут быть восстановлены. Ко вторым такие, которые в случае возникновения отказа вообще не поддаются восстановлению или не подлежат восстановлению (например пружины, подшипники качения и др.).

Всякая система с позиций функционального назначения может находится в двух альтернативных состояниях - работоспособности и неработоспособности. Работоспособность это такое состояние системы, при котором она способна выполнять заданные функции в заданных условиях эксплуатации с допустимыми отклонениями от установленных параметров и требований. Соответственно, неработоспособность - состояние технической системы, при котором она не способна выполнять предназначенные ей функции. В отношении технических систем следует выделять еще два альтернативных состояния - исправное и неисправное. Неисправность - состояние системы, при котором она не соответствует хотя бы одному из требований технической документации как в отношении основных параметров, характеризующих возможность выполнения заданных функций, так и в отношении второстепенных параметров, характеризующих удобство эксплуатации, внешний вид и т.п. Следовательно, можно сделать вывод о том, что работоспособная система может быть неисправной, если неисправность не влияет на процесс функционирования системы (например, неисправность касается внешнего вида и т.п.). Неработоспособное состояние может быть устранимым и неустранимым (технически невозможно или экономически нецелесообразно).

Отдельные виды технических систем (оборудование) могут находится более чем в двух состояниях, каждое из которых характеризуется своим уровнем функционирования (производительность, энергоемкость, трудоемкость и др.). Особо выделяется предельное состояние, при котором дальнейшая эксплуатация технической системы должна быть прекращена.

Следует различать неремонтируемое и ремонтируемое предельное состояние. Для неремонтируемого предельного состояния переход в него определяется наступлением момента, когда дальнейшая эксплуатация технически невозможна или нецелесообразна по причинам:

- если невозможно поддержание безопасности, безотказности или эффективности эксплуатации на допустимом уровне;

- когда восстановление требует недопустимо больших затрат или не обеспечивается необходимая степень восстановления работоспособности и исправности.

Событие, переводящее систему из исправного состояния в неисправное называется повреждением или неисправностью.

Отказ - это событие, переводящее систему из работоспособного состояния в неработоспособное. При отказе техническая система или перестает функционировать, или функционирование происходит с пониженным уровнем эффективности.

Вопросы для самоконтроля

1. Всякое ли множество можно считать системой?

2. Может ли система обладать свойством, которого нет ни у одного из ее элементов?

3. Чем равновесие системы отличается от устойчивости системы?

4. К какому классу систем можно отнести таблицу Д. Менделеева?

5. Какая связь между технологическими системами подразделений, процессов, операций?

6. Что входит в технологическую систему, кроме средств технологического оснащения?

7. Может ли неисправная система быть работоспособной?

8. В каких случаях предельное состояние технической системы следует считать неремонтируемым?

9. Может ли система функционировать при отказе?

10. В чем различие событий «повреждение» и «отказ»?

«Смотреть вперед - это всегда полезно, но трудно заглянуть дальше, чем можно увидеть»

У. Черчиль

Лекция 2. Качество и надежность технических систем

2.1. Понятие качества 2.2. Свойства надежности 2.3. Показатели оценки надежности	Качество, показатели качества, начальные и временные свойства, надежность, безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость, цена потребления, полная стоимость владения, добавленное качество

2.1 Понятие качества

Качество - это совокупность свойств изделия, определяющих его пригодность для использования по назначению. Это свойство является комплексным. Оно охватывает не только потребительские свойства, но и эстетические, эргономические, технологические и другие. ГОСТ 15467-79 «Управление качеством продукции. Основные понятия. Термины и определения» устанавливает следующие группы показателей качества изделия (продукции):

- назначения (функциональные, технической эффективности, конструктивные),

- надежности,

- эргономические,

- эстетические,

- безопасности,

- патенто-правовые,

- экологичности.

Рассмотрение этих групп показателей позволяет разбить их на два блока: конструкторско-технологические (как объекта производства) и эксплуатационные (как объекта эксплуатации, проявляющиеся только в эксплуатации). Очевидно к последним относятся показатели надежности, эргономические, эстетические, экологичности, безопасности.

