Основы работоспособности технических систем
 Скачать 0.68 Mb.
|
|
Сохраняемость – это свойство технической системы сохранять в за- данных пределах значения параметров, характеризующих способности си- стемы выполнять требуемые функции в течение и после хранения и (или) транспортирования. Это свойство характеризует способность технической системы противостоять отрицательному влиянию условий и продолжитель- 13 ности хранения и транспортирования и сохранять при этом значения показа- телей безотказности, долговечности и ремонтопригодности. Показателем надежности называется количественная характеристика одного или нескольких свойств, определяющих надежность технической си- стемы. Единичный показатель относится к одному из свойств, определяю- щих надежность системы, комплексный – к нескольким. Показатели надежности определяются на основе параметров, характе- ризующих работу технических систем во времени. Рассматривая работу тех- нических систем или их элементов с позиций обеспечения работоспособно- сти, можно выделить следующие параметры: наработку до первогоотказа или между отказами t o , время восстановления работоспособностипосле от- каза T в , наработку до предельного состояния T р , количество отказовза определенную наработку (t), наработку до списания техническойсистемы T сп . Для невосстанавливаемых элементов технических систем первый от- каз является единственным, при его наступлении состояние элемента – предельное. Все перечисленные параметры являются случайными величинами, что объясняется как рассеиванием характеристик при изготовлении новых тех- нических систем, так и многообразием условий эксплуатации (климатиче- ские, режимы нагружения, уровень обслуживания и т.п.). Поэтому их обра- ботку можно произвести только методами математической статистики и тео- рии вероятностей. Полной характеристикой надежности является функция распределения или плотности вероятностей параметров, характеризующих надежность (см. рис.1.1). Для удобства пользования показателями вместо распределений берут их числовые характеристики – математическое ожидание (среднее значение), среднее квадратическое отклонение и др. 14 Основные характеристики распределений, применяемых при анализе работоспособности технических систем, приведены в табл.1.2. Показатели безотказности. Основными показателями безотказности технических систем являются вероятность безотказной работы P(t) , ин- тенсивность отказов (t) , наработка на отказ t o и параметр потока от- казов (t) . Вероятность безотказной работы является наиболее важным показа- телем безотказности технических систем. Она определяет вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ рассматриваемой технической си- стемы не возникает. Вероятность безотказной работы – функция времени P(t) . Статистически она определяется отношением числа систем, безотказно проработавших до какой-либо наработки t , к общему количеству наблюдае- мых технических систем. Интенсивность отказов – показатель надежности невосстанавливае- мых элементов технических систем, который также является функцией вре- мени (t) .Статистически функция (t) определяется отношением среднего числа отказавших в единицу времени (или наработки в других единицах, например, в километрах пробега для автомобилей) элементов к числу эле- ментов, оставшихся работоспособными. Этот показатель более чувствите- лен, чем вероятность безотказной работы, особенно для технических систем высокой надежности. Наработка на отказ – отношение наработки восстанавливаемых эле- ментов технических систем к числу их отказов в течение этой наработки. Величина ее зависит от продолжительности эксплуатации, так как с увели- чением наработки технической системы меняется характеристика потока от- казов. В качестве показателя безотказности технических систем используют среднюю наработку на отказ их восстанавливаемых элементов t o. 15 Параметр потока отказов представляет собой скорость их появления по мере увеличения наработки, является ее функцией и измеряется в отказах на единицу наработки. Понятие «параметр потока отказов» выводится из общей схемы отказов технических систем в эксплуатации, при этом фикси- руются только моменты их возникновения, время восстановления работо- способности не учитывается (см. рис.1.1). Моменты отказов формируют их поток. В качестве характеристики потока отказов используется ведущая функция потока (t) – математи- ческое ожидание (среднее значение) числа отказов за определенную нара- ботку. Число отказов за любой интервал наработки от t до t+ t определяется по формуле ), ( ) ( ) ; ( t t t t t t r (1.1) где r(t; t+ t) – число отказов за интервал наработки t . Отношение числа отказов за интервал наработки t к его величине при стремлении t к нулю дает параметр потока отказов / lim 0 t t t t t t t (1.2) Для технических систем применяется среднее значение параметра пото- ка отказов за какой-либо период. За один и тот же период наработки среднее значение параметра потока отказов и средняя наработка на отказ связаны соотношением / 1 0 t (1.3) Показатели долговечности. Для технических систем ими являются срок службы и ресурс. Срок службы – календарная продолжительность