Надежность ГИиО. Г. А. Боярских, И. Г. Боярских НАДЁЖНОСТЬ ГОРНЫХ МАШИН. И. Г. Боярских надёжность горных машини оборудования екатеринбург 2008
 Скачать 1.23 Mb.
|
|
ГА. Боярских, И. Г. Боярских НАДЁЖНОСТЬ ГОРНЫХ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ Екатеринбург - 2008 Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Уральский государственный горный университет ГА. Боярских, И. Г Боярских НАДЁЖНОСТЬ ГОРНЫХ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия для студентов специальности 15 04 02 - Горные машины и оборудование» Екатеринбург 2008 2 УДК 622.68.004(075.8) ББК Б 72 Рецензенты Сухов Р.И. завсектором ИГД УрО РАН, канд. техн. наук, с.н.с. Кожушко Г. Г, завкафедрой подъёмно-транспортных машин и работ УГТУ- УПИ, профессор, др техн. наук. Печатается по решению Редакционно-издательского совета Уральского государственного горного университета Боярских ГА, Боярских И. Г Надёжность горных машин и оборудования учебное пособие / Боярских ГА, Боярских И. Г Екатеринбург Изд-во УГГУ, 2008.- 130 с. В учебном пособии рассмотрены причины возникновения отказов и пути повышения надёжности горных машин. Рассмотрены и рассчитаны показатели надёжно- сти. Предложены методы повышения надёжности машин. В учебном пособии изложены основы теории старения горных машин и оборудования. Приведены основные термины и определения в области надёжности горных машин. Рассмотрены физико-математические модели их отказов. Приведены применяемые в инженерной практике показатели надёжности горных машин и методика их выбора. Дан анализ области и методология получения вероятностных моделей надёжности машин. Рассмотрены методология обеспечения и расчёта надёжности на стадиях проектирования, изготовления и эксплуатации горных машин. Предложены направления и методы повышения надёжности горных машин на современном этапе их состояния нагорных предприятиях. Учебное пособие содержит нормативные данные и контрольные вопросы для оценки студентами уровня усвоения изложенного материала дисциплины в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта. Учебное пособие предназначено для подготовки специалистов по специальности Горные машины и оборудования, а также для специалистов горной промышленности игорного машиностроения. Рис. 24. Табл. 23. Библ. Уральский государственный горный университет, 2008 ISBN 5-8019-0038-1 Боярских ГА, Боярских И. Г, 2008 3 ОГЛАВЛЕНИЕ Введение………………………………………………………...…..…………......6 Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ Общие положения Основные термины и определения 1.3. Причины и физическая природа отказов машин 1.4. Отказы горных машин 1.5. Физико-математические модели отказов Глава 2. ПОКАЗАТЕЛИ НАДЁЖНОСТИ И ИХ ВЫБОР 2.1. Номенклатура показателей надёжности и их выбор 2.2. Единичные показатели надёжности………………….………….......21 2.3. Статистические оценки показателей надёжности……..…………..26 2.4. Комплексные показатели надёжности………………..…..................30 2.5. Математические модели (законы) распределения вероятностей показателей надёжности………………..…...................34 Задачи для самостоятельной работы Контрольные вопросы Глава 3. ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 3.1. Прогнозирование показателей надежности на этапе технического задания 3.2. Расчет показателей надежности на стадии технического проекта 3.3. Определение показателей надежности на стадии испытания опытных образцов 3.4. Особенности испытания на надежность сложных систем 3.5. Рекомендации по обеспечению надежности на стадии проектирования Глава 4. ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ НА СТАДИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ 4.1. Роль технологии в обеспечении надежности 4.2. Надежность технологического процесса ………………...…………...68 4.3. Контроль качества в процессе изготовления 4.4. Испытания продукции на надежность при изготовлении 4.5. Основные правила обеспечения надежности при серийном производстве Задачи для самостоятельной работы Контрольные вопросы Глава 5. ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ 5.1 Влияние эксплуатации на надежность машин 5.2 Оценка надежности поданным эксплуатации 4 5.3 Поддержание и восстановление надежности машин 5 .4 Основные правила обеспечения надежности на этапе эксплуатации Задачи для самостоятельной работы Контрольные вопросы Глава 6. ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ГОРНЫХ МАШИН Конструктивные мероприятия повышения надежности 6.2 Технологические мероприятия повышения надежности 6.3 Эксплуатационные мероприятия повышения надежности Резервы повышения эффективности горных машин Задачи для самостоятельной работы Контрольные вопросы Заключение Библиографический список Приложение Таблица П Значение функции Таблица П Значение гамма функции Таблица П Значение плотности вероятности Таблица П Выбор номенклатуры нормируемых показателей надежности технических устройств (выписка из МУЗ - 69)……………….……………..125 Таблица П Выбор нормируемых показателей 5 ВВЕДЕНИЕ Высокая производительность горных предприятий обеспечивается как рациональной технологией ведения горных работ, таки уровнем техники, предназначенной для электрификации, механизации и автоматизации технологических процессов. Современное состояние парка и критерии эффективного применения технологических комплексов в горной промышленности поставило в качестве первоочередной проблемы обеспечение надежности этих комплексов. Отказ горных машин и оборудования, находящихся в составе технологических комплексов, ведет к нарушениям технологического процесса и может быть причиной возникновения аварий с недопустимыми их последствиями. Особая ответственность выполняемых функций горных машин и оборудования связана с обеспечением безопасности обслуживающего персонала, надёж- ностью объектов жизнедеятельности горных предприятий. Возрастание требований к функциональному состоянию горных машин и оборудования связано тем, что надёжность технологического комплекса определяется новым уровнем критичности последствий отказов составных элементов комплекса. Совершенствование горно-технологических процессов и внедрение новых, более эффективных технологий невозможно без использования систем автоматического управления и обработки информации. Рост единичной мощности оборудования также обусловливает повышение требований к его надежности, и ремонтопригодности. Научной базой работ по обеспечению надежности технических устройств, машин и др. является теория надежности. К настоящему времени теория надежности представляет собой самостоятельную научную дисциплину. Ее основные задачи - установление видов количественных показателей надежности - выработка методов аналитической оценки надежности - разработка методов оценки надежности по результатам испытаний 6 - оптимизация надежности на стадиях разработки и эксплуатации. - эти задачи могут решаться по двум направлениям. Первое — основано на изучении вероятностных, статистических закономерностей появления отказов у множества однотипных систем, устройств. При этом отказы рассматриваются как некоторые отвлеченные события, а физические состояния устройств и элементов сводятся к двум–исправному и неисправному, которые описываются функциями надежности. Это направление подготовки рассматривается впервой части учебного пособия и формирует навыки математическое моделирование надежности. Второе — основано на изучении физико-химических свойств элементов и устройств происходящих в них процессов физической природы и механизма отказов. При этом текущие состояния элементов и устройств описываются уравнениями, отражающими физические закономерности. Это направление подготовки формирует базу знаний по физическому моделированию надёжности. Сочетание этих направлений подготовки в решении инженерных задач вероятностных, статистических методов с проникновением в физическую сущность процессов, протекающих в критических элементах горных машин и оборудования. Авторы благодарны доктору техн. наук проф. УГТУ-УПИ Ко- жушко Г. Г. (ИГД УрО РАН) за труд по рецензированию учебного пособия и сделанные при этом полезные замечания к изданию. 