С другой стороны почти все группы показателей и их составляющие остаются неизменными во времени (функциональные, конструктивные, эргономические, эстетические, безопасности, экологичности, патенто-правовые), т.е. изначально установленные они не меняются (начальные показатели). Лишь одно свойство качества меняется со временем (временное качество) - это надежность.

При прочих равных условиях именно это свойство является определяющим в потребительской экспертизе, в выборе потребителя. Это связано с будущими расходами потребителя на техническую эксплуатацию изделия. Вследствие снижения надежности системы растут расходы потребителя на запасные части, комплектующие, вспомогательные материалы и др., которые являются одной из главных составляющих цены потребления (полной стоимости владения). Известно, что за срок службы сложного технического изделия расходы на его эксплуатацию в 8-13 раз превышают начальную стоимость. Низкая надежность объекта, например, вызванные отказами простои, могут свести на нет эффект от повышения паспортных характеристик его производительности. Из всех свойств качества именно надежность выступает ведущим фактором неценовой конкуренции на рынке технической продукции, а повышение надежности расценивается как «добавленное качество».

2.2 Свойства надежности

Под надежностью следует понимать свойство системы выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования.

Надежность имеет экономическое содержание. Об этом свидетельствует высказывание А.Н. Туполева: «Чем дальше от доски конструктора обнаруживается ненадежность, тем дороже она обходится». Если затраты на исправление ошибки на стадии проектирования принять за единицу, то исправление этой ошибки на стадии изготовления обойдется в 10 раз дороже, а потери в эксплуатации возрастут в 100 раз (соотношение 1:10:100). В зависимости от объекта приложения и целей оценки в практике различают эксплуатационную, технологическую, прогнозируемую надежность, надежность системы и ее составных частей (элементов). Надежность сложных технических изделий закладывается на стадии проектирования (дизайна), обеспечивается при изготовлении и сборке, а проявляется в эксплуатации. Теория надежности:

- устанавливает закономерности возникновения отказов и осуществляет их прогнозирование;

- определяет способы повышения надежности при конструировании и изготовлении;

- определяет способы сохранения (поддержания) надежности при эксплуатации;

- разрабатывает методы проверки и оценки надежности.

Надежность свойство комплексное, включающее следующие свойства: безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость.

Безотказность - свойство системы непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки.

Долговечность - свойство системы сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта. Предельное состояние определяется невозможностью дальнейшего использования объекта вследствие снижения производительности, эффективности использования, или исходя из требований безопасности.

При кажущейся равнозначности этих свойств в зависимости от функционального назначения системы приоритет может отдаваться одному из них. Так, для пассажира самолета важнее его безотказность во время полета, чем долговечность. Это же относится и к системам вентиляции в шахте. Для сельскохозяйственной техники эти свойства равнозначны. Однако, в период сезонных работ (посевная, уборочная) более значимым выступает свойство безотказности.

Ремонтопригодность - свойство системы, заключающееся в приспособленности к предупреждению, обнаружению и устранению неисправностей и отказов путем проведения технического обслуживания и ремонта.

Сохраняемость - свойство системы непрерывно сохранять исправное и работоспособное состояние в течение и после хранения и транспортирования.

Следует обратить внимание на то, что для невосстанавливаемых систем свойства безотказности и долговечности в узком смысле близки друг к другу, а свойство ремонтопригодности следует понимать только как приспособленность к предупреждению отказов.

Для механических систем принято рассматривать только три свойства: безотказность, долговечность и ремонтопригодность. Сохраняемость рассматривается существенно реже.

2.3 Показатели оценки надежности

Надежность сложных технических систем может оцениваться с помощью качественных и количественных показателей. Использование только качественной оценки не создает возможности рассчитать уровень надежности и наметить пути его повышения, сравнить варианты конструкций с позиций надежности, обеспечить оптимальные условия эксплуатации. Целесообразно сформировать ряд единых количественных показателей. Конкретная номенклатура, порядок и методы расчета зависят от вида и особенностей оцениваемой технической системы. При оценке надежности и составляющих ее свойств, так же как и других свойств систем используются четыре групп количественных показателей.

