Надежность ГИиО. Г. А. Боярских, И. Г. Боярских НАДЁЖНОСТЬ ГОРНЫХ МАШИН. И. Г. Боярских надёжность горных машини оборудования екатеринбург 2008
 Скачать 1.23 Mb.
|
|
4.1. Роль технологии в обеспечении надежности Технологический процесс изготовления, контроля и испытания деталей во многом определяет уровень надежности машин (рис. 4.1). Компоненты технологического процесса (метод и последовательность, применяемое оборудование, технологическая оснастка) определяют параметры качества изготовления деталей и узлов (точность формы, механические свойства, структура рабочих слоев и др, что влияет на эксплуатационные свойства деталей (износостойкость, усталостную прочность, антикорозий- ность и др) ив значительной степени определяет показатели надежности изделия в целом. 63 Рис. 4.1. Связь надежности с технологическим процессом изготовления Анализ отказов изделий машиностроения показывает, что 25—40 % их происходит из-за недостаточного уровня технической надежности, определяемой степенью совершенства технологических процессов. При этом отказы машин по этим причинам можно разделить на две группы 1) отказы вследствие грубых дефектов, возникающих входе технологического процесса (литейные пороки, сварочные деформации и трещины прижоги, зарезы, микротрещины, перенаклеп при механической обработке и т. п, которые могут быть выявлены методами контроля 2) отказы вследствие нестабильности технологического процесса, что приводит к разбросу параметров качества деталей и объясняется рассеиванием свойств материала, отклонениями технологических режимов и другими причинами, влияющими на точность и стабильность процесса изготовления. Одним из основных условий выпуска надежных изделий является обеспечение надежности самого технологического процесса как функционирующей системы. Из этого следуют два направления обеспечения надежности выпускаемых машин на стадии изготовления 1) уменьшение брака изделий и ужесточение методов контроля при изготовлении деталей и их сборке. По отечественными некоторым иностранным сведениям даже на стабильно отрегулированном производстве качество изготовления деталей бывает различным (рис. 4.2): до 3 % — брак окончательный, до 13 детали с дефектами. Браки дефекты могут выявить контрольные операции, о которых сказано в разделе 4.3. Контроль качества в процессе изготовления. Рис. 4.2. Качество изготовления деталей 2) создание технологии изготовления, которая могла бы влиять на трудно учитываемые или вообще не учитываемые параметры качества поверхностного слоя (табл. 4.1), которые могут обеспечивать заданный уровень надежности создаваемого изделия. В табл. табл. 4.1 и 4.2 приведены показатели надежности деталей и узлов машин одного итого же назначения на предприятиях, условно разделенных натри группы в зависимости от уровня технологии производства. Как следует из приведенных данных, уровень технологического процесса изготовления отдельных деталей оказывает весьма существенное влияние на формирование фактических показателей надежности. Техническую надежность машины можно представить как состоящую из двух частей Рт = Р к [1-(1- Р н )r], где Рт — техническая надежность, те. надежность с учетом качества изготовления Р к — конструктивная надежность, определяемая по существующим методам расчета при проектировании Р н — показатель надежности технологического процесса производства машин r — коэффициент корреляции между надежностью технологического процесса и надежностью изделия. При отсутствии зависимости между показателем надежности технологического процесса Р н и надежностью изделия (при r = 0) Рт = Р к , при прямой зависимости (при r = 1) Рт = Р к Р Н Высокая надежность горных машин может быть обеспечена лишь при создании производства с высокой надежностью технологических процессов изготовления. Таблица 4.1 Связь качества поверхностного слоя с надежностью деталей Параметры качества поверхностного слоя Изменяются в пределах Влияние на экс- плутационные свойства Учитываются ли при конструировании машин Влияние на надежность машин Макрогеометрия Значительных Очень значительно Допуском Регламентируется Волнистость 0,01 – 0,1 мм Значительно Редко Может изменить долговечность в 1,5 – 2 раза Шероховатость 0,001 – 0,1 мм ------ Задается предельная шероховатость Регламентируется Направление штрихов Зависит от метода обработки Влияет на износи усталость Очень редко Может изменить долговечность в 1,5 – 2 раза Степень иглу- бина наклепа Н н = (1,3 – 1,4) Н исх на глубине до 0,5 мм Значительно на усталость Не учитывается Может изменить долговечность в 3 – 5 раза Микротвердость Н н = (0,5 – 3) Н исх