7 Глава 1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ 1 .1. Общие положения Качество и надежность машин, оборудования и приборов во многом определяют успех научно-технического прогресса в любой отрасли. Современное горное производство характеризуется высоким уровнем механизации и применением сложных высокопроизводительных машин. Вопросы, связанные с повышением качества и надежности, должны решать будущие инженерные работники — студенты, которые обязаны овладеть теоретическими знаниями в области надежности машин, чтобы на практике решить прикладные задачи теории надёжности. Надежность различной техники, в том числе горного производства комплексная проблема, отражающая все этапы существования объекта (от конструкторской идеи до списания. Она постоянно находится в стадии развития по мере совершенствования базы знаний и умений специалистов, а также изменений и уточнений условий эксплуатации различных объектов. Однако создать совершенно безотказную и предельно долговечную машину невозможно потому, что стечением времени на нее непрерывно воздействуют различные факторы, изменяя свойства деталей и, как следствие, вызывая отклонения установленных показателей надежности. Экономические расчеты показывают, что создавать такую идеальную машину нецелесообразно, так как стечением времени изменяются требования к самой технике. Возникнув вначале в авиационной технике, теория надежности стала одной из основных инженерных дисциплин, главная задача которой — обеспечивать высокую безотказность и долговечность любой техники. Наука о надежности техники изучает закономерности изменения показателей работоспособности объектов стечением времени, а также физическую природу отказов и на этом основании разрабатывает методы, обеспечивающие с наименьшими затратами времени и средств необходимую долговечность и безотказность объектов. Специфические особенности теории надежности состоят в том, что все этапы создания и использования объектов влияют на надежность, а процессы изменения функциональных параметров объектов случайны физические закономерности, определяющие изменения характеристик объектов, разнообразны и сложны при этом во всех закономерностях отражается фактор времени. Теоретические основы науки о надежности техники базируются на отдельных разделах фундаментальных наук математической статистике и теории вероятностей, материаловедении и теории прочностей, на достижениях современной экономической науки. К задачам, стоящим перед теорией надежности, относятся следующие — обеспечение минимальных затратна создание, изготовление и эксплуатацию новых машин путем оптимального сочетания значения показателей надежности и других свойств, определяющих эффективность их работы установление слабых мест в конструкции машины, приводящих к частыми длительным простоям разработка мероприятий по совершенствованию конструкции, изготовления и эксплуатации машин, обеспечивающих дальнейшее повышение эффективности техники. 1 .2. Основные термины и определения 9 В процессе освоения основ теории надежности и ее расчетов необходимо пользоваться определенной терминологией, сформулированной в ГОСТ 27.002—89. Надежность—свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования. Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения состоит из сочетаний свойств безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости. Каждое из этих свойств оценивается своими показателями, физическая сущность и содержание которых у новых машин зависят от их конструкции, технологии изготовления и условий эксплуатации, ау отремонтированных от качества ремонта и условий эксплуатации. Безотказность — свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или некоторой наработки. Работоспособное состояние — состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих его способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической документации. Долговечность — свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта. Предельное состояние — состояние объекта, при котором его дальнейшее применение по назначению недопустимо или нецелесообразно либо восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно. Ремонтопригодность — свойство объекта, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов и к поддержанию, и восстановлению работоспособного состояния путем проведения технического обслуживания и ремонтов. Сохраняемость — свойство объекта сохранять работоспособное состояние в течение и после хранения и транспортирования. Отказ — событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния. Критерий отказа — признак или совокупность признаков неработоспособного состояния объекта, установленных в нормативно-технической документации. Восстанавливаемый объект — объект, для которого в рассматриваемой стадии восстановление работоспособного состояния предусмотрено в норма- тивно-технической документации. Для конкретных объектов и условий их эксплуатации основные свойства объектов, определяющие их надежность, могут иметь различную относительную значимость. Любая горная машина представляет собой восстанавливаемое изделие, поэтому свойство ремонтопригодности позволяет оценить затраты на техническое обслуживание и ремонт. Долговечность машины—свойство работать длительное время с возможными режимами, не снижая производительности и качества работы. Сохраняемость — свойство горных машин сохранять свою работоспособность после длительного хранения в межсезонье. 