эксплуатации техни- ческой системы от ее начала или возобновления после капитального ремонта до наступления предельного состояния. Ресурс (точнее, технический ресурс) – наработка технической систе- мы от начала эксплуатации или ее возобновления после капитального ре- монта до наступления предельного состояния. Ресурс выражается в единицах времени работы (обычно в часах), дли- ны пройденного пути (в километрах) и в единицах выпуска продукции. Для невосстанавливаемых элементов технических систем понятия технического ресурса и наработки до отказа совпадают. Для них технический ресурс ис- пользуется в качестве критерия долговечности. Для машин, эксплуатируемых в различных условиях и нуждающихся в более точном показателе, чем календарный срок службы, также в качестве критерия долговечности используется технический ресурс. В частности, для транспортных машин – пробег в километрах, для двигателей – наработка в мото-часах. Для прочих технических систем используется срок службы. Ресурсы разделяют на гамма-процентные, средние до текущего (или капитального) ремонта, полные, средние до списания. Гамма-процентные ресурсы – это показатели, которые имеют или превышают в среднем обу- словленное число элементов или технических систем данного типа. Они ха- рактеризуют долговечность технических систем при заданной вероятности сохранения работоспособности. Гамма-процентный ресурс – наработка, в течение которой техниче- ская система не достигнет предельного состояния с заданной вероятностью процентов. Иначе, гамма-процентный ресурс определяет наработку, при до- стижении которой заданный процент технических систем или их элемен- тов будет находиться в работоспособном состоянии, или (100 - ) % ука- занных объектов достигнут предельного состояния. 18 Для большинства технических систем принята регламентированная вероятность = 80 %; соответствующий этому значению ресурс называется восьмидесятипроцентным (Т 80 % ). Для весьма ответственных технических систем - процентный ресурс выбирают в размере 90…95 % и выше. Если отказ опасен для жизни людей -процентный ресурс приближают к 100 %. Средний ресурс – математическое ожидание ресурса технических си- стем. Средний ресурс до капитального ремонта Т р – наработка от начала эксплуатации технической системы до ее первого капитального ремонта. Средний ресурс до списания представляет собой среднее значение ресурса от начала эксплуатации технической системы до ее списания, обу- словленного предельным состоянием. Для технических систем, прошедших капитальный ремонт, вводится понятие «средний ресурс между капитальными ремонтами» или межре- монтный ресурс – наработка между двумя смежными капитальными ремон- тами. Полный ресурс – наработка технических систем, проходящих капи- тальные ремонты, от начала эксплуатации до списания, обусловленного пре- дельным состоянием. При оценке надежности крановых грузоподъемных, грузозахватных устройств и приспособлений, а также различных лифтов вводится понятие «назначенный ресурс», определяющее суммарную наработку той или иной технической системы, по достижении которой эксплуатация должна быть прекращена независимо от ее технического состояния. Показатели ремонтопригодности. Для оценки ремонтопригодности технических систем используют следующие показатели: среднее время вос- становления, вероятность восстановления в заданное время, средняя сум- 19 марная стоимость технического обслуживания, средняя трудоемкость вос- становления и др. Среднее время восстановления – математическое ожидание времени восстановления работоспособности. Оно характеризует продолжительность вынужденного простоя, необходимого для обнаружения и устранения одного отказа. Вероятность восстановления исправности или работоспособности технической системы в заданное время – вероятность того, что возникший отказ будет обнаружен и устранен в заданное (нормативное) время. Этот по- казатель характеризует приспособленность технической системы к проведе- нию текущего ремонта при ограниченных затратах времени. Средняя суммарная стоимость технического обслуживания – эко- номический показатель ремонтопригодности, характеризующий затраты труда, рабочего времени и материалов на проведение технического обслу- живания. Средняя трудоемкость восстановления – показатель, характеризу- ющий средние суммарные трудозатраты на ремонты за определенный пери- од эксплуатации. Показатели средних трудозатрат на текущий, средний и капитальный ремонты технических систем в практике их эксплуатации ис- пользуют раздельно. Показатели сохраняемости. Сохраняемость технических систем обычно характеризуется гамма-процентным и средним сроками сохраняемо- сти. Показатели сохраняемости по своей сути соответствуют показателям долговечности и определяются по тем же зависимостям. Большее внимание обеспечению сохраняемости следует уделять при создании технических си- стем сезонного использования, сменного рабочего оборудования и различ- ных неметаллических элементов, таких как резиновые рукава и шланги, пневматические камеры, покрышки, пыльники и т.