Основные пути повышения надежности машин

Требования к уровню надежности машин постоянно растут, и оты­скание наиболее рациональных путей решения этой проблемы всегда актуально.

Методы и возможности по повышению надежности машин весьма разнообразны и связаны со всеми этапами проектирования, изготовле­ния и эксплуатации машин. Проводимые в этой области мероприятия можно разбить на несколько генеральных направлений.

Одно из основных направлений - это повышение стойкости изделий к внешним воздействиям. Сюда относятся методы создания прочных, жестких, износостойких узлов за счет их рациональной конструкции и применения материалов с соответствующими свойствами.

Данное направление объединяет все те новейшие достижения в об­ласти конструирования и технологии, которые позволяют увеличивать стойкость узлов и механизмов по отношению к тем воздействиям, кото­рые характерны для данного типа машин.

Повышение сопротивляемости изделия внешним воздействиям тесно связано с задачами, встающими перед конструкторами, технологами и эксплуатационниками не только в связи с надежностью, но и с необхо­димостью обеспечивать заданные технические характеристики изделия, повышать производительность и быстроходность машин, уменьшать их габариты и металлоемкость.

К методам повышения сопротивляемости машины внешним воздей­ствиям относятся, например, рассмотренные выше выбор износостой­ких материалов, уменьшение нагрузок, действующих на механизмы, применение рациональных методов смазки, исключение влияния техно­логической наследственности и другие.

Однако возможности сопротивления внешним воздействиям не без­граничны. Практически невозможно обеспечить во всех механизмах только жидкостное трение и иметь неизнашивающиеся сопряжения, сложно создать материалы, которые не деформировались бы и не изме­няли своих размеров при колебании температуры и т.д.

Если к этому прибавить, что всегда имеются источники внешних и внутренних воздействий на машину и что требования к ее выходным параметрам все время повышаются, можно сказать, что указанные ме­тоды повышения надежности необходимы, но недостаточны. Они огра­ничены уровнем развития той или иной области техники.

Другой путь повышения надежности работы машин и изделий, их защита и изоляция от вредных воздействий. Здесь характерны такие методы, как установка машины на фундамент, защита поверхностей от запыления и загрязнения, создание для машин специальных условий по температуре и влажности и другие.

Во всех этих случаях создаются более благоприятные условия для работы машины. Например, создание термоконстантных производст­венных цехов с постоянными температурой и влажностью и со строгой регламентацией степени запыленности атмосферы не только обеспечи­вает выпуск точной и надежной продукции, но и повышает надежность работы прецизионного технологического оборудования. Различного рода виброизолирующие и амортизационные устройства предотвраща­ют воздействие пиковых нагрузок, не пропускают вредные для изделия частоты. К защитным устройствам относятся также экраны, охраняю­щие изделие от тепловых излучений и радиации, покрытия и специальные устройства для защиты от влаги и агрессивных сред, механизмы, удаляющие отходы производства, фильтры, очищающие масло, воздух и топливо, и многие другие. Однако возможности по изоляции машины от внешних воздействий также ограничены, они требуют, как правило, существенных затрат, не всегда исключают основные причины, сни­жающие надежность машины. Следует иметь в виду, что в машине имеются внутренние источники возмущений (вибрации самой машины, тепловыделение в узлах и механизмах и т.п.), влияние которых трудно изолировать.

Во многих случаях добиться повышения надежности можно не за счет дополнительных затрат на создание специальных устройств и ис­пользование новых материалов, а путем применения рациональных кон­структивных решений.

С позиции надежности, оптимальной будет такая конструкция ма­шины и ее элементов, когда с наименьшими затратами средств достига­ется наибольшая продолжительность работы отдельных узлов, меха­низмов и машины в целом при заданной безотказности и регламентиро­ванных затратах на ремонт и техническое обслуживание.

Например, выбор оптимальных размеров узла трения обеспечит бо­лее длительное сохранение им точности, выбор схемы меха­низма и допусков на сопряженные поверхности сократит период макро­приработки, рациональный выбор типа механизма и расчет его на износ позволит при прочих равных условиях добиться более рав­номерного износа и меньшего его влияния на выходные параметры из­делия и т.п.

В основу выбора рациональной конструкции должны быть положе­ны расчеты, связывающие изменение выходных параметров изделия с процессами повреждения, и методы прогнозирования параметрической надежности, рассмотренные выше. Это позволяет находить такие реше­ния, когда износ, усталость, деформация, коррозия и т.п. будут оказы­вать минимальное влияние на выходные параметры изделия. Конструк­ция должна быть также рациональной с точки зрения ее ремонтопри­годности и приспособленности к диагностированию.

Перспективным направлением для создания работоспособных высокоэффективных машин является применение автоматики для повыше­ния их надежности.

Проблема надежности машин возникла, в первую очередь, в связи с их широкой автоматизацией, с необходимостью обеспечить беспере­бойную работу и взаимодействие механических, электронных, электри­ческих, гидравлических и других устройств.

Автоматизация усложняет решение проблемы надежности, так как появляются сложные, высокопроизводительные и энергонапряженные системы. Однако эти трудности возникают лишь до тех пор, пока для решения задач, связанных с повышением надежности, привлекается только тот арсенал средств, который применим и для обычных неавто­матизированных машин.

