Основы работоспособности технических систем
 Скачать 0.68 Mb.
|
|
Министерство образования Российской Федерации Читинский государственный технический университет С.П.ОЗОРНИН ОСНОВЫ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ Учебное пособие Чита 2003 2 УДК 658.58 + 629.3.017 + 625.08(075) ББК 30.82(Я7) О – 478 Озорнин С.П. Основы работоспособности технических систем: Учеб. по- собие. – Чита: ЧитГТУ, 2003. – 121 с. Табл. 4. Ил. 10. Библ. 21 наим. В учебном пособии рассмотрены общие вопросы обеспечения, под- держания и восстановления работоспособного состояния технических си- стем. Приведены сведения о специфической терминологии науки о надежно- сти машин, а также характеристики основных законов распределения ресур- сов элементов машин. Учебное пособие предназначено для студентов специальностей 170900, 230100 и 150200, изучающих курсы «Основы работоспособности технических систем» и «Основы теории надежности машин». ISBN УДК 658.58 + 629.3.017 + 625.08(075) ББК 30.82(Я7) О – 478 Ответственный за выпуск к.т.н. А.Ф.Чебунин Рецензенты: д.т.н. С.Я.Березин, д.т.н. А.И.Федотов Читинский государственный технический университет Озорнин С.П., 2003 3 ПРЕДИСЛОВИЕ Повышение эффективности технических систем различного назначе- ния способствует ускоренному прогрессу техники и технологии в разнооб- разных сферах их применения. Используемые технические системы доста- точно сложны по своей конструкции, показатели эксплуатационного фона весьма разнообразны и имеют случайный характер. В связи с этим, обеспе- чение работоспособности технических систем, их безопасной и эффективной эксплуатации становится все более значимым. Установление причин потери работоспособности, ее поддержание на всех этапах эксплуатации технических систем, восстановление работоспо- собного состояния в случае его потери – вот круг задач персонала, осу- ществляющего технический сервис. Подготовка высококвалифицированного персонала для служб технического сервиса занимает достаточно длительное время, требует использования современных технологий обучения. Однако и традиционные методы, ориентированные на самостоятельную работу с кни- гой, в большинстве случаев достаточно эффективны. Многолетний опыт ав- тора в преподавании основ теории надежности машин позволил системати- зировать материал для написания учебного пособия в соответствии с требо- ваниями образовательного стандарта второго поколения. Автор является по- следователем научной школы доктора технических наук, профессора А.М. Шейнина, длительное время работавшего в Московском автомобильно- дорожном институте (МАДИ) и внесшего большой вклад в развитие науки о надежности машин. В немалой степени труды А.М. Шейнина использованы при написании учебного пособия. В учебном пособии использованы некоторые материалы исследований автора в области разработки и совершенствования систем поддержания и восстановления работоспособного состояния машин. 4 ВВЕДЕНИЕ Работоспособность принято определять как состояние объекта или системы, при котором они способны выполнять заданные функции с пара- метрами, установленными нормативно-технической документацией. При анализе работоспособности машин, для наиболее полного учета влияния многочисленных факторов, необходимо применять так называемый системный подход. С этой целью любые сопряжения, сборочные единицы и машины в целом рассматривают как технические системы. Кроме этого, к категории технических систем относят и формируемые для производства ка- ких-либо работ комплекты, механизированные комплексы и парки машин. Известными советскими учеными А.М. Шейниным, Е.С. Кузнецовым, Д.П. Волковым и другими были разработаны и развиты методы управления долговечностью и безотказностью машин в эксплуатации (для автомобилей и дорожно-строительных машин). Они основаны на анализе статистических данных об отказах сборочных единиц. При этом учитываются затраты на обеспечение их работоспособного состояния. Комплексной проблемой современного этапа развития теории на- дежности является обеспечение требуемой долговечности и безотказности технических систем. Основой данного этапа должен являться анализ физиче- ской сущности и закономерностей изменения процессов, происходящих в элементах технических систем за период эксплуатации. Разрешение этой проблемы требует проведения ряда организационно-технических мероприя- тий при проектировании, производстве и эксплуатации технических систем. Не случайным является характер развития исследований долговечности и