Конспект лекций по надежности. Конспект лекций по надежности (2). Конспект лекций для студентов специальности 030600 Технология и предпринимательство
 Скачать 1.18 Mb.
|
Вопросы для самоконтроляВсякое ли множество можно считать системой? Может ли система обладать свойством, которого нет ни у одного из ее элементов? Чем равновесие системы отличается от устойчивости системы? К какому классу систем можно отнести таблицу Д. Менделеева? Какая связь между технологическими системами подразделений, процессов, операций? Что входит в технологическую систему, кроме средств технологического оснащения? Может ли неисправная система быть работоспособной? В каких случаях предельное состояние технической системы следует считать неремонтируемым? Может ли система функционировать при отказе? 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 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 Какое свойство качества меняется со временем? В чем экономический смысл надежности? Какое ключевое слово в определении безотказности? Какие свойства надежности наиболее важны для механических систем? В чем принципиальная разница между качественными и количественными показателями надежности? Какие группы количественных показателей используются для оценки свойств надежности? В чем разница между комплексными и интегральными показателями оценки надежности? 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 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 100º 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) Δз и неоднородности свойств материала обрабатываемой детали (неоднородность твердости) ΔСр. 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 UМКМ, - 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. |