УМКД Надежность. Надежность УМКД 2017 (1). Учебнометодический комплекс дисциплины Надежность технологических машин

• Название: Учебнометодический комплекс дисциплины Надежность технологических машин
• Анкор: УМКД Надежность
• Дата: 23.01.2022
• Размер: 1.75 Mb.
• Имя файла: Надежность УМКД 2017 (1).doc
• Тип: Учебно-методический комплекс; #339787
• страница: 12 из 16

4. ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ

Лабораторные занятие № 1

Тема: Основы теории надежности. Терминология, понятия и определения

Цель занятия: Важным понятием теории надежности является резервирование — метод повышения надежности объекта путем введения избыточности, т.е. дополнительных элементов либо других резервных средств сверх минимально необходимых для выполнения объектом заданных функций.

Основные вопросы к практическому занятию:

1. 
   Что отражает надежность машин.
   
2. 
   Связь надежности машин с этапами проектирования, изготовления и использования машин.
   

Задание:

Теория надежности изучает причины и закономерности возникновения отказов, методы расчета показателей надежности, а также методы обеспечения надежности изделий при проектировании, изготовлении и эксплуатации[1].

Терминология теории надежности регламентируется ГОСТ 13377-75 "Надежность в технике. 'Термины и определения", который распространяется на все виды изделий, в том числе и на детали машин.

Надежность является одной из основных характеристик качества изделия. Качество характеризуется совокупностью свойств, определяющих степень пригодности изделия по назначению.

В теории надежности оперируют понятиями система и элемент. Под системой понимают совокупность подсистем (элемент) объединенных функционально и конструктивно и определенным образом взаимодействующих в процессе применения по назначению. Под элементами понимают неделимые в дальнейшем части системы, на которые ее расчленяют при анализе надежности, и деление которых на отдельные составляющие представляет самостоятельного интереса в рамках конкретного рассмотрения.

В общем случае, когда понятия надежности применяют и к системе и к ее элементам, пользуются общим для них наименованием — объект.

Объект, состоящий более чем из одного одновременно функционирующих объектов, называется сложным.

Важнейшими понятиями в теории надежности являются работоспособное состояние (работоспособность) и отказ. Работоспособность — это состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции, сохраняя значения заданных параметров в пределах, указанных нормативно-технической документацией (НТД). Отказом называется событие, заключающееся в нарушении работоспособности объекта. Состояние, при котором объект соответствует всем требованиям НТД, называется исправным. Нарушение исправности объекта называется повреждением.

Надежность - это свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования.

Основными свойствами, характеризующими надежность, являются безотказность, долговечность и ремонтопригодность.

Безотказность — свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени (наработки). Под наработкой понимают продолжительность или объем работы объекта, выраженный в циклах, тоннах или других единицах.

Долговечность — свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов. Под предельным состоянием подразумевают состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация должна быть прекращена из-за неустранимого нарушения требований безопасности, неустранимого выхода заданных параметров за установленные пределы, неустранимого снижения эффективности эксплуатации ниже допустимой или необходимости проведения капитального ремонта. Долговечность характеризуется ресурсом и сроком службы.

Ресурс — это наработка объекта от начала эксплуатации или ее возобновления после капитального ремонта до наступления предельного состояния.

Срок службы — календарная продолжительность эксплуатации объекта в те же сроки.

Различие между ресурсом и сроком службы заключается в том, что при расчетах ресурса учитывают только время работы, а при расчетах срока службы, кроме того, учитывается время простоев.

Ремонтопригодность — свойство объекта, заключающееся в приспособлении к предупреждению и обнаружению причин возникновения его отказов, повреждений и устранению их последствий путем проведения ремонтов и технического обслуживания.

Объекты делятся на восстанавливаемые и невосстанавливаемые в зависимости от того, какое принимают решение в случае отказа объекта. Если восстановление работоспособности признается нецелесообразным или неосуществимым в данной ситуации, от такой объект считается невосстанавливаемым.