работоспособности машин – от статистического описания надежности к ана- лизу физических процессов, происходящих при их эксплуатации. Он объяс- 5 няется действием закона перехода количественных изменений в изменения качественные. Первые этапы развития исследований, направленные на обес- печение надежности изделий машиностроения, были связаны с накоплением статистической информации, ее обобщением и анализом. Процессы измене- ния технического состояния машин очень сложны. Инженерные методы и приборы для регистрации этих процессов отсутствовали, поэтому в ходе ис- следований ограничивались сбором статистической информации об отказах и неисправностях сборочных единиц. Таким образом, исследования надеж- ности машин велись на макроуровне, без учета процессов, которые вызыва- ют изменение технического состояния основных элементов, сборочных еди- ниц и машин в целом. Это обеспечило получение количественной оценки долговечности машин без учета характера и уровня снижения их работоспо- собности. Современные методы физических исследований и созданное экс- периментальное оборудование позволяют не только регистрировать процес- сы изменения технического состояния элементов машин, но и давать оценку влияния основных эксплуатационных факторов на характер течения этих процессов. Следовательно, в настоящее время созданы необходимые условия для проведения анализа долговечности машин на микроуровне, что позволя- ет оптимизировать мероприятия по обеспечению их работоспособности в эксплуатации. В настоящем учебном пособии рассмотрены характеристики основных процессов, вызывающих изменение состояния технических систем и сниже- ние уровня их работоспособности. Приведены характеристики отказов тех- нических систем различного уровня сложности, дан анализ ряда способов поддержания и восстановления их работоспособного состояния. 6 ГЛАВА 1. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ 1.1. Терминология, основные понятия и определения Используемая в учебном пособии терминология относится в основном к области науки, называемой теорией надежности. Частично использованы термины из триботехники и системотехники. Теория надежности рассматривает следующие обобщенные объекты: изделие – единица продукции, выпускаемая данным предприятием, цехом, отделением, участком и т.д.; элемент – простейшая (при конкретном рассмотрении) составная часть изделия (системы); система – совокупность совместно действующих элементов, предна- значенная для самостоятельного выполнения заданных функций. Необходимо учитывать, что понятия элемента и системы трансфор- мируются в зависимости от поставленных и решаемых задач. Машина, например, при рассмотрении ее собственной надежности рассматривается как техническая система, состоящая из отдельных элементов – механизмов, сборочных единиц, деталей и т.д., а при изучении надежности функциониро- вания комплектов и парков машин – как элемент этих производственно- технических систем. Следовательно, техническая система – это совокупность элементов (технических объектов), которые объединены для самостоятельного выпол- нения заданных (определенных) функций. Более сложные системы, такие как комплекты и парки машин, фор- мируемые для производства определенных видов или наборов работ, пра- вильнее называть производственно-техническими. 7 Основными свойствами любой системы, в том числе и технической, являются организованность, управляемость и относительность. Организованность – это наличие определенной структуры, упорядо- ченность элементов, включенных в состав системы. Управляемость – способность системы реагировать на воздействия определенных факторов и однозначно при этом изменяться. Относительность (иерархичность) – это положение, когда любая си- стема является подсистемой более крупной системы. Например, экскаватор может быть представлен как техническая система, если рассматривается его надежность, или как подсистема, если рассматривается надежность функци- онирования экскаваторно-транспортного комплекта машин, как технической системы более высокого уровня в иерархии. Из свойства относительности (иерархичности) технических систем вытекают следующие законы: - системы на каждом из уровней принадлежат различным по степени сложности классам; - все теоретические и эмпирические закономерности, полученные для нижнего уровня, справедливы для любого более высокого уровня сложности технических систем данного класса; - чем выше уровень сложности технической системы, тем большее ко- личество переменных параметров и закономерностей требуется для описа- ния ее поведения. Эти законы положены в основу методологии исследования работоспо- собности технических систем, а также управления их надежностью в эксплу- атации. Иерархия технических систем в области исследования надежности до- рожно-строительных машин может быть представлена в виде схемы (см. табл.1.1) [3]. 