Первая группа это частные или единичные показатели, с помощью которых оценивается только одно из свойств надежности, например, безотказность, долговечность, ремонтопригодность или сохраняемость.

Вторую группу образуют комплексные показатели, которые характеризуют одновременно несколько свойств надежности, например, безотказность и ремонтопригодность.

Третья группа включает обобщенные показатели, с помощью которых может оцениваться группа свойств надежности.

Четвертая группа показателей это интегральные, оценивающие надежность изделия в целом. Например, для технологического оборудования в качестве такого показателя может быть рекомендован ресурс на один рубль затрат на эксплуатацию данного вида оборудования.

Наибольшее распространение при оценке надежности сложных технических систем получили единичные и комплексные показатели.

Количественная оценка надежности технической системы и составляющих ее элементов может осуществляться и без использования вышеперечисленных показателей. Например, оценку степени влияния на надежность всей системы отдельных ее элементов можно выполнить по соотношению количества отказов этих элементов за определенный период времени. При этом следует учитывать, что различные по характеру и природе отказы в различной степени влияют на работоспособность систем, вызывая неодинаковые по длительности перерывы в их работе. Следовательно анализ влияния количества отказов элементов на общую надежность системы необходимо дополнять анализом влияния этих отказов на перерывы в работе (простои). Лишь совместный учет отказов и простоев может выявить наименее надежные элементы системы.

Вопросы для самоконтроля

1. Какое свойство качества меняется со временем?

2. В чем экономический смысл надежности?

3. Какое ключевое слово в определении безотказности?

4. Какие свойства надежности наиболее важны для механических систем?

5. В чем принципиальная разница между качественными и количественными показателями надежности?

6. Какие группы количественных показателей используются для оценки свойств надежности?

7. В чем разница между комплексными и интегральными показателями оценки надежности?

8. Какими методами можно выявить наименее надежные элементы технической системы?

«Подход к проблеме важнее, чем ее решение»

Закон Холла

Лекция 3. Факторы и процессы, влияющие на надежность технических систем

3.1. Факторы и процессы влияния 3.2. Изнашивание 3.3. Влияние скорости процессов на надежность технических систем	Конструктивные, технологические, эксплуатационные факторы, обратимые и необратимые процессы, упругие и температурные деформации, изнашивание, механические, молекулярно-механические, коррозийно-механические виды изнашивания, трение скольжения, качения, верчения, скорость и интенсивность изнашивания, скорость протекания процессов

3.1 Факторы и процессы влияния

На надежность технических систем оказывают влияние три группы факторов: конструктивные, технологические и эксплуатационные.

К конструктивным факторам относятся: принципиальная схема машины, качество материалов, форма и размеры деталей, запас прочности, применяемые методы расчета на прочность, конструктивные концентраторы напряжений в деталях (зазоры, натяги, галтели, пазы, канавки и др.), характер и скорость приложения нагрузок и др.

Технологические факторы - факторы, связанные с процессом получения стабильных свойств материалов, обеспечивающих стабильность структуры, физико-механических свойств, прочности; факторы, связанные с формообразованием заготовки, методами обработки и сборки; методы и режимы механической, термической, химико-термической обработки; геометрия режущего инструмента; организация технического контроля по этапам технологического процесса.

Эксплуатационные факторы - давления, характер нагружения, скорости, температура среды, влажность среды, виды и способы смазки, соблюдение правил технической эксплуатации, техническое обслуживание, качество ремонта, квалификация ремонтно-эксплуатационного персонала, техническая оснащенность ремонтных служб и др.

На надежность технических систем существенное влияние оказывают обратимые и необратимые процессы, происходящие в системах.

К обратимым процессам относятся температурные и упругие деформации в деталях и узлах машин.

Необратимые процессы - это изнашивание, усталостное разрушение, коррозия, старение, ползучесть, кавитационно-эррозионное разрушение и др.

