9 Эксплуатационная надежность рабочих машин и автоматических линий

9.1 Общие положения

Исследование надежности автоматизированного оборудования и автоматических линий позволяет выявить основные факторы, влияющие на ее снижение, и сосредоточить внимание на устра­нении причин, ограничивающих производительность и ухудшаю­щих качество выпускаемой продукции. Для получения правиль­ных выводов о надежности надо вести исследования, используя методы математической статистики и теории вероятностей.

В соответствии с общими положениями теории надежности можно дать следующее определение: надежность есть свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени зна­чения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям ис­пользования. Под объектом надо понимать также машины и ав­томатические линии, в том числе и для обработки почтовых от­правлений.

Надежность определяется в зависимости от времени безотказ­ной работы и частоты отказов. Отказом называется событие, со­стоящее в нарушении работоспособности машины или системы машин (автоматической линии) из-за каких-либо неполадок или неисправностей. Отказ рабочей машины может быть вызван не­исправностью какого-либо механизма, устройства, например за­грузочного, транспортного, рабочего и т. п. Эти отказы называют отказами элементов. Однако бывают и такие отказы, когда ма­шина продолжает работать, но обрабатываемые детали (напри­мер, из-за ослабления конвейерных лент и письмосортировочной машине или из-за износа резца на станке по заданной ориента­ции, или своим размерам, т. е. по качеству обработки) выходят из заданных пределов. Такие отказы называют отказами пара­метров. И те и другие отказы устраняются для восстановления заданных функций. Однако при обследовании их разделяют. От­казы параметров тесно связаны с технологической надежностью рабочей машины — свойством машины (или автоматической ли­нии) выпускать годную продукцию (например, с заданным по­ложением в пространстве, точностью геометрических размеров и т. п.) в течение заданного времени.

Рабочие машины и автоматические линии, как ремонтируемые системы многократного действия, могут находиться либо в эксплуатации, либо в планово-предупредительным ремонте. Поэтому различают общую и эксплуатационную надежность. Эксплуатаци­онная надежность — это надежность рабочих машин и автомати­ческих линий в процессе их эксплуатации, она обусловлена главным образом безотказностью и долговечностью наиболее часто выходящих из строя элементов и их ремонтопригодностью. Об­щая надежность охватывает весь срок службы рабочей машины или автоматической линии, в том числе периоды планово-преду­предительных ремонтов.

Для объективной оценки влияния отказов на надежность изделия необходимо учитывать, что отказы по характеру своего возникновения являются случайными, хотя и вызываются действиями закономерно изменяющихся факторов. Поэтому для мате­матического определения надежности обычно используют статистическое данные.

Все показатели надежности можно разделить на две катего­рии:

1)частные показатели, которые оценивают только одну качественную сторону надежности, например только безотказность или только ремонтопригодность;

2)обобщающие показатели, которые оценивают, например, и безотказность и ремонтопригодность. К числу таких показателей относятся коэффициент готовности и коэффициент технического использования.

Всякое изучение надежности должно начинаться со сбора эксплуатационной информации, ибо только таким путем можно дать анализ и классификацию неисправностей, выбрать наиболее ава­рийные узлы и детали, а также изучить условия и режимы эксплуатации.

Процесс эксплуатации автоматической линии состоит из чередующихся интервалов времени, в течение которых она либо выпускает продукцию, либо простаивает по разным причинам. Интервал времени, в течение которого линия выпускает продукцию, ищется работой. При анализе работы необходимо иметь в ви­но линия может выпускать продукцию с различным темпом, которым понимают внутрицикловые затраты времени на обработку одного или нескольких (для многопоточных линий) почтовых отправлений. Темп линии считается нормальным, если он отклоняется от своего среднего значения за время наблюдения не е чем па 10%

Работающая линия может выпускать продукцию нормального качествтва или же производить брак, под которым следует понимать любое отклонение параметров обрабатываемого почтового отправления от допустимых пределов. С точки зрения анализа производительности линии, случаи брака следует считать отказами, поскольку время обработки было полностью или частично затрачено впустую. Возможность точного определения времени, места и причины появления брака зависит от требуе­мой точности обработки, степени автоматизации контроля, квали­фикации обслуживающего персонала, системы приемки продукции и др. на предприятии связи и не всегда может быть реализована.

