ОСНОВЫ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

1. ОСНОВЫ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ Кандидат технических наук, доцент Пресняков В.А. Каф. СТЭА 2008-2009 уч. год.

2. Введение В настоящее время в России резко изменились условия взаимоотношений поставщиков и потребителей на рынке товаров и услуг. Экономическую ситуацию «Рынок ресурсов - производство» в первом приближении можно рассматривать как «спрос» на детали автомобилей при их производстве. В ситуации «Производство - рынок товаров» изготовленные автомобили выступают как «предложение». Наибольшую выгоду (прибыль) будут иметь производство деталей (комплектующих) и автомобилей при условии, что они обладают высокой надежностью и работоспособностью. Надежность деталей и узлов автомобилей необходима для повышения уровня комфортности, уменьшения огромных затрат на ремонт и убытков от простоев, обеспечения безопасности людей. Вследствие своего влияния на безопасность людей надежность автомобилей имеет большое социальное значение. Наука о надежности, выросшая из проблем надежности подшипников качения, в дальнейшем развивалась главным образом в применении к радиоэлектронным системам и в направлении математической теории. Между тем надежность машин имеет свою специфику, связанную с преобладанием износовых и усталостных отказов и влиянием большого многообразия факторов.

3. Цели и задачи В презентации рассмотрены основные процессы, вызывающие снижение работоспособности машин: трение и износ, коррозия, усталость и старение материалов, а также методы управления этими процессами. Особое внимание уделено математическому аппарату и традиционным методам расчета, анализа и прогнозирования надежности машин.

4. Рекомендуемая литература • Зорин В.А. Основы работоспособности технических систем: М., Магистр-пресс, 2005. - 535 с. • Половко А.М., Гуров С.В. Основы теории надежности: СПб., BHV, 2006. – 704 с. • Шаповал В.В. Основы работоспособности технических систем: Конспект лекций.-Владивосток: Изд-во ВГУЭС, 2000. – 76 с. • Шаповал В.В. Основы работоспособности машин: Учебно-практическое пособие. – Владивосток: Изд-во ВГУЭС, 2001. – 44 с.

5. Учебный план • Всего часов – 171. • Аудиторных – 51; из них 32 – лекционные и 17 практические занятия. • Самостоятельная работа – 120.

6. 1. ТЕХНИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ АВТОМОБИЛЕЙ И ЕГО ИЗМЕНЕНИЕ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ

7. Изменение технического состояния автомобилей • Основной целью технической эксплуатации автомобилей является снижение затрат на поддержание работоспособности автомобиля в заданных условиях эксплуатации. • Необходимо установить зависимости определяющие работоспособность автомобиля. Такие зависимости принято называть математическими моделями. • Математическая модель позволяет на основе данных об изменении регулируемых параметров прогнозировать техническое состояние автомобилей. Это дает возможность следить за изменением удельных затрат на поддержание работоспособности автомобиля и обеспечить их оптимальный уровень в заданных эксплуатационных условиях.

8. Техническое состояние и работоспособность автомобиля • Современный автомобиль состоит из 15—18 тыс. деталей, из которых 7—9 тыс. теряют свои первоначальные свойства при работе, причем около 3—4 тыс. имеют срок службы меньше, чем автомобиль. Из них 200—400 деталей “критических” по надежности, чаще других требуют замены, вызывают простои автомобилей, и затраты в эксплуатации. • В процессе эксплуатации автомобиль взаимодействует с окружающей средой, а его элементы взаимодействуют между собой. Это вызывает нагружение деталей, их взаимные перемещения, трение, нагрев, изменение в процессе работы физических величин и конструктивных (структурных) параметров: размеров, зазоров и т. д.