Влияние температурных деформаций проявляется в увеличении зазоров в сопряжениях, появлении вибрации, стука, заклинивании подвижных соединений, поломках, интенсивных износах. Очевидно, следует учитывать возможность изменения линейных и объемных размеров деталей, приводящих к изменению зазоров в сопряжениях, возможность их коробления под действием температур среды или температур, возникающих в парах трения. Например, в паре вал-втулка диаметром 100 мм при возрастании температуры до 100є С величина зазора уменьшится при втулке из бронзы на 0,18 мм, из пресспорошков на 0,37 мм, из капрона на 1 мм.

Упругие деформации в технической системе не оказывают такого влияния как температурные деформации на работоспособность подвижных соединений. Однако они имеют основное влияние на технологическую надежность процесса механической обработки резанием, на точность механической обработки. Известны зависимости величины погрешности механической обработки, обусловленные упругими отжимами элементов технологической системы станок-приспособление-инструмент-деталь. Величина упругих отжимов, а, следовательно, погрешностей зависит от погрешности заготовки (неравномерности припуска на обработку) Дз и неоднородности свойств материала обрабатываемой детали (неоднородность твердости) ДСр. Именно эти две составляющие упругой деформации в технологической системе вызывают рассеяние (разброс) размеров при обработке на настроенном на заданный размер станке.

Наибольшее влияние на надежность технических систем оказывают необратимые процессы - изнашивание и поломки. 80-90% всех поломок деталей связаны с усталостным разрушением. Наибольшее количество отказов в машинах обусловлено изнашиванием.

3.2 Изнашивание

Изнашивание - процесс постепенного изменения размеров тела при трении, проявляющийся в отделении с поверхности трения материала и (или) в его остаточной деформации. Соответственно, износостойкость - свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях эксплуатации. При контакте двух сопряженных поверхностей и их относительном перемещении в поверхностных слоях возникают механические и молекулярные взаимодействия, которые приводят к разрушению микрообъемов поверхностей, т.е. к износу. При этом исходный (технологический) микрорельеф превращается в эксплуатационный.

Процессы, сопровождающие изнашивание, крайне разнообразны и по разному протекают в различных условиях. Наиболее характерные из них:

- возникновение высоких локальных температур, которые при больших местных давлениях могут достигать значений, соответствующих фазовым превращениям или приводящих к расплавлению металла (образование мостиков сварки);

- протекание процессов переноса материала с одной поверхности на другую;

- возникновение высоких механических и термических напряжений, приводящих к образованию микротрещин;

- протекание химико-термических процессов, образование окисных пленок или других химических соединений, в связи с чем свойства поверхностного слоя резко отличаются от свойств основного материала;

- влияние на трение и износ смазки, которая играет роль эластичной прокладки, ведет к образованию масляного клина, а попадая в микротрещины оказывает расклинивающее действие.

Эти процессы характерны для всех трех родов трения: скольжения, качения, верчения (точечный контакт или контакт конических поверхностей). В зависимости от условий смазки, ее характера, режимов работы различают сухое, граничное и жидкостное трение.

При сухом трении происходит наибольший износ. При жидкостном трении трущиеся поверхности разделены слоем смазки. Наиболее характерным является граничное трение, когда слой смазки не превышает 0,1-0,2 мкм, а износ происходит при локальных разрывах масляной пленки.

Различают три вида изнашивания:

- механическое, которое имеет место только при механическом взаимодействии тел;

- молекулярно-механическое, сопровождающееся воздействием молекулярных или атомарных сил;

- коррозионно-механическое, происходящее при трении материала, вступившего в химическое взаимодействие со средой.

В группе механических видов изнашивания выделяются: абразивное, усталостное, пластическим деформированием.

Абразивный износ происходит вследствие режущего или царапающего действия с отделением микростружки твердыми частицами из окружающей среды или продуктами износа. Усталостный износ происходит вследствие циклического воздействия на микровыступы трущихся поверхностей. Износ пластическим деформированием происходит только вследствие пластического оттеснения материала без его удаления с поверхности трения.

Среди молекулярно-механических видов изнашивания выделяются два: адгезионный износ и избирательный (атомарный) перенос.