8 С повышением уровня сложности технической системы (табл.1.1) воз- растает число переменных параметров и степень неопределенности ее состо- яния. Поэтому при управлении надежностью этих систем возрастает роль вероятностных методов. Таблица 1. Иерархия технических систем Уровень слож- ности ТС С т а д и я конструирова- ния производства эксплуатации Деталь Расчет износостой- кости и долговечно- сти Обоснование тех- нологических мето- дов обработки Расчет ресурса. Обоснование тех- нологических мето- дов восстановления Сопряжение Подбор материалов, обоснование пара- метров. Расчет дол- говечности Обоснование тех- нологических мето- дов сборки, прира- ботки Экспертиза отказов. Обоснование пери- одичности техниче- ских воздействий Сборочная единица Расчет показателей надежности; обос- нование режимов работы; расчет пе- риодичности техни- ческих обслужива- ний и ремонтов Обеспечение при сборке установлен- ных норм точности и промышленной чистоты Расчет потребности в запасных частях, расчет оптимальной периодичности тех- нических воздей- ствий Машина Расчет показателей надежности; фор- мирование видов технических обслу- живаний и ремон- тов Обоснование режи- мов и продолжи- тельности обкатки; обеспечение про- мышленной чисто- ты при сборке Оптимизация видов и периодичности технических воз- действий с учетом условий эксплуата- ции Комплект, парк машин Расчет потребности в запасных частях и эксплуатационных материалах Расчет комплекс- ных показателей надежности: коэф- фициентов готовно- сти К г и техниче- ского использова- ния Кти На четвертом и пятом уровнях при решении задач обеспечения рабо- тоспособности широко используются статистические и технико- экономические методы. 9 Разработка мероприятий по обеспечению работоспособности техниче- ских систем на первых трех уровнях должна базироваться на результатах ис- следования процессов, происходящих в элементах этих систем в период экс- плуатации. К таким процессам относят следующие: изменение параметров деталей вследствие изнашивания; старение, усталость материалов деталей; изменения параметров деталей вследствие пластических деформаций; изме- нение физико-механических свойств материалов деталей под воздействием факторов окружающей среды в период эксплуатации (разупрочнение, наклеп, коррозия, снижение эластичности резинотехнических и полимерных изделий и т.п.). Все эти процессы ведут к снижению работоспособности элементов технических систем. Они являются следствием физико-химических процес- сов: теплообмена, взаимодействия контактирующих поверхностей деталей при работе, изнашивания, старения смазочных материалов, окисления и кор- розии конструкционных материалов. Для разработки мероприятий по обеспечению работоспособности тех- нических систем важно иметь полную и достоверную информацию обо всех физико-химических и других процессах, происходящих в элементах этих си- стем во время эксплуатации. Например, знание закономерностей изнашива- ния позволяет рассчитать ресурс элементов, определить периодичность про- ведения регулировочных или восстановительных работ. Знания о процессах старения смазочных материалов позволяют определить оптимальные перио- дичности их замены, обеспечивая тем самым рациональные режимы трения в узлах и парах трения. Систематизированные знания о процессах взаимо- действия рабочих поверхностей деталей позволяют оптимизировать профили этих поверхностей, подобрать материалы деталей и рациональные режимы приработки их рабочих поверхностей. Все изделия промышленности делят на две группы: 10 - невосстанавливаемые, которые не могут быть восстановлены потре- бителем после использования их ресурса и подлежат замене, например, элек- трические лампы, тормозные накладки, подшипники качения, резиновые манжеты и т.п.; - восстанавливаемые, которые могут быть восстановлены потребите- лем после достижения предельного состояния, например, двигатель внут- реннего сгорания, экскаватор, автомобиль и т.