Определение единичных показателей надежности 1 страница

а) вероятность безотказной работы для невосстанавливаемых объектов статистически определяется из выражения Р (t) = N _t / N ₀ , где N _t - число объектов безотказно проработавших до момента времени t; N _{0 –} число объектов, работоспособных в начальный момент времени t_о.

б) вероятность безотказной работы для восстанавливаемых объектов статистически определяется из выражения Р (t) = N_{б о} / r,

где N_{б о} – 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 возникает отказ и объект с начала эксплуатации прорабатывает время τ, меньше t, т.е. Q (t)= р (τ < t). Связь между вероятностями отказа и безотказной работы Q (t) = 1 – Р (t). 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

ƒ (t) = Q (t) / t = – P (t) / t

Вероятность отказа в функции плотности вероятности

Q (t) = ; вероятность безотказной работы

P (t) =

в) средняя наработка до отказа Т₀ статистически определяется как среднее арифметическое наработок всех объектов N, поставленных на испытания:

Т_{0 =} ,

где наработка - ого объекта до отказа.

Как математическое ожидание средняя выработка до отказа определяется из выражения Т_{0 =}

Интегрирование по частям приводит к равенству

Т₀ = .

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

Т₀ = . Из этого выражения следует, что средняя наработка до отказа численно равна площади под кривой вероятности безотказной работы.

г) наработка на отказ Т статистически определяется как среднее значение наработок объекта между отказами Т = , где - - 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 свойств безопасности во времени применяют показатели интенсивность отказов и параметр потока отказов.

д) интенсивность отказов .

Вероятностное выражение для интенсивности отказов имеет вид

=

Интегрируя это выражение, получим

или

.

В статистическом выражении

,

где и - число объектов работоспособных соответственно к моментам времени и .

По существу интенсивность отказов выражается числом отказов в единицу времени.

е) 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 , в течение которого вероятность безотказной работы не меньше величины γ/100, т.е. γ/100; назначенный ресурс – суммарная наработка объекта, при достижении которой эксплуатация должна быть прекращена независимо от его состояния.

ж) р емонтопригодность 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 Т _в - математическое ожидание (м.о.) времени восстановления работоспособности; в статическом выражении

Т_в= ,

где - длительность восстановления работоспособности -того объекта;

- число испытываемых объектов.

4. Комплексные показатели надежности

Эти показатели используются для совместной оценки безотказности и ремонтопригодности восстанавливаемых объектов. К таким показателям относятся:

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

Коэффициент оперативной готовности К_о.г – вероятность того, что объект будет работать безотказно в течение времени t_p, начиная с произвольного момента t.

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 простоев, вызванных техническим обслуживанием и ремонтом за тот же период эксплуатации.

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

С помощью рассмотренных показателей можно оценить надежность любого объекта. Такие оценки способствую выбору оптимальных (или близких к ним) конструктивных решений, режимов эксплуатации и других характеристик объекта.

Различают идеальную, базовую и эксплуатационную надежность.

Идеальная – это максимально возможная надежность, достигаемая путем создания совершенной конструкции объекта 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.

5. Определение комплексных показателей надежности

а) коэффициент готовности К_г статически определяется из выражения

К_г = ,

где - суммарное время пребывания -того объекта в работоспособном состоянии; - продолжительность эксплуатации объекта, состоящая из суммы, чередующихся интервалов времени работы и восстановления, - число объектов, находящихся на испытании.

При обслуживании одного объекта, предусматривающем его немедленное восстановление после отказа,

К_г = Т/ (Т +Т_В), где Т – наработка до отказа.

б) коэффициент оперативной готовности К_о.г вычисляется как произведение коэффициента готовности на вероятность безотказной работы объекта Р(t_P) в течение времени t_P, т.е.

К_о.г = К_г · Р (t_P)

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 простоев, вызванных техническим обслуживанием и ремонтом за тот же период эксплуатации.

Статистически определяется из выражения

К_т.и = ,

- продолжительность -того интервала пребывания объекта в работоспособном состоянии; – продолжительность j-того простоя объекта на техническом обслуживании; - продолжительность -того простоя объекта на ремонте; n – число интервалов пребывания объекта в работоспособном состоянии; m и r –соответственно числа простоев объекта на техническом обслуживании и ремонте.

Для одного объекта К_т.и определяется из выражения

К_{т.и =} t_c/ (t_с + t_о + t_р), где t_{c –} 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.

6. Обеспечение базовой надежности

Необходимый уровень эксплуатационной надежности оборудования достигается как за счет обеспечения высокой базовой надежности в процессе проектирования, изготовления и монтажа, так и соответствующей эксплуатацией оборудования.

Обеспечение базовой надежности включает следующие основные стадии.

