Лекция 14. Взаимозаменяемость и надежность изделия

Качество изделий, тесно связанное со взаимозаменяемостью, определяет их надежность. Увеличение долговечности изделий также невозможно без использования методов взаимозаменяемости и путей их осуществления, что особенно важно при организации и проведении мероприятий по техническому обслуживанию и ремонтам изделия, а также при создании обоснованного запаса деталей. В общем случае под надежностью понимается свойство изделия (объекта) сохранять во времени в установленных пределах все параметры, обеспечивающие выполнение изделием требуемых функций в заданных условиях эксплуатации.

Надежность занимает определяющие место в структуре качества изделия (рис. 22), предопределяя его конкурентоспособность.

Надежность характеризуется следующими основными состояниями и событиями:

– работоспособность – состояние изделия (машины), при котором оно способно выполнять заданные функции с параметрами, установленными в технической документации;

– исправность – состояние изделия (машины), при котором оно удовлетворяет всем основным и вспомогательным требованиям, предъявленным к изделию; исправное изделие обязательно работоспособно;

– неисправность – состояние изделия (машины), при котором оно не соответствует хотя бы одному из требований технической документации; различают неисправности, не приводящие к отказам, и неисправности, приводящие к отказам;

Рис. 22. Укрупненная схема взаимосвязи качества и надежности в машиностроении

– отказ – событие, заключающееся в полной или частичной утрате работоспособности объекта. Отказы делят на отказы функциональные, при которых выполнение своих функций рассматриваемой машиной прекращается (например, поломка вала или зубьев колеса), и отказы параметрические, при которых некоторые параметры машины изменяются в недопустимых пределах (например, потеря точности станка).

По причинам возникновения отказы делятся на систематические и случайные. Систематические причины отказов – это закономерные явления, вызывающие постепенное накопление повреждений: влияние среды, времени, температуры, облучения – коррозия, старение, нагрузка и работа трения – усталость, ползучесть, износ, функциональное воздействие – засорение, залипание, утечка, износ инструмента – изменение размера обрабатываемой детали и т.д. Случайные причины отказов – это непредусмотренные перегрузки узлов машин или деталей, дефекты материала и погрешности изготовления, не обнаруженные контролем, ошибки обслуживающего персонала, а также сбои систем управления. Примерами случайных отказов могут быть: твердые включения в материал детали, отклонения размеров заготовок от их допусков в процессе обработки, раковины внутри материала детали или микротрещины, вызванные скоплением дислокаций и т.д.

В соответствии с этими причинами и характером развития и проявления отказы делят на внезапные (поломки от перегрузок, заедание), постепенные по развитию и внезапные по проявлению (усталостное разрушение материала) и постепенные по времени (износ, старение, коррозия, залипание). Отказы в соответствии со своей физической природой бывают связаны с разрушением деталей или их поверхностей, что обусловлено выбором материала и технологическим процессом обработки.

Надежность изделия (машины) характеризуется безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью и сохраняемостью.

Безотказность – свойство машины непрерывно сохранять работоспособность в течение заданного времени или наработки. Характеризуется следующими показателями:

Вероятность безотказной работы Р (t) – вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ не возникнет. Она оценивается относительным количеством работоспособных элементов (машин) по формуле

, (39)

где N – число испытуемых элементов (машин);

N_p – число работоспособных элементов (машин);

п – число отказавших элементов (машин).

Так как безотказная работа машины и отказ – взаимно противоположные события, то сумма их вероятностей равна единице, т.е.

, (40)

где Q (t) – вероятность отказа машины.

Вероятность безотказной работы системы равна произведению вероятностей безотказной работы отдельных ее элементов, т.е.

. (41)

На рис. 23 приведены экспериментально полученные зависимости вероятности безотказной работы изделия Р (t) от коэффициента взаимозаменяемости К_В для различных типов производства. По этим графикам можно при заданной вероятности безотказной работы изделия применять тот или иной метод взаимозаменяемости.

Рис. 23. Зависимость вероятности безотказной работы изделия Р (t) от коэффициента взаимозаменяемости К_В: 1 – массовое производство;

2 – серийное производство; 3 – индивидуальное производство

Средняя наработка до отказа Т _о – математическое ожидание (среднее значение) наработки до отказа невосстанавливаемого изделия (машины).

Средняя наработка на отказ Т ₁ – отношение наработки восстанавливаемого объекта (машины) к математическому ожиданию числа его отказов в течение этой наработки:

, (42)

где N – число испытуемых элементов или число испытаний;

n_i, – число отказов i- го элемента (число отказов в i -м испытании);

t_i – наработка i -го элемента (наработка в i-м испытании).