Значительно для точных деталей Тоже Может изменить долговечность в 1,2 – 1,5 раза Остаточные напряжения От σ сж = 600 кН до раст 700 кН Значительно на усталость – || – Может изменить долговечность в 3 – 10 раза Таблица 4.2 66 Зависимость надежности изделий от уровня технологии Наименование деталей и узлов машины Интенсивность отказов на 10 4 часов низший уровень технологий средний уровень технологий наивысший уровень технологий Вентиляторы 3,57 2,4 0,89 Вибрационные механизмы 1,6 0,88 0,2 Клапаны выпускные 5,33 3,4 1,33 Насосы с механическим приводом 31,3 13,5 3,33 Подшипники качения 1 0,5 0,02 Передачи зубчатые 0,2 0,12 0,012 Таким образом, приведённые таблицы позволяют более точно обосновывать критерии предельного состояния и отказов горных машин на различных стадиях их жизненного цикла. 4.2. Надежность технологического процесса Всякий технологический процесс - это сложная динамическая система, в которой в единый комплекс объединены оборудование, средства контроля, вспомогательные и транспортные устройства, обрабатывающий инструмент и оснастка, находящиеся в постоянном изменении. Надежность технологического процесса - это его свойство обеспечивать изготовление продукции в заданном объеме, сохраняя во времени установленные требования к ее качеству. Показатель, которым оценивается надежность технологического процесса, – его безотказность. Под безотказностью технологического процесса понимается вероятность нахождения его выходных параметров (точность обработки, механические свойства и т. п) в допустимых пределах в течение заданного периода времени Постепенные отказы технологического процесса при этом являются следствием износа технологического оборудования, инструмента, оснастки и средств контроля. Внезапные отказы могут быть вызваны дефектами заготовок комплектующих изделий, грубыми нарушениями технологического процесса, ошибками изготовителя. Эти отказы могут быть сведены к минимуму при организации действенного контроля. Формирование выходных параметров изделия в процессе его изготовления имеет свою специфику, связанную со структурой технологического процесса, в том числе с методами контроля, надежностью осуществления отдельных операций и переходов. Рис. 4.3. Схема формирования надежности технологического процесса Рассмотрим на примере механической обработки оценку надежности технологического процесса, состоящего из n последовательных операций (рис. 4.3), которые должны обеспечить получение m параметров Х, Х, ... Х 3 в пределах допуска. Вероятность Р) выхода любого параметра технологического процесса за допустимые пределы в течение заданного периода Т определяет безотказность данного технологического процесса. Формирование выходных параметров детали происходит в результате последовательной обработки заготовок, причем для каждой операции, как правило, назначаются свои выходные параметры, которые должны быть обеспечены в результате данного этапа обработки. Поэтому каждая операция также характеризуется определенной безотказностью Р. Однако особенность формирования надежности технологического процесса выражается в том, что вероятность безотказного осуществления технологической процесса 68 на всей цепочке неравна произведению соответствующих вероятностей Р) для каждой операции, так как надежность технологического процесса определяют не все операции, а лишь финишные, обеспечивающие получение соответствующих параметров процесса в допустимых пределах. Включение контрольных операций (К, К, …, К) может условно рассматриваться как раздельное резервирование, в то время как контрольные испытания (К) изделия могут рассматриваться как общее резервирование. Рис. 4.4. Буровая долотчатая коронка Контрольные операции также не обладают й гарантией отбраковки и имеют соответствующую надежность измерительных приборов Р кj Таким образом, общая надежность технологического процесса изготовления может быть определена последующим формулам - надежность операции к ф- надежность технологического процесса к ф пр ; ) 1 )( 1 ( 1 ) ( - надежность технологического процесса с контрольными испытаниями изделия ), 1 )( ( 1 исп при где Р фi - надежность финишных операций, формирующих показатели качества детали (закалка, шлифование, сборка и т. д. Надежность финишных операций можно определить по формуле ф 69 где N - общее количество проконтролированных деталей в партии n — количество деталей с дефектами, превышающими допустимые отклонения Р кi - надежность контрольных операций, применяемых для контроля качества финишных операций Р кi =P n P m , где P n - вероятность попадания деталей с дефектом в число контролируемых прим