Как правило, это объекты однократного использования, подлежащие замене в случае отказа. В другой ситуации тот же объект может быть восстанавливаемым. В большинстве случаев для деталей машин понятие невосстанавливаемый объект эквивалентно понятию заменяемый объект, поскольку, ввиду его уникальности и единичности, подавляющее число узлов и машин восстанавливают в ремонтных цехах. Однако некоторые узлы и детали являются вообще невосстанавливаемыми, например, подшипники качения, уплотнения, пружины и др.

Отказы деталей машин классифицируют по нескольким признакам. В зависимости от скорости изменения заданных параметров объекта различают внезапные (аварийные) и постепенные отказы. Внезапные отказы характеризуются скачкообразным изменением одного или нескольких параметров. Типичными примерами таких отказов являются разрушения и поломки деталей, например, поломки шпинделей прокатных станов, разрушение зубчатых колес и др. Постепенные отказы характеризуются постепенным изменением параметров и проявляются главным образом в виде износа трущихся поверхностей или ухудшения механических характеристик деталей в результате циклического нагружения (усталости) и воздействия высоких температур.

В зависимости от причины возникновения отказы делятся на конструктивные, производственные (возникшие в результате нарушения установленного процесса изготовления или ремонта объекта) и эксплуатационные, связанные с нарушением правил эксплуатации. По связи с отказами других элементов различают независимые и зависимые отказы.

Важным понятием теории надежности является резервирование — метод повышения надежности объекта путем введения избыточности, т.е. дополнительных элементов либо других резервных средств сверх минимально необходимых для выполнения объектом заданных функций. В механическом оборудовании применяют в основном структурное и нагрузочное резервирование. Структурное резервирование предусматривает введение в структуру оборудования резервных элементов, выполняющих функции основных при их отказе. Нагрузочное резервирование предусматривает использование способности оборудования воспринимать дополнительные нагрузки.
Лабораторные занятие №2

Тема: Показатели надежности

Основные вопросы к практическому занятию:

1. 
   Показатели безотказности работы изделия.
   
2. 
   Показатели для оценки долговечности изделия.
   
3. 
   Экономические показатели надежности.
   

Задание:

Показатели надежности - это количественные характеристики одного или нескольких свойств, определяющих надежность объекта. В основе большинства показателей надежности лежат оценки наработки объекта. Различают единичные и комплексные показатели надежности. Показатель надежности, относящийся к одному из свойств, определяющих надежность объекта, называется единичным; показатель, относящийся к нескольким свойствам, называется комплексным.

Единичные показатели надежности делятся на четыре группы: показатели безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости.

Различают показатели безотказности невосстанавливаемых и восстанавливаемых объектов. К первым относятся вероятность безотказной работы, средняя наработка до отказа и интенсивность отказов; ко вторым - вероятность безотказной работы, наработка на отказ и параметр потока отказов. Вероятность безотказной работы — вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ не возникнет; статистически определяется из выражений

для невосстанавливаемых объектов

,

где N_t — число объектов, безотказно проработавших до момента времени t;

N_о — число объектов, работоспособных в начальный момент времени t_о;

для восстанавливаемых объектов

,

где N _σо — число наработок, в течение которых объект работал безотказно после восстановления до момента времени t и более,

r — общее число наработок.
Вероятность отказа Q (t) есть вероятность того, что в пределах заданной наработки t возникнет отказ и объект с начала эксплуатации проработает время τ, меньшее t, т.е. . Связь между вероятностями отказа и безотказной работы . В теории надежности применяют понятие плотности вероятности отказа, физический смысл которой заключается в вероятности отказа в достаточно малую единицу времени. Плотность вероятности определяется как первая производная от вероятности отказа

.

Вероятность отказа в функции плотности вероятности ; вероятность безотказной работы



Средняя наработка до отказа Т_о — математическое ожидание наработки объекта до первого отказа. Статистически определяется как среднее арифметическое наработок всех объектов N, поставленных на испытания
,

где t_i — наработка i -го объекта до отказа.

Как математическое ожидание средняя наработка до отказа определяется из выражения



Интегрирование по частям приводит к равенству



Так как Р(0)= 1, а Р(∞) =0, то первое слагаемое обращается в нуль.

Тогда . Из этого выражения следует, что средняя, наработка до отказа численно равна площади под кривой вероятности безотказной работы.