1 .3. Причины и физическая природа отказов машин Горная машина в процессе эксплуатации подвергается различным внешними внутренним воздействиям, в результате чего может происходить отклонение одного или нескольких параметров за установленные пределы, те. потеря машиной работоспособности — отказ. 11 Характер и интенсивность этих воздействий определяются рядом факторов ив частности, видами энергии, действующими на узлы и механизмы машины - механической, тепловой, электрической. Механическая энергия вызывает статические и динамические нагрузки на узлы и детали машины, которые рождают силы в кинематических парах, упругие деформации силовых элементов, усталостные явления в металле и др. Тепловая энергия, воздействуя на элементы машин, может приводить к их упругими пластическим деформациями явлениям ползучести, имеющим место при одновременном тепловом и силовом воздействиях к снижению прочности деталей, твердости, упругих свойств металла и других харак- теристик. Тепловая энергия возникает как при работе силовых агрегатов машин, таки при взаимодействии рабочих органов с горной породой при трении в подшипниках, зубчатых зацеплениях, в дросселирующих и демпфирующих устройствах гидросистем и т. д. Электрическая энергия воздействует на машины пли непосредственно в виде электрохимических процессов, возникающих при коррозии металлов, или в преобразованном виде через механическую или тепловую энергию. Кроме энергетических воздействий на состояние машины и ее деталей оказывают влияние ряд факторов, определяющих условия ее эксплуатации. К ним относятся атмосферные температурные воздействия, от которых часто зависит уровень механических свойств конструкционных материалов деталей машины например, при высоких температурах воздуха интенсивнее происходят отказы в гидросистеме, при длительном и интенсивном действии солнечной энергии увеличивается количество отказов электрооборудования и т. п 12 атмосферные осадки (обильные дожди, росы, иней повышают скорость коррозии, увеличивают интенсивность отказов в электросистеме и т. п воздушная агрессивная среда (пыль и песок вызывают ускоренный износ пар трения и т. п. В зависимости от характера технических устройств, условий, их использования те или иные признаки отказов могут приобретать различную значимость, асами отказы с учетом этого классифицируют следующим образом внезапный отказ — отклонение одного или нескольких заданных параметров объекта, обусловленных нормативно-технической документацией, за допустимые пределы без видимого предшествующего изменения (ухудшения) этих параметров причиной внезапного отказа машины могут быть разрушение силовых элементов, отказ деталей гидросистем и электросистем и т. п постепенный отказ — отклонение одного или нескольких параметров, установленных нормативно-технической документацией, за допустимые пределы в результате постепенного изменения (ухудшения) их в процессе эксплуатации. Причинами постепенного отказа машин могут быть абразивное, молекулярно-механическое или коррозионно-механическое изнашивание, усталостные явления, старение металла и т. п. 1 .4. Отказы горных машин Горные машины и комплексы относятся к восстанавливаемым системам. Отказы при этом можно разделить на наносные, аварийные, технологические и ошибочные. Износные отказы вызываются истиранием или контактной усталостью поверхностного слоя деталей. 