методе контроля P n = 1); P m - надежность метода контроля определяется при внедрении метода. В качестве примера рассмотрим определение надежности буровых коронок, выпускаемых тремя различными заводами с различным уровнем технологии производства. Буровая коронка (рис. 4.4) состоит из корпуса 1, в который впаяна пластинка твердого сплава 2. Примем теоретическую (конструктивную) надежность Р к = 0,95. К финишным операциям, обеспечивающим качество буровой коронки после изготовления, можно отнести следующие операцию пайки, определяющую прочность слоя припоя операцию термообработки, определяющую прочность корпуса, и операцию заточки, определяющую геометрию и прочность режущих кромок. Надежность контроля операций для всех заводов одинакова для операции пайки Р к = 0,85; для операции термообработки Р кт = 0,95; для операции заточки Р кз = 0,99. В табл. 4.3 даются расчеты надежности технологических процессов изготовления коронок, полученные на заводах страны, выпускающих буровой инструмент. Таблица 4.3 Расчёт технической надёжности коронок Завод Пайка Термообработка Заточка Р пр Р т Р фп Р кп Р оп Р фт Р кт Р от Р фз Р кз Р оз 70 Первый 0,962 0,85 0,9943 0,85 0,95 0,9925 0,99 0,99 0,999 0,985 0,94 Второй 1,0 0,85 1,0 0,85 0,95 0,993 1,0 0,99 1,0 0,993 0,95 Третий 0,71 0,85 0,9565 0,85 0,95 0,993 0,865 0,99 0,999 0,943 0,91 Из представленной таблицы следует, что технологический процесс производства может существенно изменить надежность изделия (от 5 до 9 % даже на заводах приблизительно одного уровня производства и одного изделия. В табл. 4.3 данные по заводам отличаются по уровню технологии относительно мало. Чем больше отличается уровень производства различных заводов, тем больше разница ив надежности их изделий (см. табл. 4.2). Надежность может отличаться в 2— 4 раза. 4.3. Контроль качества в процессе изготовления Под контролем понимается проверка соответствия продукции или процесса, от которого зависит качество продукции, установленным технологическим требованиям (ГОСТ 16504-81), поэтому контроль может относиться как к оценке качественных и количественных характеристик свойств продукции, таки к проверке режимов, характеристики параметров технологического процесса. Для налаженного технологического процесса характерны следующие виды контроля - входной контроль - проверка соответствия поступающих на предприятия материалов, полуфабрикатов и комплектующих изделий, технической документации на них - текущий операционный контроль - контроль качества изготовления при выполнении определенной технологической операции 71 - контроль качества приемочный - проверка готовой продукции по окончании производственных операций с целью выявления ее годности или сортности. Контроль может быть количественным или качественным. При количественном контроле регистрируются точные численные значения параметров или отмечаются лишь категории, классы, к которым принадлежит проверяемое изделие. При качественном контроле принимается одно из двух решений пригодно изделие для дальнейшего использования или нет. Качественный контроль не позволяет уловить тенденцию изменения параметров деталей в результате нарушения технологического процесса. Он способен лишь зафиксировать брак, ноне предупредить его. При этом, как правило, должен применяться сплошной контроль, те. должны проверяться все детали. При больших партиях изготавливаемых изделий может быть применен статистический контроль качества продукции. При этом устанавливается вероятная доля дефектной продукции в партии. Партия будет признана годной, если доля дефектной продукции q находится в пределах заданного уровня q 0 , те. где m - число дефектных изделий в выборке n. При этом принимается, что при достаточной выборке n штук (n < N) будет справедливо соотношение , N M n m где М - число дефектных изделий в партии объемом N. Статистический контроль качества носит предупредительный характер, так как позволяет получать достоверную информацию об изменениях качества входе самого процесса производства и позволяет управлять качеством изготовления. Оценка уровня качества продукции — необходимый, ноне достаточный 72 вид контроля для обеспечения высокой надежности технологического процесса. Появление дефектных изделий (пусть даже в заданном минимальном количестве) является следствием того, что контролируются результаты процесса производства, а не характеристики самого процесса, которые определяют качество продукции. Поэтому для обеспечения высокой надежности выпускаемой продукции статистические методы контроля должны быть применены к оценке параметров технологического процесса, их изменений