Первая стадия – предварительные исследования, сравнительный анализ надежности различных вариантов конструкции оборудования. На этой стадии анализируют требования, предъявляемые к оборудованию, изучают условия его эксплуатации, информацию о надежности аналогичного или подобного оборудования. На основании анализа надежности, различных вариантов конструкции выбирают окончательный вариант. При этом составляют расчетные функциональные схемы оборудования, обеспечивающие выполнение различных функций и принимают к разработке такую из них, при которой надежность будет наибольшей. На этой стадии важную роль в обеспечении надежности играет экспертиза технических проектов оборудования службами технического обслуживания и ремонта (ТО и Р) заводов.

Вторая стадия – экономический анализ надежности окончательного варианта конструкции. Суть этого анализа заключается в выборе такого варианта, при котором достигается минимум общих затрат на проектирование, изготовление ТО и Р оборудования в течение всего периода эксплуатации до наступления предельного состояния. Затраты на ТО и Р можно разделить на две основные части: затраты на модернизацию (реконструкцию), вызванные необходимостью доработки конструкции оборудования в процессе эксплуатации в связи с низкой базовой надежностью, и собственно затраты на ТО и Р. Общие затраты можно представить в виде суммы трех видов затрат: на проектирование и изготовление; модернизацию; ТО и Р.

Теоретически можно достигнуть весьма высокого уровня надежности оборудования, однако в этом случае общие затраты могут оказаться настолько большими, что сделает его эксплуатацию нерентабельной. Задача экономического анализа заключается в назначении такого уровня надежности, при котором достигается минимум общих затрат при максимальной эффективности функционирования оборудования.

На рис. 6.1 показано изменение затрат в зависимости от заданного уровня надежности. Из этого рисунка следует, что с увеличением назначаемого уровня надежности затраты на проектирование и изготовление возрастают, причем наиболее резкий рост наблюдается с величины надежности, равной 0,75-0,80. Затраты на ТО и Р с увеличением надежности сокращаются и стремятся к нулю при достижении надежности, равной 1.

Оптимальный уровень надежности соответствует минимуму общих затрат (кривая 4).

Однако в случае, когда базовая надежность достаточно высока и для достижения необходимой эксплуатационной надежности не требуется модернизация оборудования в процессе эксплуатации, общие затраты уменьшаются (кривая 5) и назначаемый уровень надежности может быть понижен.

Затраты на проектирование и изготовление в общей сумме затрат не превышают 10%, поэтому нецелесообразно за счет них сокращать общие затраты.

В то же время, если увеличение затрат на проектирование и изготовление исключит необходимость модернизации при последующей эксплуатации оборудования, то на это следует идти, так как в этом случае, во-первых, общие затраты уменьшаются на 20-40%, во-вторых, назначаемый уровень надежности, при котором достигается необходимая эффективность функционирования оборудования, может быть понижен на 15-20%.

На рис. 6.1. три вертикали (Ι, ΙΙ, ΙΙΙ) соответствую различным конструкциям машины, предназначенной для выполнения одинаковых функций. Конструкция Ι характеризуется низкой стоимостью проектирования и изготовления, однако вследствие больших затрат на модернизацию и ТО и Р, вызванных низкой базовой надежностью, общие затраты оказываются выше, чем у конструкций ΙΙ и ΙΙΙ с более высокой базовой надежностью. Оптимальной является конструкция ΙΙ. Конструкция ΙΙΙ неэкономична, несмотря на высокий уровень базовой надежности.

Третья стадия – рабочее проектирование, изготовление и испытание оборудования. Этап рабочего проектирования является весьма ответственным, так как устранение ошибок рабочего проекта на действующем оборудовании требует его модернизации, связано с большими потерями производства и затратами. На этом этапе предусматривают: необходимые решения по обеспечению долговечности деталей оборудования (различные методы упрочнения, необходимую смазку и др.) и их ремонтопригодности, а также

Рис. 6.1. Изменение затрат в зависимости от заданного уровня надежности:

1 – затраты на проектирование и изготовление; 2 – затраты на ТО и Р; 3 – на модернизацию; 4 – общие затраты; 5 – общие затраты без учета затрат на модернизацию.

средства контроля состояния узлов и деталей в процессе эксплуатации, приспособления и устройства для инспектирования и обслуживания оборудования; средства защиты его от перегрузок, максимальную унификацию и стандартизацию узлов и деталей и другие мероприятия по повышению базовой надежности, учитывают факторы инженерной психологии. В рабочих чертежах и технических условиях оговаривают применение специальных технологических процессов, методов изготовления деталей, контроля качества изготовления, способствующих достижению заданной базовой надежности.