9. Техническое состояние автомобиля определяется совокупностью конструктивных параметров. Возможность непосредственного измерения конструктивных параметров без частичной или полной разборки агрегатов ограничена. В этом случае пользуются косвенными величинами или так называемыми диагностическими параметрами, которые связаны с конструктивными и дают о них ту или иную информацию (например, мощность, расход масла, компрессия и т. д.). Различают: • — параметры выходных рабочих процессов, определяющие основные функциональные свойства автомобиля (мощность, тормозной путь); • —  параметры сопутствующих процессов (нагрев, вибрация, содержание продуктов износа в масле); • — геометрические (конструктивные) параметры, определяющие связи между деталями в агрегате (механизме) и между отдельными агрегатами и механизмами (зазор, ход, вид посадки и др.).

10. Схема изменения параметров технического состояния Sтн, Sтп — начальное и предельное значение тормозного пути; yп, yд — предельное и допустимое значение параметров тех. состояния; yн — номинальное значение параметра технического состояния; lp — наработка до предельного значения параметра технического состояния; lо — оптимальное значение периодичности; 1 — зона работоспособности; 2 — зона отказа.

11. Основные причины изменения технического состояния автомобилей. Изменение технического состояния АТС, происходит под влиянием постоянно действующих причин, обусловленных работой самих механизмов, случайных причин, а также внешних условий, при которых работает и хранится АТС. • Случайные причины — скрытые дефекты перегрузки конструкции, превосходящие допустимые пределы. • Основные (постоянно действующие) причины: изнашивание, пластические деформации, усталостные разрушения, коррозия, физико-химические и температурные изменения материалов и деталей. • Изнашивание — процесс постепенного изменения размера детали при трении вследствие ее деформации или отделения с поверхности трения материала.

12. Влияние условий эксплуатации на техническое состояние автомобилей • Дорожные условияопределяют режим работы АТС, характеризуются технической категорией дороги (их пять), видом и качеством дорожного покрытия, сопротивлением движению автомобиля, элементами дороги в плане (ширина, величины подъемов и уклонов, радиусы закруглений). • Условия движенияхарактеризуются влиянием внешних факторов на режимы движения и, следовательно, на режимы работы АТС и его агрегатов (интенсивность движения за городом и в городе).

13. Транспортные условия (условия перевозок) характеризуются скоростью движения, длиной груженой ездки, коэффициентом использования пробега, коэффициентом использования грузоподъемности, коэффициентом использования прицепов, родом перевозимого груза. • Природно-климатические условияхарактеризуются температурой окружающего воздуха, влажностью, ветровой нагрузкой, уровнем солнечной радиации. Выделяются несколько природно-климатических районов: очень холодного, жаркого, сухого, очень жаркого, сухого, умеренно теплого, теплого влажного, умеренного холодного и др., включая районы с высокой агрессивностью окружающей среды. • Сезонные условияхарактеризуется колебаниями температуры окружающего воздуха, изменением состояния дорожных условий, появлением ряда факторов, влияющих на интенсивность изменения параметров технического состояния АТС (пыль — летом, влага и грязь — осенью и зимой).

14. Классификация отказов по влиянию на работоспособность изделия: • —  вызывающие неисправность (перегорела лампочка); • —  вызывающие отказ (поломка тормозов); по источнику возникновения: • — конструктивные (вследствие несовершенства конструкции); • —  производственные (из-за нарушения технологического про­цесса изготовления или ремонта); • —  эксплуатационные(перегрузка, применение не того топлива и смазок);

15. По связи с отказами других элементов: • зависимые— обусловленные отказом или неисправностью других элементов (задир зеркала цилиндра из-за поломки поршневого пальца); • независимые— не обусловленные отказом других элементов (прокол шины); по характеру (закономерности) возникновения и возможности прогнозирования: • постепенные— в результате плавного, постепенного изменения параметров технического состояния, чаще всего вследствие износа (40—70% всех отказов), они, могут быть предотвращены в результате своевременного выполнения ТО; • внезапные— характерным является скачкообразное изменение технического состояния (различные повреждения, внезапные поломки).