13 Аварийные отказы возникают вследствие поломок, причинами которых являются конструктивные недостатки, некачественное изготовление или влияние на детали неучтенных условий эксплуатации. Технологические отказы происходят при несоблюдении вовремя работы заданных параметров рабочего процесса, установленного технологией горного производства в пределах характеристики машины. Ошибочные отказы происходят вследствие несоблюдения требований технического обслуживания машины, а также вследствие ошибок обслуживающего персонала из-за недостаточной квалификации или недисциплинированности, которые при оценке надежности машин в расчет не принимаются. ЭКГ-5И ЭКГ СБШ-250 Рис. 1.1. Причины отказов горных машин На рис показаны причины отказа некоторых горных машин. Если отбросить ошибочные отказы (группа IV), можно отметить, что недостатки конструкции и дефекты изготовления и ремонта могут вызывать внезапные отказы, составляющие значительную долю всех отказов горных машин. Накопление дефектов в процессе эксплуатации без нарушения режимов нагружения которое приводит к постепенным отказам, составляет всего 25 % и даже 5 % (для СБШ - 250), что свидетельствует о больших резервах повышения надежности горных машин. Недостатки конструкции Дефекты изготовления и ремонта Нормальная эксплуатация. Физико-математические модели отказов Рассмотрим схему формирования отказа изделия, когда протекание различных процессов повреждения приводит к изменению выходного параметра Отказ возникает при достижении параметром своего предельно допустимого значения X max , что произойдет через некоторый случайный промежуток времени работы изделия. Рассмотрим наиболее распространенный случай, когда изменение параметра изделия X подчиняется линейному закону X = f (γ) В этом случае γ — это скорость протекания процесса (например, скорость изнашивания, которая зависит, как правило, от большого числа случайных факторов (например, от нагрузки, скорости, температуры, условий эксплуатации и т. п. Поэтому наиболее характерен случай, когда скорость протекания процесса подчинена нормальному закону, те 2 ср 2 ) ( 2 1 γ α σ γ − γ π γ σ = γ e f , где ( ) γ f — плотность вероятности ср γ — среднее значение скорости среднее квадратическое отклонение скорости процесса. Задача заключается в отыскании плотности распределения поза- данной функции рис. 1.2). Без промежуточных преобразований зависимость можно представить в следующем виде , 1 ) ( 2 2 2 2 ) 1 ( 2 где ср γ σ δ γ = - коэффициент вариации. 15 Рис. Плотность распределения параметра по заданной функции Для определения вероятности отказа Т) необходимо проинтегрировать функцию плотности вероятности ) ( ) ( 0 ∫ = T dt t f T F , если же ввести переменную t t z ⋅ − = δ 1 , то данный интеграл сводится к функции Лапласа (табулированной. Учитывая, что вероятность безотказной работы Т) =1 — Т, получим , 1 Ф 5 , 0 ) ( δ − + = t t Т Р где Ф нормированная функция Лапласа (Ф. Эту формулу можно написать в другом виде, выразив РТ) через параметры Х ср γ и , которые являются исходными данными (см. выше) при решении поставленной задачи 5 , 0 ) ( γ σ γ ср max − − + = T T X Ф Т Р Таким образом, мы получили модель постепенного отказа и ее математическое описание. Графики функций приведены на рис. 1.3. a. Причина возникновения внезапных отказов не связана с изменением состояния изделия и временем его предыдущей работы, а зависит от уровня внешних воздействий. Поэтому при построении модели внезапного отказа 16 надо охарактеризовать ту обстановку, те внешние условия, которые могут привести к отказу. а б Рис. 1. 3. Графическое изображение моделей постепенного (a) и внезапного отказов (б) Эта обстановка может оцениваться интенсивностью отказов λ - вероятностью возникновения отказав единицу времени (ч. При λ = со получим экспоненциальный закон надежности (см. рис. б, при котором f(t)= t e λ λ − ; При совместном действии постепенных и внезапных отказов значение может быть подсчитано по теореме умножения вероятностей ). ( ) ( ) ( 0 t t P t P В П P = Если известны параметры законов распределения ( ср T ,σ, λ) то можно определить вероятность безотказной работы элементов узла , σ σ γ 5 , 0 ) ( T 2 2 2 0 max λ γ 0 − α + + − Φ + = e T Т a X t Р ср где a – начальный параметр изделия (например, зазор, точность изготовления и т. паи а- математическое ожидание и среднее квадратическое отклонение Рис. 1.4. Суммарное воздействие постепенного и внезапного отказов Из рис. 1.4 следует, что в начальный период работы детали основное влияние на оказывают внезапные отказы, а затем все большее значение приобретают постепенные отказы. Глава 2 ПОКАЗАТЕЛИ НАДЁЖНОСТИ И ИХ ВЫБОР |