Адгезионное изнашивание связано с возникновением в локальных зонах контакта поверхностей интенсивного молекулярного взаимодействия, приводящего к образованию мостиков сварки, глубинному вырыванию и переносу частиц материала с одной поверхности на другую. При определенных условиях и в определенной среде можно управлять этим процессом, обеспечивая переход материала с одной поверхности на другую и обратно. Такое явление, обнаруженное Крагельским и Гаркуновым при трении в вакууме в среде глицерина, зарегистрированное как открытие, названо избирательным переносом.

В группе коррозионно-механических выделяются окислительный, коррозионный износы и фреттинг-коррозия.

Окислительный износ происходит при наличии на поверхности трения защитных пленок, образовавшихся при взаимодействии основного материала с кислородом воздуха. При взаимном перемещении тел защитные пленки разрушаются, обнажая основной материал, который вновь окисляется и пленка разрушается при трении. Аналогичный механизм и коррозионного изнашивания, только разрушаются при трении не окислительные пленки, а продукты коррозии на поверхностях трения. Фреттинг-коррозия имеет место в неподвижных соединениях, в микрозазорах которых образуются продукты коррозии в виде бурого налета. Даже в неподвижных соединениях двух тел имеют место микроколебания, микроперемещения тел относительно друг друга, что ведет к разрушению продуктов коррозии и цикл повторяется. Явление фреттинг-коррозии было обнаружено Одингом на деталях гидротурбин.

Показателями износа являются:

- линейный износ U_МКМ,

- скорость износа (мкм/ч),

- интенсивность износа (мкм/км).

Классическая зависимость величины линейного износа во времени графически носит S-образный характер, как это показано на рисунке 3.

Рисунок 3. Изменение линейного износа во времени

Как видно из рисунка кривая износа имеет три стадии: I стадия - приработка; II - нормального износа и III - катастрофического износа.

3.3 Влияние скорости процессов на надежность технических систем

По скорости процессы, протекающие при эксплуатации машин, делятся на быстропротекающие, процессы средней скорости и медленно протекающие. Они в разной мере оказывают влияние на надежность технических систем.

Быстропротекающие процессы проявляются сразу же после включения машин в форме вибраций, изменения сил трения в сопряжениях, колебаний рабочих нагрузок, неуравновешенности движущихся деталей и др. Длительность и периодичность их возникновения измеряется секундами. Действие процессов приводит к изменению и рассеянию выходных параметров машин, например, при механической обработке неточность размеров, формы деталей.

Процессы средней скорости происходят при непрерывной работе машин. Длительность их измеряется минутами, часами. Под их действием происходит монотонное изменение начальных параметров на величину , как это показано на рисунке 4. Это могут быть как обратимые, так и необратимые процессы, например, износ металлорежущего инструмента, его стойкость измеряется в минутах.

Медленно протекающие процессы происходят за время между ремонтами машин. Это только необратимые процессы: износ, перераспределение напряжений, ползучесть, загрязнение, коррозия, сезонные изменения температур и др. Эти процессы влияют на производительность, точность, коэффициент полезного действия и др. Они ведут к монотонному изменению выходного параметра, достигающему величины . Методы борьбы с ними это техническое обслуживание и ремонты.

Рисунок 4. Изменение выходных параметров машин под действием процессов разной скорости

Все рассмотренные процессы носят случайный характер, что приводит к разбросу выходных параметров машин, законы рассеяния которых отражаются функциями и на рисунке 4. Суммарное изменение выходного параметра под действием процессов разных скоростей или суммарная погрешность .

Вопросы для самоконтроля

1. На какой стадии жизненного цикла технической системы проявляется влияние на ее надежность технологических факторов?

2. Чем обусловлено большинство отказом в машинах?

3. Чем отличается трение скольжения от трения качения и трения верчения?

4. Какие роды трения реализуются в зубчатых передачах?

5. В чем разница понятий «изнашивание» и «износ»?

6. Возможно ли изнашивание без трения?

7. В чем суть явления избирательного переноса?

8. В чем принципиальная разница окислительного и коррозионного изнашивания?

9. Назовите основные этапы изменения линейного износа во времени.

10. В чем состоит главное влияние скорости процессов на надежность технических систем?