16. по частоте возникновения (наработке): • малой наработкой (3—4 тыс. км); • средней наработкой (4—16 тыс. км); • большой наработкой (>16 тыс. км). по трудоемкости и продолжительности устранения: • малой трудоемкости (до 2 чел. час); • средней трудоемкости (2—4 чел. час); • большой трудоемкости (>4 чел. час). по влиянию на потери рабочего времени: • устраняемые без потерь рабочего времени, т. е. при ТО или в нерабочее (межсменное время); • устраняемые с потерей рабочего времени.

17. Механизм возникновения постепенных (а) и внезапных (б) отказов Еo — состояние отказа; ЕR — начальное состояние; Хo — наработка на отказ (достижение предельного состояния)

18. Надежность сложный показатель, который может включать в себя такие свойства как: • безотказность (свойство непрерывно сохранять работоспособность до наступления предельного состояния в течение некоторой наработки), • долговечность(свойство сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта), • ремонтопригодность (свойство в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений и поддержанию и восстановлению работоспособности путем проведения ремонтов и технического обслуживания), • сохраняемость (свойство объекта непрерывно сохранять показатели безотказности, долговечности и ремонтопригодности в течении и после хранения и транспортировки).

19. Наработка — продолжительность работы изделия (в часах или км. пробега). • Ресурс — наработка до предельного состояния, оговоренного технической документацией. • Работоспособность — состояние изделия при котором оно способно выполнять заданные функции с параметрами, значения которых установлены технической документацией.    В том случае, когда изделие, хотя и может выполнять свои основные функции, но не отвечает всем требованиям технической документации (например, помято крыло) — изделие работоспособно, но неисправно. • Отказ — нарушение работоспособности, приводящее к прекращению транспортного процесса (т. е. остановка на линии, возврат с линии и т. д.).     Все другие отклонения технического состояния от установленных норм являются неисправностями.

20. Основные свойства технических систем

21. Изменение показателей во времени 1 — начальное значение показателя надежности; 2 — изменение показателя надежности во времени; 3 — регулируемый показатель надежности; 4 — влияние технической эксплуатации на показатель надежности; 5 — реализуемый показатель надежности с учетом технической эксплуатации.

22. 2. Показатели надежности

23. Таблица 1. Основные показатели надежности

24. Вероятность безотказной работыP(t) - вероятность того, что в пределах заданной наработки на отказ объекта не возникает. • Средняя наработка до отказаТ1 - математическое ожидание наработки объекта до первого отказа. • Интенсивность отказовJ(t) - условная плотность вероятности возникновения отказа невосстанавливаемого объекта, определяемая для рассматриваемого момента времени при условии, что до этого момента отказ не возник. • Параметр потока отказовw(t) - отношение среднего числа отказов восстанавливаемого объекта за произвольно малую его наработку к значению этой наработки. • Наработка на отказТ0 - отношение наработки восстанавливаемого объекта к математическому ожиданию числа его отказов в течение этой наработки. • Установленная наработка до отказаtо.у. - наработка до установленных в технической документации видов отказов, которую должен иметь каждый объект при заданных условиях эксплуатации. • Вероятность восстановленияР(t в) - вероятность того, что время восстановления работоспособности объекта не превысит заданного. • Среднее время восстановленияtВ - математическое ожидание времени восстановления работоспособности (собственно ремонта). Внезапные отказы в период нормальной эксплуатации определяются случайными неблагоприятными сочетаниями большого количества факторов. Случайность связана с тем, что причины события для нас являются скрытыми. Поэтому надежность необходимо рассматривать в вероятностном аспекте.

25. 3. Аналитические зависимости изменения вероятности безотказной работы машины

26. Рассмотрим результаты, проведенных для оценки надежности, испытание значительного числа N0 элементов в течении времени t. К концу испытаний остается Nи (исправных) и Nот (отказавших) элементов, Тогда: вероятность отказов .(1) Если испытания проводятся с целью прогнозирования надежности, то Q(t) можно рассматривать как вероятность отказов (при достаточно большом N0).