д. Сложные изделия (технические системы), состоящие из большого чис- ла элементов, как правило, восстанавливают, так как их отказы обычно свя- заны с повреждением одного или нескольких элементов, в то время как дру- гие остаются работоспособными. Простые элементы технических систем, особенно покупаемые со стороны и изготавливаемые методами массового производства, обычно не восстанавливаются. Основные понятия и термины теории надежности стандартизованы. Надежность технических систем характеризуется следующими основными состояниями и событиями: Работоспособность – состояния системы и ее элементов, при которых они способны нормально выполнять заданные функции, причем с парамет- рами, установленными нормативно-технической документацией. Работо- способность не касается требований, непосредственно не влияющих на экс- плуатационные показатели технической системы, например, повреждение окраски и т.п. Исправность – состояние технической системы, при котором она удо- влетворяет всем не только основным, но и вспомогательным требованиям. Исправная техническая система обязательно работоспособна. Работоспо- собная техническая система может быть признана неисправной в случаях от- сутствия или неисправности отдельных ее элементов, которые не препят- ствуют применению системы по назначению. 11 Частным случаем неработоспособного состояния является предельное состояние (ПС), при котором дальнейшая эксплуатация технической систе- мы недопустима или нецелесообразна, либо восстановление работоспособ- ности невозможно или нецелесообразно. Переход системы в ПС влечет за собой временное или окончательное прекращение эксплуатации, т.е. систе- ма должна быть снята с эксплуатации, направлена в капитальный ремонт, списана, передана для использования не по назначению. Критерии ПС обыч- но устанавливают в технической документации. Неисправность – состояние технической системы, при котором она не соответствует хотя бы одному из требований технической документации. Различают неисправности, не приводящие к отказам, и неисправности и их сочетания, вызывающие отказы технических систем. При оценке технического состояния дорожно-строительных, транс- портных машин и их элементов часто применяют понятие предотказного состояния системы, при котором ее дальнейшая эксплуатация в течение межремонтного периода может привести к возникновению отказа. Отказ – случайное событие, заключающееся в полной или частичной потере работоспособности. Свойства технических систем с позиций теории надежности определя- ются их безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью и сохра- няемостью. Таким образом, надежность технических систем характеризует- ся свойствами, проявляющимися в эксплуатации и позволяющими судить о том, насколько система оправдывает надежды и требования изготовителей и потребителей. Под безотказностью понимают свойство технической системы выпол- нять заданные функции в течение некоторой наработки с момента ввода в эксплуатацию и до предельного состояния без перерывов на техническое об- служивание и ремонт. Иначе безотказностьможно определить как надеж- ность в узком смысле этого слова, т.е. это свойство непрерывно сохранять 12 работоспособность в течение заданного времени или наработки. Это свой- ство особенно важно для технических систем, отказ в работе которых связан с опасностью для жизни людей или с перерывом в работе большого ком- плекса машин, с остановкой автоматизированного или непрерывного произ- водства. Важным свойством, особенно для интенсивно используемых техниче- ских систем, является долговечность – свойство сохранять работоспособ- ность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта. Свойство технической системы, заключающееся в ее приспособленно- сти к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов (по- вреждений) и устранению их путем проведения ремонтов и технических об- служиваний, называется ремонтопригодностью. Ремонтопригодность является весьма важным свойством технической системы. При достаточно высоких показателях ремонтопригодности в слу- чае возникновения отказа он может быть найден и устранен, а работоспо- собность технической системы восстановлена. Однако с усложнением си- стем все труднее становится находить причины отказов и отказавшие эле- менты. Так, в сложных электрогидравлических системах поиск причин отка- за может занимать более 50 % общего времени восстановления работоспо- собности. Поэтому облегчение поиска отказавших элементов должно закла- дываться в конструкции новых сложных технических систем. Важность ре- монтопригодности технических систем определяется огромными затратами на ремонт при их эксплуатации. |