Лекция 4. Анализ отказов технических систем

4.1. Классификация отказов 4.2. Характеристика потока отказов	Отказ, частичный отказ, поток отказов, стационарный и нестационарный потоки, стационарность, отсутствие последействия, ординарность, эргодичность

4.1 Классификация отказов

Выбор принципов классификации определяется ее целью. В связи с этим существуют различные подходы к классификации отказов.

Наиболее простая и понятная классификация отказов механических систем предложена Прониковым А.С., согласно которой отказы делятся на функциональные и параметрические. Появление первых приводит к нарушению функционирования механизмов, а, следовательно, и машин в целом. Наличие параметрических отказов приводит к выходу параметров машин за установленные пределы (границы). Например, снижение точности обработки на металлорежущем станке, снижение производительности, пропуск стежков на швейной машине и др.

С позиций изучения характера и природы отказов, влияния различных факторов на их возникновение, интерес представляет классификация, предложенную Рахутиным при исследовании надежности шахтного оборудования. Классификация построена на рассмотрении значительного количества классификационных признаков.

1. По условиям возникновения разделяют отказы в нормальных и ненормальных производственных условиях. Ненормальные условия имеют место вследствие ошибок персонала или стихийных бедствий (наводнение, оледенение на ЛЭП и др.), или при других чрезвычайных ситуациях.

2. По причинам возникновения выделяют отказы не связанные с разрушением (разладки, засорения) и обусловленные разрушением (поломки, изнашивание).

3. По характеру возникновения: внезапные, связанные с резким изменением основных параметров, и постепенные под действием случайных факторов, обусловленные медленно протекающими необратимыми процессами (старение, ползучесть, изнашивание и другие).

4. По степени влияния на работоспособность: полные и частичные. Последние связаны с «частичной» потерей работоспособности системы, т.е. с пониженным уровнем функционирования. Такие отказы возникают в системах, имеющих большое количество автономных компонентов (рабочих органов). При отказе некоторых большинство остается работоспособными. Например, городская телефонная сеть, прядильная машина. При отказе телефона одного (или нескольких) абонентов, одного (или нескольких) веретен системы продолжают функционировать.

5. По признакам проявления: явные и неявные. Возникновение явного отказа обнаруживается органолептическими методами. При неявных отказах для их обнаружения требуется применение специальных приборов или устройств или значительный опыт и умение персонала.

6. По взаимосвязи между собой: независимые и зависимые, когда появление одного отказа влечет за собой возникновение других. Возможность возникновения зависимых отказов свидетельствует о серьезных ошибках в конструкциях систем, о недоработках конструкторов. Взаимосвязь отказов может привести к их лавинообразному нарастанию.

7. По последствиям различают отказы опасные и безопасные для здоровья и жизни персонала и для окружающей природной среды; тяжелые, ведущие к значительным материальным и финансовым и другим затратам и потерям, и легкие.

8. По способу устранения выделяют отказы, устраняемые заменой элементов, регулировкой, чисткой и самоустраняющиеся отказы или сбои.

9. По сложности устранения: простые и сложные, требующие специалистов высокой квалификации и значительных трудозатрат.

10. По частоте возникновения: единичные и систематические. Наличие последних обусловлено, главным образом, конструктивными недоработками, технологическими ошибками или нарушениями условий эксплуатации.

11. По возможности устранения: устранимые и неустранимые, при возникновении которых восстановление работоспособности системы технически невозможно или экономически неоправданно.

12. По происхождению: конструктивные, обусловленные недостатками конструкции; технологические - недостатками технологического процесса изготовления и сборки деталей и узлов и эксплуатационные, связанные только с условиями эксплуатации.

4.2 Характеристика потока отказов

В технических системах отказы возникают и устраняются в случайные моменты времени. Следовательно, на длительном промежутке времени можно рассматривать реальный поток отказов. Тогда под потоком отказов будем понимать последовательность их возникновения в случайные моменты времени. Именно вид потока отказов определяет свойства сложного технического изделия как системы, а также аналитические зависимости между количественными и качественными характеристиками надежности. Наиболее характерными видами потоков отказов являются простейший или стационарный и нестационарный пуассоновский поток.

Простейший поток такой, при котором время возникновения отказов удовлетворяет одновременно трем условиям: стационарности, отсутствия последействия, ординарности.