под действием различных факторов. При этом удается обнаружить изменение характеристик технологического процесса, близость его параметров к граничным значениям, что, в свою очередь, позволяет принять меры по предотвращению брака. Для статистической оценки точности и стабильности технологических процессов стандартами (ГОСТ 16467-70 и др) предусмотрен ряд показателей и характеристик. Так, в качестве показателя точности технологических процессов применяется коэффициент точности т относительно поля допуска н где ∆ = Х д - Х н — величина отклонения действительного значения параметра Х д от номинального (заданного) значения Х н , н т 73 Таблица 4.4 Оценка технологического процесса по коэффициенту точности Показатели процесса Характеристика процесса Процент брака т >1 с 0,05 Точность процесса выше требуемой. Настроенность процесса вполне удовлетворительная При с вероятный процент брака q≤0,6 % при рт с 0,05 Точность процесса хорошая. Настроенность процесса вполне удовлетворительная q ≤ 0,6 % т = 0,7 ÷0,9 Процесс некачественен поточности даже при K c =0 K c >0,12 Настроенность процесса неудовлетворительная даже при т = 1 Примечание q % — ожидаемый процент брака. Коэффициент смещения характеризует относительную величину смещения центра рассеивания размеров от середины поля допуска в н где X - среднее арифметическое значение ∆ 0 - координата середины поля допуска Т н и Т в - нижнее и верхнее предельные отклонения параметра. Принятие решений об отлаженных технологических процессах может приниматься в соответствии с табл. 4.4. 4.4. Испытания продукции на надежность при изготовлении Испытания на надежность делятся на определительные, которые проводятся для вновь запускаемой в производство продукции, и контрольные, которые проводятся для продукции серийного производства. В соответствии с ГОСТ 15001—88, контрольные испытания могут быть приемосдаточные и периодические. Порядок и объем приемосдаточных испытаний указываются в стандартах, технических условиях изготовления, 74 стандартах на методы испытаний, технических условиях или технической документации на продукцию. Эти испытания осуществляют службы технического контроля предприятия - изготовителя. Результаты приемо- сдаточных испытаний отражаются в сопроводительной документации к продукции. Периодические испытания проводятся предприятием-изготовителем с приглашением представителя организации-разработчика и основного потребителя. Испытания на надежность любого, а тем более сложного изделия являются весьма трудной задачей, поскольку они связаны со значительными затратами времени и должны учитывать широкий диапазон режимов и условий работы изделия. В результате испытаний могут быть получены как полные характеристики изделия, таки ограниченные данные (для высоконадежных, сложных изделий, которые могут быть использованы лишь в сочетании со специальными методами расчетов. Испытания на надежность могут быть стендовыми, при которых обеспечивается постоянное наблюдение за процессом потери узлов или машинной работоспособности, и полигонными, при которых испытывается машина в целом в наиболее тяжелых условиях эксплуатации. При этом можно выделить две основные группы характеристик изделия, которые являются объектом измерения и оценки при испытаниях на надежность а) характеристики процессов изнашивания и разрушения б) характеристики изменения выходных параметров изделия (точности, КПД, производительности и т. д, выход которых за допустимые пределы тоже приводит к отказу. При организации испытаний на надежность одним из важнейших вопросов является определение необходимого и достаточного объема испытаний количества образцов и времени их испытания. Для этого разработаны и должны использоваться действующие в стране стандарты, которые позволяют выбрать планы испытания на надежность с обеспечением необходимого 75 доверительного уровня ГОСТ 27.410-87 Испытания ограниченной продолжительности с заменой отказавших изделий Испытания ограниченной продолжительности без замены отказавших изделий Испытания с ограниченным числом отказов. Проверку соответствия фактического уровня надежности заданным требованиям для невосстанавливаемых изделий можно проводить наиболее просто по одноступенчатому методу контроля. Для контроля средней наработки на отказ восстанавливаемых изделий наиболее эффективен последовательный метод контроля. При одноступенчатых испытаниях заключение о надежности делают по истечении назначенного времени испытаний и по общему итогу испытаний. При последовательном методе заключение о надежности делается после каждого очередного отказа ив эти же моменты