Конечно, для машин-автоматов еще более важно, чем для обычных машин, совершенствовать качество применяемых материалов, методы смазки, конструктивные формы деталей и узлов. Однако имеется еще одно мощное средство для решения проблемы надежности. Это средст­во - применение самой автоматики для обеспечения длительного вы­полнения машиной своего служебного назначения в разнообразных ус­ловиях эксплуатации.

Применение в машинах-автоматах управляющих цепей с различны­ми датчиками, расширение и качественное изменение функций, выпол­няемых автоматом, проникновение идей технической кибернетики в принцип действия машин, все более широкое применение мехатронных устройств, в которых органически взаимодействуют механика и элек­троника, - все это позволяет осуществлять широкое использование средств автоматики в новом аспекте.

Применение самонастраивающихся и саморегулируемых машин, ко­торые подобно живым организмам обладают функциями приспособле­ния к изменившимся условиям работы и восстановления утраченной работоспособности, позволяет машине не только обладать способно­стью выполнять заданную работу (например, обеспечивать ход техноло­гического процесса), но и осуществлять свои функции длительное вре­мя, не опасаясь как внешних воздействий, так и процессов, происходя­щих в самой машине. В настоящее время эти тенденции характерны для многих машин, например транспортных, технологических, энергетических и др.

У этих машин в системы управления включаются, как правило, дат­чики с обратной связью, в результате чего машина может автоматиче­ски регулировать свои действия, учитывать реальную обстановку, изме­нять характер и режимы функционирования.

Такие «разумные машины» (Machine Intelligence) одновременно с за­дачей рационального управления функционированием машины решают частично и задачу обеспечения параметрической надежности, посколь­ку система управления контролирует ряд выходных параметров.

Дальнейшее развитие этих идей и использование автоматических систем для управления специальными механизмами подналадки, регу­лировки и защиты, расширение функций самой системы управления и контроль за изменением выходных параметров открывают широкие возможности для достижения высокого уровня параметрической на­дежности машины.

Поскольку изменение технического состояния машины при ее экс­плуатации связано с динамическими процессами, и маши­на взаимодействует с ними как система автоматического регулирования, управление этим состоянием и воздействие и на процессы, и на пара­метры машины, и на внешние возмущения - перспективный путь реше­ния многих задач надежности там, где тривиальные методы уже исчер­паны. В качестве примеров можно привести такие автоматические сис­темы, как системы стабилизации или создания заданных тепловых и деформационных полей машины, изменяющихся в процессе эксплуата­ции; системы управления зазорами, толщиной масляной пленки или положением элементов для ответственных механизмов при их износе или деформации; системы коррекции движения рабочих органов маши­ны при изменении геометрических и силовых параметров; системы управления профилактическими операциями и для осуществления диаг­ностических процедур. Во всех этих случаях вырабатываются решения по регулированию параметров и режимов работы машины.

В настоящее время, особенно в связи с успехами вычислительной техники и средств управления, появляется большое число оригинальных и эффективных устройств, автоматизирующих различные функции ма­шин и систем.

Это направление имеет практически неограниченные возможности по повышению надежности, так как, основываясь на принципах кибер­нетики, можно для машины любой сложности обеспечить необходимую работоспособность.

В качестве резюме на рисунке 1 указаны основные методы повыше­ния надежности машин и приведены примеры соответствующих реше­ний. Так, кузов автомобиля, его подвески, эластичные шины и другие элементы должны быть стойкими к динамическим и ударным воздейст­виям при движении машины; установка прецизионного станка на спе­циальный фундамент позволяет изолировать его от внешних динамиче­ских воздействий. Конструкция трубоукладчика позволяет восприни­мать нагрузки, создающие большие опрокидывающие моменты, робот с «искусственным зрением» обеспечивает за счет системы управления с обратной связью точные перемещения рабочего органа (захватов) в за­данную позицию по оптимальной траектории.

Обеспечение необходимого уровня надежности сложной машины осуществляется, как правило, с использованием всех указанных мето­дов. Выбор наиболее рациональных решений зависит, в первую оче­редь, от полноты и достоверности информации о надежности машины. Основную ценность представляет информация, полученная на ранних стадиях создания новой машины, в результате чего становится возможным установить основные факторы, определяющие требуемый уровень надежности.

Рисунок 1 – Основные методы повышения надежности машин

В большинстве случаев реальная ситуация при проектировании но­вой машины такова, что характеристики ее надежности определены лишь приблизительно, нет гарантии соблюдения их значений при ис­пользовании машины, и только статистика, задним числом, после дли­тельной эксплуатации большого числа машин данного типа позволит выявить действительные показатели надежности.

Поэтому расчет и прогнозирование надежности машины, регламен­тация и обеспечение показателей надежности, нормирование скоростей протекания процессов старения, определение еще на стадии проектиро­вания области состояния машины - все это необходимо для решения коренных задач надежности.

Наиболее совершенной, с позиции надежности, будет та машина, па­раметры которой в течение всего периода эксплуатации будут нахо­диться в установленных пределах. Для этого желательно иметь машину, которая способна автоматически восстанавливать свою работоспособ­ность и осуществлять профилактические мероприятия, машину, которая при возникновении аварийных ситуаций приспособлена для их предот­вращения или локализации тяжелых последствий, машину, информаци­онные системы которой дают сведения о ее состоянии, а она, обладая «искусственным интеллектом», выбирает наиболее рациональные усло­вия функционирования.

Создание машин, сохраняющих свое качество в течение всего пе­риода использования, - одно из основных направлений машинострое­ния.

Дата добавления: 2014-01-05