27. вероятность безотказной работы (4) так как безотказная работа и отказ - взаимно противоположные состояния изделия, поэтому их сумма равна единице: (3)

28. Q(t) Графическая интерпретация вероятности безотказной работы и вероятности отказа

29. плотность вероятности отказовf(t) или вероятность отказов в единицу времени, есть производная от функции вероятности отказов по времени или наработке в других единицах. (4) (5) Выразим вероятность отказов и вероятность безотказной работы через плотность вероятности отказов. Из выражения (3): (6) .

30. интенсивность отказов(t) - это вероятность отказа в единицу времени при условии, что отказ до этого времени не наступал, т.е. это скорость изменения отказа в единицу времени, отнесенная к числу исправных элементов (постоянных в указанном промежутке времени): (7) Из выражений (6) и (7) следует, что f(t) и (t) отличаются знаменателями. (8)

31. Проинтегрировав и преобразовав выражение (8) получим: (9) При нормальной эксплуатации объектов интенсивность отказов (t)=const.= , тогда принимает выражение t, а зависимость (9) представляется как: (10) Из этого следует, что вероятность безотказной работы изменяется по экспоненте (см. рис. 1).

32. Р(L) 1,0 L Рис 1.Характер изменения безотказной работы Р(L) объекта в зависимости от пробега (L)

33. Надежность систем

34. Рис. 2. Система последовательно соединенных элементов

35. По теореме умножения вероятностей: (11) При условии равенства надежностей элементов,т.е. P1(t)=P2(t)=....Pn(t) (12) Из зависимости (12) следует, что надежность сложной системы будет уменьшаться, даже если она состоит из достаточно надежных элементов. Например: система состоит из шести элементов с одинаково высокой надежностью Pi=0,99, n=6; Pc(t)=(0,99)6»0,94. . (13) При Q1(t)=Q2(t)=....=Qn(t) получим Pc(t)=1-nQ1(t) и для заданных условий: Pi=0.99; Qi=0,01; n=6 имеемPc=1-6·0,01=0,94.

36. Из приведенного выше следует. Если требуется высокая надежность системы, состоящей из многих элементов, то простым повышением надежности ее элементов достичь требуемого качества часто не удается и приходится применять резервирование. Резервирование наиболее широко применяется при конструировании приборов в радиоэлектронной промышленности, когда резервные элементы имеют малье габариты и легко собираются в системы. В машиностроении резервирование может проявляться как при конструировании узлов, так и при решении вопросов организации производства: - в ответственных узлах используют двойную систему смазки, двойное и тройное уплотнение; - в станках применяют запасные комплексы специальных инструментов; - в морских судах силовые установки имеют, как правило, по две машины; - в пассажирских самолетах применяют 3-4 двигателя и несколько электрических машин. Выход из строя одной или даже нескольких машин, кроме последней, не приводит к аварии самолета; - в автомобилях применяется двойная система тормозов, привод задних (передних) колес или сблокированный привод всех четырех колес, поворот передних или всех четырех колес при управлении автомобилем .

37. Рис 3. Система с резервированием элементов

38. (14) ,где Q i(t) - вероятность отказаi-го элемента. Тогда вероятность безотказной работы: . (15) Тогда, еслиQ1(t)=0,01, n=6, то Pc(t)=1-0,016=0,9999..., т.е. надежность значительно повышается.

39. Статистическая оценка основных показателей надежности.

40. При испытании на надежность невосстанавливаемых объектов удобно пользоваться следующими показателями: f(t) - плотность распределения, т.е. плотность вероятности случайного события; P(t) - вероятность безотказной работы; (t) - интенсивность отказов; T1 – средняя наработка до отказа.

41. Таблица 2. Математические зависимости основных показателей надежности невосстанавливаемых объектов:

42. Математические зависимости основных показателей надежности для восстанавливаемых объектов: Таблица 3.