п. 20 Комплексные показатели надежности. Каждый из описанных выше показателей позволяет оценить лишь одно из свойств надежности техниче- ских систем. Для более полной оценки надежности используют комплексные показатели, позволяющие одновременно оценить несколько важнейших свойств технической системы, обычно безотказность и ремонтопригодность. К таким показателям относят коэффициенты готовности и технического использования. Коэффициент готовности определяет вероятность того, что техниче- ская система окажется в работоспособном состоянии в произвольный мо- мент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых применение технической системы по назначению не предусматривается. Стационарное значение коэффициента готовности K Г определяют по формуле , / 0 0 в Г T t t K (1.4) где t 0– средняя наработка на отказ; Т в– среднее время восстановления. Коэффициент технического использования определяется как отно- шение математического ожидания суммарного времени пребывания техни- ческой системы в работоспособном состоянии ( t раб ) за некоторый период эксплуатации к математическому ожиданию суммарного времени пребыва- ния технической системы в работоспособном состоянии и простоев, обу- словленных техническим обслуживанием ( t то ) и ремонтом ( t рем ) за тот же период ). /( рем то раб раб ти t t t t К (1.5) Технические системы с позиций надежности и по своей структуре мо- гут быть последовательными, параллельными и комбинированными. Понятие “последовательная система” в задачах надежности более широкое, чем обычно. Наглядным примером последовательных систем мо- гут служить механические трансмиссии транспортных и технологических 21 машин. В них название реализуется буквально, поскольку никаких резерв- ных элементов и цепей в такого рода системах нет и отказ любого из элемен- тов приводит к отказу всей системы. Необходимо иметь ввиду, что к числу последовательных систем относят все системы, в которых отказ элемента приводит к отказу всей системы. Например, систему подшипников обычной механической коробки перемены передач рассматривают как последова- тельную, хотя подшипники каждого вала работают параллельно, однако вы- ход из строя любого из них приводит к отказу всей системы. К категории параллельных технических систем относят те системы, отказы элементов в которых не приводят к отказу системы в целом, в край- нем случае может снизиться только эффективность функционирования си- стемы. Резервированные системы также относят к категории параллельных. Параллельными системами являются системы гидравлического, пнев- матического или электрического приводов машин, многомоторные самоле- ты, суда с двумя машинами и др. Комбинированные системы – это частично резервированные техни- ческие системы. Многие технические системы состоят из элементов, отказы каждого из которых можно рассматривать как независимые. Такое рассмотрение доста- точно широко применяется по отказам функционирования систем и иногда как первое приближение – по параметрическим отказам. Технические системы могут включать элементы, изменение парамет- ров которых определяет отказ системы в совокупности или даже влияет на работоспособность других элементов. К этой группе относится большинство технических систем при точном рассмотрении их по параметрическим отка- зам. Например, отказ двигателя внутреннего сгорания по параметри- ческо- му критерию – давление масла в системе смазки – определяется сово- куп- ным изменением зазоров в подшипниках коленчатого и распредели- тельно- го валов и в цилиндро-поршневой группе из-за повышенных износов. 22 В расчетах надежности и обеспечении работоспособности технических систем многие параметры должны рассматриваться как случайные величи- ны, т.е. такими, которые могут принять то или иное значение, неизвестное заранее. Они могут изменяться непрерывно или дискретно. Внезапные отказы технических систем определяются, как правило, случайными неблагоприятными сочетаниями нескольких факторов. Случай- ность связана с тем, что в своем большинстве причины события остаются для нас скрытыми. Существенное рассеяние имеют действующие в процессе эксплуатации нагрузки, механические характеристики материалов и деталей, зазоры и натяги, которые при сборке получаются как разности сопрягаемых размеров. Рассеяние ресурсов по критерию усталости (оцениваемое отноше- нием наибольшего ресурса к наименьшему), например, для подшипников качения достигает 40, для зубчатых передач - 10…15. Рассеяние ресурсов по износу также весьма значительно. По этой причине, в расчетах надежности используется математический аппарат теории вероятностей. Для каждого числа х в диапазоне изменения случайной величины существует определенная вероятность Р( х) , что не превосходит х Эта зависимость F(х) = P(X х) называется функцией распределения, или функцией вероятности случайной величины Х Функция F(х) является неубывающей функцией х (монотонно возрас- тающей для непрерывных процессов и ступенчато возрастающей для дис- кретных процессов). В пределах изменения случайной величины Х она из- меняется от 0 до 1 . С точки зрения теории надежности функция распределе- ния F(х) отражает изменение вероятностей отказов, а каждое ее численное значение указывает вероятность отказа при определенной наработке t, т.е. F(х)=F(t). |