Наработка на отказ Т — отношение наработки восстанавливаемого объекта к математическому ожиданию числа его отказов в течение этой наработки. Статистически определяется как среднее значение наработок объекта между отказами

,

где t_i — i-тая наработка между отказами;

r — число отказов в течение наблюдаемой наработки.
Если после каждого отказа объект восстанавливается до первоначального состояния, то этот показатель равен средней наработке до отказа.

Для оценки изменения свойства безотказности во времени применяют показатели интенсивность отказов и параметр потока отказов.

Интенсивность отказов λ(t) — условная плотность вероятности возникновения отказа невосстанавливаемого объекта, определяемая для рассматриваемого момента времени при условии, что до этого момента отказ не возник.

Вероятностное выражение для интенсивности отказов имеет



Интегрируя это выражение, получим



или



В статистическом выражении

;

где N(t) и N(t +∆t) - числа объектов, работоспособных соответственно к моментам времени t и t +∆t .

По существу интенсивность отказов выражается числом отказов в единицу времени.

Параметр потока отказов — плотность вероятности возникновения отказа восстанавливаемого объекта, определяемая для рассматриваемого.момента времени.

В качестве характеристики потока отказов используется ведущая функция Ω (t) — математическое ожидание числа отказов за время.

В статистическом выражении

,

где т_i(t) — число отказов до наработки t i -го объекта;

N - число испытываемых объектов.

Параметр потока отказов ω(t) представляет собой производную от функции Ω (t):



или в статистическом выражении

,

Последнее выражение раскрывает физический смысл параметра потока отказов: это среднее число отказов восстанавливаемого объекта в единицу времени для рассматриваемого момента t, т.е. величина, которую обычно называют интенсивностью или плотностью потока отказов. По своему содержанию понятия интенсивность отказов (для невосстанавливаемых объектов) и параметр потока отказов (для восстанавливаемых объектов) - различные. Однако в частном случае при λ =const они численно совпадают:

Долговечность оценивается следующими основными показателями: средний ресурс - математическое ожидание ресурса; гамма- процентный ресурс — наработка, в течение которой объект не достигнет предельного состояния с заданной вероятностью γ процентов. Это время работы объектов t_γ, в течение которого вероятность Р(t_γ) безотказной работы не меньше величины γ/100, т.е. Р(t_γ)≥ γ/100; назначенный ресурс — суммарная наработка объекта, при достижении которой эксплуатация должна быть прекращена независимо от его состояния. В практике эксплуатации механического оборудования этот показатель представляет собой планируемый период работы оборудования между двумя капитальными ремонтами с учетом возможных перерывов на проведение профилактик и текущих ремонтов.

Аналогичные показатели применяются и для оценки срока службы оборудования. Срок службы выражают только в единицах времени, а ресурс представляет собой наработку и может выражаться в единицах времени, километрах пробега, тоннах и др.

Ремонтопригодность характеризуется временем восстановления работоспособности объекта после отказа, которое состоит из времени, затрачиваемого на обнаружение отказа, поиск его причины и. устранение последствий. Показателями ремонтопригодности являются вероятность восстановления в заданное время и среднее время восстановления.

Вероятность восстановления в заданное время — вероятность того, что время восстановления работоспособности объекта не превысит заданного.

Среднее время восстановления T_В математическое ожидание времени восстановления работоспособности; в статистическом выражении



где τ_i – длительность восстановления работоспособности i-го объекта;

m — число испытываемых объектов.
Аналогично потоку отказов рассматривают и поток восстановлений объекта. При этом условно полагают, что время его работы между отказами равно нулю. Наиболее распространенным единичным показателем надежности, характеризующим ремонтопригодность объекта, является среднее время восстановления T_В. Поток восстановлений можно охарактеризовать интенсивностью восстановлений μ(t) — условной плотностью вероятности восстановления объекта для рассматриваемого момента времени t, при условии, что восстановление к этому моменту не закончено. Интенсивность восстановлений представляет собой число восстановлений в единицу времени. Она связана со средним временем восстановления соотношением .