Интенсивность отказов λ(t) – показатель надежности невосстанавливаемых изделий, равный отношению числа отказавших элементов в единицу времени к числу объектов, оставшихся работоспособными. Этот показатель более чувствителен, чем вероятность безотказной работы, особенно для изделий высокой надежности и определяется по формулам:

– в статистической трактовке

; (43)

– в вероятностной трактовке

, (44)

где Δ п – приращение числа объектов за время Δ t;

f (t) – функция плотности распределения.

Функция плотности распределения f (t) наработки до отказа характеризует распределение отказов во времени и определяется по формулам:

– в статистической трактовке

; (45)

– в вероятностной трактовке

, (46)

где dQ (t) – приращение вероятности отказов за время dt.

Параметр потока отказов λ(t) – показатель надежности восстанавливаемых изделий, равный отношению среднего числа отказов восстанавливаемого объекта за произвольно малую его наработку к значению этой наработки.

Используя выражения (39), (43) и (45), можно записать основное уравнение теории надежности машин:

(47)

Долговечность – свойство машины длительно сохранять работоспособность до предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов. Предельное состояние машины характеризуется невозможностью дальнейшей эксплуатации ее, снижением эффективности и безопасности. Долговечность характеризуется следующими показателями:

– технический ресурс Т_р – наработка объекта от начала его эксплуатации или возобновления эксплуатации после ремонта до предельного состояния.

– срок службы Т_сл – календарная наработка объекта до предельного состояния.

– гамма-процентный ресурс Т_рγ. и гамма-процентный срок службы Т_сл.γ, т.е. такие ресурс и срок службы, при выработке которых объект не достигает предельного состояния с заданной вероятностью γ, выраженной в процентах. Очевидно, что

. (48)

Ремонтопригодность – это приспособленность изделия к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений и поддержанию и восстановлению работоспособности его путем технического обслуживания и ремонта. Основным показателем ремонтопригодности изделия является среднее время восстановления Т_в работоспособного состояния, представляющее собой математическое ожидание времени восстановления работоспособного состояния объекта:

, (49)

где τ _i – суммарное время простоев 1-го объекта;

n_i – количество отказов i-го объекта.

Сохраняемость – это свойство объекта сохранять значение показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности после хранения и транспортирования. Показателями сохраняемости объекта являются средний срок сохраняемости и гамма-процентный срок сохраняемости, которые определяются аналогично показателям долговечности.

Надежность автоматических линий, металлорежущих станков с ЧПУ и других сложных систем характеризуется следующими комплексными показателями:

– коэффициентом технического использования К_т.и. называется отношение математического ожидания времени работоспособного состояния за некоторый период эксплуатации Т_р, к сумме математических ожиданий времен работоспособного состояния Т_р и всех простоев во время ремонтов Т_пр и технического обслуживания Т_обс:

; (50)

– коэффициентом готовности К_Г называется вероятность того, что объект окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме периодов, в которых эксплуатация его не предусматривается:

. (51)

Жесткая конкуренция в условиях рыночных отношений вынуждает создавать изделия, обладающие не только высокими эксплуатационными свойствами, надежностью, но и обеспечивающие минимальные затраты на обслуживание, энергопотребление и экологию. В результате введен в практику производственной деятельности предприятий машино- и приборостроения интегральный показатель качества созданного изделия, по которому можно судить о конкурентоспособности последнего. В него включаются следующие параметры:

1) параметр эффективности функционирования, представляющий, например, объем выпускаемой или контролируемой продукции Q;

2) эксплуатационные расходы, включающие, например, годовые затраты на оплату труда производственного персонала Зр, затраты на реновацию оборудования М, здания С, затраты на энергопотребление Э;

3) экономические затраты на обеспечение надежной работы изделия Н.

В общем виде интегральный показатель качества надежности изделия Кj определяется по формуле

. (52)

Полученное значение интегрального показателя качества Кj, учитывающего надежность изделия, обычно сравнивается с интегральным показателем качества Кj*,не учитывающим надежность изделия и определяемым по формуле

. (53)

Отношение Кj / Кj* показывает, насколько выпускаемая продукция отвечает требованиям конкурентоспособности: чем ближе это отношение к 1, тем более конкурентоспособнее изделие по показателям надежности, тем выше его коэффициент взаимозаменяемости К_В и тем меньше затраты на восстановление его работоспособности после устранения отказа.

Дата добавления: 2014-01-06