43. Определение количественных характеристик надежности осуществляется двумя способами: • - по статистическим данным об отказах изделий, при этом используют статистические оценки показателей надежности; • по известному аналитическому выражению какой либо характеристики, тогда применяют вероятностное определение характеристики. • Пример: • Проводятся испытания на надежность 3-х экземпляров одного изделия. За время наблюдения первый отказал 6 раз при наработке 350 часов, второй отказал 11 раз, за время 400 часов и третий отказал 8 раз, за время 500 часов. • Определить: наработку изделия на отказ. (16) ,где ti - сумма наработок трех изделий, а ni - суммарное количество отказов. Тогда: ti=350+400+500=1250 час., а ni=6+11+8=25 суток и средняя наработка на отказ

44. Тема 4.Методика испытания эксплуатационной надежности машин и предъявление требований промышленности.

45. Виды испытаний Испытание - экспериментальное определение (оценивание) и (или) контроль количественных и (или) качественных характеристик свойств объекта испытаний как результат воздействия на него, при его функционировании, при моделировании объекта и (или) воздействий.

46. Определительные испытания - испытания, проводимые для определения значений характеристик объекта с заданными значениями точности и (или) достоверности. • Контрольные испытания - испытания, проводимые для контроля качества объекта. Среди контрольных обычно различают приемо-сдаточные и типовые испытания. Контрольные испытания готовой продукции, проводимые при приемочном контроле, называются приемо-сдаточными. К типовым испытаниям относятся контрольные испытания продукции, проводимые с целью оценки эффективности и целесообразности вносимых изменений в конструкцию, рецептуру или технологический процесс.

47. Исследовательские испытания - испытания, проводимые для изучения определенных характеристик свойств объектов. Исследовательские испытания, проводимые для определения зависимости между предельно допустимыми значениями параметров объекта и значениями параметров режимов эксплуатации, называются граничными. • Доводочные испытания - исследовательские испытания, проводимые в процессе разработки изделий с целью оценки влияния вносимых в них изменений для достижения требуемых показателей качества. • Предварительные испытания - контрольные испытания опытных образцов (партий) изделий с целью определения возможности их предъявления на приемочные испытания.

48. Приемочные испытания - это контрольные испытания опытных образцов (партий) изделий, а также изделий единичного производства, проводимые соответственно для решения вопроса о целесообразности постановки на производство этих изделий или передачи их в эксплуатацию. • К нормальным относятся испытания, методы и условия проведения которых обеспечивают получение необходимого объема информации о характеристиках свойств объекта в такой же интервал времени, как и в предусмотренных условиях эксплуатации. Ускоренные испытания - испытания, методы и условия проведения которых обеспечивают получение необходимой информации в более короткий срок, чем при нормальных испытаниях. Сокращенные испытания - испытания, проводимые по сокращенной программе без интенсификации процессов, вызывающих отказы и повреждения. Форсированные испытания - ускоренные испытания, основанные на интенсификации деградационных процессов, приводящих к отказам.

49. Ускоренные испытания Ускоренными называются испытания, методы и условия проведения которых обеспечивают получение необходимого объема информации в более короткий срок, чем в предусмотренных условиях и режимах эксплуатации. Ускоренные испытания бывают сокращенными и форсированными. • Сокращенные испытания - ускоренные испытания без интенсификации процессов, вызывающих отказы или повреждения. В сокращенных испытаниях уменьшение сроков получения показателей надежности достигается за счет прогнозирования поведения объекта испытаний на период, больший, чем продолжительность испытаний.

50. Форсированные испытания - ускоренные испытания, основанные на интенсификации процессов, вызывающих отказы или повреждения. При форсированных испытаниях проводится преднамеренное увеличение скорости утраты работоспособности изделия. Ускоренные испытания разрабатываются с целью сокращения сроков проведения испытания по сравнению с нормальными испытаниями, т.е. испытаниями, методы и условия проведения которых обеспечивают получение необходимого объема информации в такой же срок, как и в предусмотренных НТД условиях и режимах эксплуатации для данного изделия