Потоки отказов и восстановлений описывают процесс функционирования объекта как бы с двух сторон, независимо друг от друга. Для характеристики соотношения этих двух потоков вводят комплексные показатели надежности.

Комплексные показатели надежности используются для совместной оценки безотказности и ремонтопригодности восстанавливаемых объектов.

Коэффициент готовности К_Г — вероятность того, что объект скажется работоспособным в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых использование объекта по назначению не предусматривается. Этот коэффициент характеризует готовность объекта к выполнению заданных функций с учетом только внеплановых (аварийных) простоев.

Статистически определяется из выражения



где — суммарное время пребывания i-го объекта в работоспособном состоянии;

Т_раб – продолжительность эксплуатации объекта, состоящая из суммы чередующихся интервалов времени работы и восстановления;

N — число объектов, находящихся на испытании.

При обслуживании одного объекта, предусматривающем его немедленное восстановление после отказа, К_Г = Т/(Т + Тв),

где Т – наработка до отказа.
Коэффициент оперативной готовности К_О.Г. вероятность того, что объект будет работать безотказно в течение времени t_р, начиная с произвольного момента t. Вычисляется как произведение коэффициента готовности на вероятность безотказной работы объекта Р(t_р) в течете времени t_р, т.е.



Коэффициент технического использования К_Т.И. - отношение математического ожидания времени пребывания объекта в работоспособном состоянии за некоторый период эксплуатации к сумме математических ожиданий времени пребывания объекта в работоспособном состоянии и времени простом, вызванных техническим обслуживанием и ремонтом за тот «е период эксплуатации.

Статистически определяется из выражения



где — продолжительность i-го интервала пребывания объекта в работоспособном состоянии;

— продолжительность j-го простоя объекта на техническом обслуживании;

— продолжительность k-го простоя объекта на ремонте;

n — число интервалов пребывания объекта в работоспособном состоянии;

m и r — соответственно числа простоев объекте на техническом обслуживании и ремонте.

При определении К_Т.И. время простоев по организационным причинам не учитывается.

Для одного объекта К_Т.И. определяется из выражения

,

где t_с — суммарная наработка объекта за рассматриваемый период (например, за период между двумя капитальными ремонтами);

t_о — суммарное время простоев из-за планового и внепланового технического обслуживания за рассматриваемый период ;

t_р — суммарное время простоев из-за плановых и внеплановых ремонтов за тот же период.

Другие комплексные показатели относятся к трудоемкости и стоимости технического обслуживания и ремонтов восстанавливаемых объектов.

С помощью рассмотренных показателей возможно оценить надежность любого объекта. Такие оценки способствуют выбору оптимальных (или близких к ним) конструктивных решений, режимов эксплуатации и других характеристик объекта. Для каждого конкретного объекта выбирают показатель, наиболее подходящий и полно характеризующий его надежность (или некоторую совокупность таких показателей). При выборе необходимо учитывать следующие факторы: 1) назначение объекта; последствия отказов; 2) характер процесса функционирования; 3) требования к самому показателю или системе показателей (простой физический смысл; минимальное число показателей; возможность опытной проверки) и др.

Различают идеальную, базовую и эксплуатационную надежность.

Идеальная — это максимально возможная надежность, достигаемая путем создания совершенной конструкции объекте при абсолютно точном учете всех условий изготовления и эксплуатации.

Базовая — это надежность, фактически достигаемая при проектировании и изготовлении объекта.

Эксплуатационная — действительная надежность объекта в процессе его эксплуатации, обусловленная как качеством проектирования и изготовления, так и условиями его эксплуатации, технического обслуживания и ремонта.

При проектировании объектов следует стремиться к максимальному приближению базовой надежности к идеальной. В этом случае будет достигнуто и максимальное значение эксплуатационной надежности.

Базовая надежность определяется теоретическим путем, а также в результате стендовых или промышленных испытаний опытных образцов. Эксплуатационная надежность, как правило, ниже базовой ввиду невозможности учета абсолютно всех эксплуатационных факторов при проектировании. При модернизации объектов учитывают результаты эксплуатации, повышая базовую и, следовательно, эксплуатационную надежность.
Лабораторные занятие №3