времени выясняют, можно ли испытания прекратить или они должны быть продолжены. При контрольных испытаниях необходимо правильно установить число испытываемых образцов и, время испытаний и и рассчитать допустимое число отказов m. Исходными данными для регламентации этих параметров являются риск изготовителя - α (вероятность того, что хорошая партия будет забракована) и риск потребителя - β (вероятность того, что плохая партия будет принята, которые могут приниматься для горных машин (если они не оговорены в технических условиях α = β = 0,1—0,2. Величины и и и можно определить по формулам ; 1 ln и − = β Nq e N п , и o и n T K t r = где N - объем изделий в испытываемой партии q - допустимая вероятность отказа (q = 0,25—0,4); К — коэффициент, зависящий от сложности техники К =1,6); Т — нормированная наработка на отказ. 76 , ) 1 ( 5 , 0 5 , 0 1 1 Контроль надежности по методу однократной выборки заключается в том, что из контролируемой партии объема N изделий берется одна случайная выборка объема n экземпляров. Исходя из N, n, α или β устанавливаются оценочные нормативы Аи А. Если выборочное значение контролируемого параметра меньше или равно А, то партия признается надежной если больше или равно А, то партия бракуется. При контроле партий, в которых 50≤ n ≤0,1 N, можно пользоваться следующими формулами, устанавливающими соотношения между α и АО, β и А где А приемочное число А 1 – браковочное число Ф) – функция Лапласа q 0 – приемлемая вероятность отказа q 1 – верхняя граница вероятности отказа. Приемлемая вероятность может быть определена, если известны общий объем партии контролируемых изделий N и допустимое количество дефектных изделий D 0 : o о N D q = Соответственно верхняя граница вероятности отказа где Р – требуемая вероятность безотказной работы. Пример Изготовлена партия режущих элементов машин глубокого дренирования в количестве 250 штук. При испытании 25 изделий на стенде зарегистрировано три поломки твердого сплава. Найти с риском 0,15 соответствие требованиям надежности всей партии, если допустимая веро- ; ) 1 ( 5 , 0 5 , 0 0 0 или 1 1 1 P q N D q − = = 77 ятность безотказной работы по техническим условиям должна быть не менее 0,90. Запишем условия задачи N = 250; n = 25; β 1 = Р < 0,9. Решение Определим верхнюю границу вероятности отказа q 1 = 1 - Р = 0,10; − ϕ = − ⋅ − + ⋅ ϕ − = 25 , 2 0 , 3 35 , 0 ; ) 1 , 0 1 ( 1 , 0 25 50 , 0 1 , 0 5 , 2 5 , 0 15 , 0 1 1 А А при Ф) = 0,35; 25 , 2 00 , 3 05 , 1 1 А Z − = = по табл. п приложения, откуда А. Партия должна быть забракована, так как зарегистрировано три поломки, что больше допустимого количества отказов А 1 Для восстанавливаемых изделий (в соответствии с ГОСТ 27.410 - 87) браковочный уровень средней наработки на отказ Т β принимают равным значению Т н — заданному в технических условиях. Приемочное значение Т рекомендуется выбирать Т = 1,5 - 4 Т β При использовании последовательного метода в координатах Т ∑ / Т α , r по уравнениям, сформулированным ниже, строят наклонные линии соответствия и несоответствия требованиям надежности (рис. 4.5): ; ; 1 α несоот α α соот и o o i r T T r T T T T r t i n T + α = − α = − = ∑ ∑ ∑ Пример. На рис. 4.5 построен график для частного случая, когда Т α =2 Т β и α = β =0,2. Требуется определить условия испытания восстанавливаемого изделия, если в технических условиях указано Т н = 200 ч. 78 Рис. 4.5. График испытания изделия на надежность Принимаем α = β = 0,2; Т = Т н = 200 ч Т = Т = 400; Т исп = 400. По графику испытания будут положительными, (надежность соответствует заданным требованиям, если при наработке до 640 ч Т ∑ / Т α =1,6 r число отказов, те. будет не более двух отказов. Если произошло три отказа, испытания следует продолжить, и при тех же трех отказах наработка должна быть не менее 800 часов. Если и эти условия не выполняются, те. произошел еще отказ, следует продолжить испытания до Т ∑ / Тα =2,6, те. до 400 ∙ 2,6= 1040 ч, или испытания прекратить и признать изделие не удовлетворяющим требованиям надежности. Наиболее удобным сточки зрения экономичности и простоты контролем средней наработки на отказ является следующий α = β = 0,2; Т = Т Т Т н . В этом случае при испытании двух образцов результаты будут положительными, и их прекращают, если в течение времени Т н у каждого изделия не возникло отказов. Если возник отказ, изделие восстанавливают и испытание каждого изделия продолжают дополучения наработки, равной 2Т н . Если в дальнейшем отказов не возникло, то результаты испытаний положительные. Если суммарное число отказов равно двум или больше, то результаты испытаний отрицательные. 79 |