Важным этапом третьей стадии является испытание нового оборудования, так как этот этап позволяет значительно сократить период его приработки и сроки освоения проектной мощности. Испытания проводят на специальных стендах, на машиностроительных заводах и в ремонтных цехах металлургических заводов с имитацией реальных условий нагружения.

На третьей стадии разрабатывают также документацию на ТО и Р оборудования. Необходимость разработки такой документации на этой стадии диктуется значительным усложнением и насыщением агрегатов новыми видами оборудования – гидравлическими, электрическими, электронными, системами автоматического регулирования и контроля и т.д. отсутствие такой документации, особенно в начальный период эксплуатации, вызывает длительные простои агрегатов на ремонтах, задерживает освоение проектных мощностей и в некоторых случаях даже вынуждает отказаться от применения новейших машин и использовать морально устаревшие.

7. Обеспечение эксплуатационной надежности.

Требуемый уровень надежности оборудования в процессе эксплуатации обеспечивают: 1) путем сбора и обработки информации о состоянии оборудования; 2) модернизации оборудования и совершенствования методов его эксплуатации; 3)ТО и Р на основе результатов обработки этой информации.

Для сбора и обработки информации в службе ТО и Р предприятия создают специальное подразделение, отвечающее за инспекцию оборудования. Персонал этого подразделения снабжают специальными приборами, измерителями и приспособлениями, с помощью которых регистрируют параметры состояния оборудования – температуру узлов трения, давление масла в системах смазки, износ деталей, величину вибраций и др. инспекцию проводят в соответствии с картами инспекций, в которых указаны контролируемые узлы и операции инспектирования. После инспекции в карты вносят ее результаты. На основании этих результатов формируется массив данных, который затем может быть обработан на ЭВМ, определяют точные объемы ремонтных работ, сроки их проведения и продолжительность. Так как большинство предприятий химии и нефтехимического комплекса работают с пожаро-взрывоопасными или токсическими веществами, то при инспектировании оборудования привлекаются специализированные организации, имеющие лицензию на право ведения таких работ.

Информация о состоянии оборудования включает различные сведения, характеризующие его эксплуатационную надежность: частоту и причины отказов; данные о расходе запасных частей и частоте их замены; о потерях производства, вызванных простоями; об изменении размеров, структуры и свойств материала деталей в процессе эксплуатации, сварных соединений и др. Эти сведения могут быть дополнены другими, относящимися к условиям работы, стоимости, трудоемкости изготовления и ремонтов деталей и узлов и др.

Процесс обработки информации заключается в определении законов и анализе причин отказов, а также в выявлении «слабых мест» оборудования, т.е. тех машин, механизмов и узлов, отказы которых связаны с наибольшими потерями производства и требуют больших ремонтных затрат.

В результате обработки информации принимают решение либо о немедленном устранении слабого места путем модернизации, изменения конструкции, практики эксплуатации или технического обслуживания (ТО) оборудования в случае очевидной причины отказа, либо о проведении необходимых исследований для выявления причины отказа и последующего устранения слабого места.

Окончательные изменения в чертежи оборудования, практику эксплуатации и ТО вносят только после проверки эффективности принятых решений.

Процесс устранения «слабых мест» носит непрерывный и повторяющийся характер, что обеспечивает постоянное поддержание и повышение необходимого уровня эксплуатационной надежности и эффективности функционирования оборудования. Такой принцип обеспечения эксплуатационной надежности называется теротехнологическим и основан на применении теротехнологии при ТО и Р оборудования.

Таким образом, процесс обеспечения эксплуатационной надежности представляет собой замкнутый цикл последовательных операций (рис. 7.1), в котором выполнение каждой последующей операции зависит от предыдущей. В ходе этого процесса происходит также постоянное совершенствование системы ТО и Р.

Из сказанного следует, что проблема обеспечения требуемого уровня надежности оборудования является комплексной и успех ее решения зависит от правильного учета всех факторов, влияющих на надежность, на всех этапах «жизненного цикла» оборудования.

Процесс обеспечения эксплуатационной надежности, связанный с устранением слабых мест, характеризуется ее повышением и последовательным увеличением межремонтных периодов оборудования. При этом каждый очередной период рассчитывают, исходя из анализа надежности за прошедшее время эксплуатации.