Условие стационарности означает, что вероятность возникновения отказа за фиксированный промежуток времени t зависит только от величины этого промежутка и не зависит от его расположения на временной оси. Из условия стационарности вытекает свойство эргодичности, которое означает, что результаты длительных наблюдений за одной системой в произвольно выбранные моменты времени имеют те же статистические свойства, что и одновременные наблюдения за большим числом систем.

Отсутствие последействия означает, что отказ одного элемента не изменяет надежность других, т.е. отсутствует корреляционная связь между временем возникновения отказов элементов. Следовательно, отказы элементов события случайные и независимые.

Ординарность означает, что вероятность попадания на отрезок времени t двух и более отказов неизмеримо мала по сравнению с вероятностью возникновения только одного отказа.

Эти три условия очень часто нарушаются. Стационарность нарушается в начальный момент эксплуатации вследствие приработки, с течением времени вследствие старения, изменения условий эксплуатации, под действием изменения температуры и влажности среды, наличия вибраций и т.п. Очевидно, что для больших промежутков времени условие стационарности невыполнимо. Гипотеза о стационарности потока отказов технической системы справедлива лишь для сравнительно малых промежутков времени.

Гипотеза отсутствия последействия для целого ряда систем оказывается маловероятной. Например, при постепенных отказах ухудшаются параметры некоторых элементов, что может привести к изменению режимов работы смежных элементов. Следовательно, постепенные отказы одних элементов могут привести к изменению вероятности безотказной работы целой группы других. Т.о. в общем случае поток отказов элементов с постепенными отказами является потоком с последействием. Внезапные отказы могут вызвать резкое изменение в режимах работы сопряженных элементов, не вызывая изменения в характере потока отказов. Это объясняется кратковременностью действия внезапных отказов, что не изменяет надежности других элементов.

Условия ординарности во многих случаях также являются невыполнимыми, поскольку при функционировании сложных систем отказ одного элемента почти одновременно ведет к отказу ряда других. Однако для большинства систем, главным образом с последовательным соединением элементов, предположение об ординарности потока справедливо. Дело в том, что при последовательном соединении элементов отказ одного ведет к отказу всей системы. Следовательно, безразлично отказали или нет другие элементы.

Резюмируя, можно утверждать, что если элементы системы работают одновременно, их отказы являются внезапными, отказ любого из них ведет к отказу всей системы, старение элементов отсутствует или протекает очень медленно, период приработки закончен, то поток отказов системы и ее элементов является простейшим.

Нестационарным пуассоновским потоком считается поток, удовлетворяющий одновременно двум условиям: отсутствия последействия и ординарности. Чаще всего отказы сложных технических систем образуют именно нестационарный пуассоновский поток отказов. Такие потоки реализуются в процессе приработки, когда элементы системы работают неодновременно, а также в системах с постоянным включением резерва.

Кроме рассмотренных потоков отказов в практике исследования надежности систем встречаются и другие виды потоков отказов, например, поток Пальма, поток Эрланга и другие.

Вопросы для самоконтроля

1. Чем функциональные отказы отличаются от параметрических?

2. Является ли ошибка персонала отказом технической системы?

3. Что означает «ненормальные» производственные условия?

4. В каких технических системах могут иметь место «частичные» отказы?

5. Чем отличается явный отказ от неявного?

6. Существуют ли неустранимые отказы?

7. Что такое поток отказов?

8. Какая связь между свойством эргодичности системы и стационарностью потока отказов?

9. При каких условиях справедлива гипотеза о стационарности потока отказов технических систем?

10. Чем стационарный поток отказов отличается от нестационарного?

Лекция 5. Безотказность. Свойства и показатели оценки

5.1. Вероятность безотказной работы 5.2. Наработка на отказ, до отказа, интенсивность и параметр потока отказов 5.3. Законы распределения времени между отказами	Безотказность, вероятность безотказной работы, вероятность отказа, наработка на отказ, интенсивность отказов, параметр потока отказов, интегральная и дифференциальная функции распределения, закон Вейбулла-Гнеденко, экспоненциальный закон, закон Релея, закон нормального распределения

5.1 Вероятность безотказной работы

Вероятность безотказной работы Р(t) - вероятность того, что в заданном интервале времени или заданной наработки отказ изделия не произойдет. Эта функция является убывающей. Р(О) = 1; Р() = 0, следовательно О ? Р(t) ? 1. На рисунке 5 представлена графическая интерпретация функции надежности.