При расчете очередного межремонтного периода Т_р задаются требуемой вероятностью безотказной работы оборудования Р_тр к началу очередного ремонта. Эта вероятность должна составлять 0,8-0,85 в зависимости от важности оборудования в обеспечении технологического процесса. На основании статистических данных об отказах оборудования за предшествующий период эксплуатации t₁ устанавливают закон распределения и оценивают вид функции интенсивности отказов . Тогда вероятность безотказной работы оборудования к моменту начала очередного ремонта можно представить в виде

(1)

Учитывая, что Р (t₁+T_p) = P (t₁) P (T_p/t₁) = P_тр, а также принимая допущение, что надежность оборудования после последнего ремонта перед планируемым остается такой же, как если бы оборудование не отказало, т.е. Р (t₁) = 1, из выражения (1) получим

. (2)

Рис. 7.1. Процесс обеспечения эксплуатационной надежности:

1 – конструкция оборудования; 2 – существующая практика эксплуатации; 3 – информация; 4 – средства получения информации; 5 – причины отказов; 6 – сведения о расходе запасных частей и частоте их замены; 7 – сведения о потерях производства, вызванных простоями; 8 – данные результатов инспекций оборудования; 9 – сведения об изменениях размеров, структуры и свойств материала деталей в процессе эксплуатации; 10 -–другие сведения; 11 – обработка информации; 12 – анализ причин отказов и выявление слабых мест; 13 – принятия решения; 14 – решение о немедленном изменении конструкции, практики и эксплуатации или ТО и Р оборудования; 15 – изменение конструкции; 16 – изменение материала детали или способа ее упрочнения; 17 – изменение практики эксплуатации; 18 – изменение практики ТО и Р; 19 – проверка предложений в промышленной эксплуатации; 20 – данные промышленной эксплуатации после внесенных изменений; 21 – решение о проведении исследований; 22 – разработка методики исследований; 23 – результаты исследований; 24 – усовершенствование конструкции или практики эксплуатации оборудования на основании исследований; 25 – обратная связь.

Выражение , так как вероятность безотказной работы оборудования к началу очередного ремонта – это условная вероятность безотказной работы оборудования при условии, что по прошествии периода t₁ отказ не наступил, т.е. что P (t₁) = 1.

Тогда выражение для определения Т_р может быть представлено в виде

(3)

При экспоненциональном законе распределения отказов ( =const) выражение для Т_Р принимает вид

Т_Р = - (4)

Для других законов функция интенсивности отказов является возрастающей (кроме периода приработки, когда убывает, который в данном случае не рассматривается). Эта функция может быть достаточно точно для практических целей аппроксимирована прямой вида

, (5)

коэффициенты которой и определяют на основании предшествующего опыта эксплуатации или уточняются методом наименьших квадратов или методом максимального правдоподобия.

Подставляя выражение (5) в формулу (3), после интегрирования получим:

Т_Р = - (6)

8. Методы восстановления и повышения надежности

При эксплуатации оборудования происходит износ его стенок за счет воздействия трущихся частей или среды; коррозионное воздействие со стороны рабочих сред или атмосферы; изменения структуры, состава и механических характеристик конструкционных материалов за счет взаимодействия со средами, от действия температуры и давления, появления усталости материалов. Все это приводит к снижению надежности оборудования в процессе эксплуатации. Сами явления более подробно изложены далее.

Повышение надежности возможно как на стадии проектирования и изготовления, так и во время эксплуатации. В последнем случае это связано с модернизацией оборудования. Так, например, при замене на установках химии и нефтехимии насосов с сальниковыми уплотнениями на насосы с двойным торцевым уплотнением произойдет увеличение надежности работы всей установки (следует помнить, что насосы относятся к группе самых ненадежныж элементов в таких установках). Замена же на герметичные насосы еще более повышает надежность и безотказность таких установок.

При проектировании и изготовлении оборудования повышение надежности может быть осуществлено за счет триботехники, применение антикоррозионных покрытий, ингибиторов коррозии, новых материалов и т.д.

Наука, исследующая в комплексе процессы трения, изнашивания и смазывания - это триботехника. Эта наука в последнее десятилетие бурно развивается во всех промышленно развитых странах. Достаточно отметить, что поддержание работоспособного технического состояния машинно-тракторного парка существенно превышает стоимость его изготовления.

Например, стоимость технического обслуживания автомобилей и тракторов превышает стоимость их изготовления до шести раз, а станков и насосов – до восьми раз.

Обеспечение триботехнической надежности деталей и сборочных единиц машин должно быть комплексным с использованием конструктивных, технологических и эксплуатационных методов повышения их износостойкости.

Конструктивные методы повышения износостойкости:

- оптимальный выбор материалов.

Высокой надежностью обладают пары хром-резина (при смазывании минеральным маслом и водой), хром-бронза (при пластичных смазочных материалах), твердый материал в паре с другим твердым материалом. Однако применение таких пар ограничено скоростями скольжения. Пористые спеченные материалы и антифрикционные сплавы следует применять в труднодоступных для смазывания узлах трения. Мягкие материалы в сочетании с другими материалами (например, трение незакаленной стали по незакаленной стали, медного сплава по алюминиевому сплаву, никеля по никелю и др.) имеют низкую износостойкость и ненадежны в работе;

Дата добавления: 2015-04-30