Рисунок 5. Функции вероятности безотказной работы Р(t) и вероятности отказа Q(t)

Для невосстанавливаемых систем вероятность безотказной работы рассчитывается

,

где N(t) - количество изделий, остающихся работоспособными к моменту времени t;

N_o - количество изделий, находившихся под наблюдением.

Для восстанавливаемых систем

,

где n(t) - количество изделий, в которых произошел хотя бы один отказ к моменту времени t.

В некоторых случаях более удобной характеристикой безотказности выступает вероятность неисправной работы или вероятность отказа Q(t). Очевидно, что P(t) и Q(t) события противоположные, несовместимые и образуют полную группу событий. Следовательно Q(t) = 1 - P(t); P(t) = 1 - Q(t). Использование показателя вероятности безотказной работы несет в себе ряд преимуществ:

- применим для оценки простых и сложных систем;

- применим для оценки на стадии проектирования системы;

- является показателем изменения надежности во времени;

- является достаточно полной характеристикой надежности, поскольку учитывает большое число факторов влияния.

Главным недостатком данного показателя является то, что он может служить достаточно полной характеристикой только для невосстанавливаемых систем.

5.2 Наработка на отказ, до отказа, интенсивность и параметр потока отказов

Наработка на отказ T₀ есть среднее время исправной работы между двумя соседними отказами. Представляет собой отношение наработки восстанавливаемой системы к математическому ожиданию числа отказов в течение этой наработки. Величина случайная, точное значение которой заранее предсказать невозможно. Поэтому рассчитывается как среднее статистическое значение

,

где m - число отказов за время t, t_i - время исправной работы между (i-1) и i-m отказами, Т_М - суммарное время безотказной работы за время t.

Как видно этот показатель используется для оценки безотказности восстанавливаемых систем.

Для невосстанавливаемых систем применяется показатель наработки до отказа Т_ср (для восстанавливаемых систем наработка до первого отказа).

Статистическое значение рассчитывается

,

где t_i - время работы i-го изделия до первого отказа.

Недостатки этих показателей сводятся к следующему:

- как математическое ожидание случайной величины они не могут полностью характеризовать время исправной работы, поскольку неизвестна мера рассеяния их величины;

- не позволяют оценить надежность изделий, время работы которых меньше среднего времени безотказной работы.

Интенсивность отказов есть условная плотность вероятности возникновения отказа невосстанавливаемой системы. Статистическое значение интенсивности отказов определяется как отношение числа систем, отказавших в единицу времени, к среднему числу систем, остающихся исправными в данный промежуток времени.

,

где _ количество изделий, отказавших за время ,

_ количество изделий, оставшихся исправными до конца наработки t.

Параметр потока отказов есть плотность вероятности возникновения отказа восстанавливаемой системы. Статистическое значение представляет среднее число отказов в единицу времени непрерывной работы

Как видно, параметр потока отказов величина - обратная наработке на отказ, следовательно

; .

Закономерность изменения параметра потока отказов во времени может носить различный характер, как это показано на рисунке 6.

Кривая 1 носит классический характер. Стадия I соответствует приработке, во время которой выявляются скрытые дефекты и пропуски контроля. Частота отказов уменьшается и стабилизируется, что соответствует переходу в стадию нормальной работы (II). На этой стадии поток отказов может рассматриваться как стационарный ().

Рисунок 6. Варианты изменения во времени

Стадия III характеризуется лавинообразным нарастанием отказов, когда проявляются постепенные отказы, связанные с износом, старением, усталостными явлениями. Кривая 2 характеризует технические системы, приработка которых проведена до начала эксплуатации, например, в условиях их производства. Кривая 3 характерна для технических систем, элементы которых не испытывают старения или износа и этап нормальной эксплуатации отсутствует.

...