В качестве примеров брака при обработке почтовых отправ­лений можно назвать засылку письма или посылок в несоответвующий накопитель, нечеткий оттиск штемпеля и т. п.

Линия (участок) может простаивать по причинам, зависящим от надежности ее оборудования и условий его эксплуатации — такой простой будет собственным.

Линия (участок) может быть также остановлена ввиду опус­тошения накопителя на ее входе либо переполнения на выходе. В том случае, когда простой возникает вследствие взаимодейст­вия данной линии (участка), рассматриваемой как участок авто­матизированной системы, с предыдущим и последующим участ­ками, простой называют наложенным.

Специфические особенности хронометражных наблюдений за оборудованием действующих автоматических линий требуют от наблюдателей умения четко сформулировать с возможной полно­той причины простоя линии (участка) или работы, проводимой в данный момент обслуживающим персоналом, точно указать отка­завший элемент, установить классификационную группу отказов и т. п.

От точности регистрации интервалов безотказной работы и простоев зависят точность и достоверность результатов обследова­ния. К основным трудностям хронометража относится точная ре­гистрация времени простоев линии, особенно при кратковремен­ных и самоустраняющихся отказах длительностью менее 0,1 мин или отказах, устраняемых нажатием соответствующих кнопок на пультах управления.

В связи с этим возникла необходимость в автоматизации про­цесса регистрации статистических данных. С помощью самопишу­щих приборов. Самопишущие приборы ПОЗВОЛЯЮТ получать гра­фик работы линии и определять по нему длительность интервалов или число циклов безотказной работы, число интервалов безот­казной работы, длительность интервалов простоев, число прос­тоев, продолжительность и стабильность времени циклов в тече­ние всего периода наблюдений и т. д.

Всякое изучение надежности должно начинаться со сбора экс­плуатационной информации, только так можно сделать анализ и классификацию неисправностей, выбрать аварийные узлы и дета­ли, а так же изучить условия и режимы эксплуатации. Теоретическими законами изменения функции надежности яв­ляются распределения: нормальное (гауссовское), экспоненци­альное, логарифмически-нормальное, Вейбула и др.

Нормальное распределение является характерным, главным образом, для таких случайных величин, как точность размеров обрабатываемых изделий и стойкость инструмента, а экспоненцильное распределение—для длительностей бесперебойной работы линии и устранения неполадок, которые определяют надеж­ность автоматической линии.

В большинстве случаев, учитывая сугубо приближенный ха­рактер всех величин, определяющих надежность, можно использовать одно из хорошо известных распределений — экспоненциальное или нормальное.

При этом необходимо отметить, что в автоматических машинах и линиях для обработки почты такие факторы, как полу­чение точных размеров обрабатываемых деталей и стойкость инструмента, не являются характерными, поэтому для определения и \ надежности целесообразно использовать экспоненциальный закон распределения. Для этого закона распределения P(t) =e^-ωt, i и P(t)—вероятность безотказной работы системы (функция надежности); ω — параметр потока отказов (для экспоненциаль­ного закона это интенсивность отказов); t— текущее время, на­миная с момента ввода элемента или системы в эксплуатацию.

Для устройств однократного действия (не ремонтируемых), например, радиолампа, полупроводник и т. п., которые заменяются, а не ремонтируются, функция надежности имеет особое значение — характеризует время их безотказной работы.

Автоматизированное оборудование и автоматические линии на предприятиях почтовой связи относятся к системам многократного действия, которые после отказов восстанавливаются (ремонтируются) и вновь пускаются в действие. Для этих устройств функция надежности показывает среднюю частоту возникновения неполадок в течение длительного времени эксплуатации. Параметр потока отказов представляет собой среднюю вероятность возникновения отказа в единицу времени.

На pис. 9.1 показано изменение параметра потока отказов в процессе эксплуатации машины. Для экспоненциального закона распределения параметр потока отказов равен интенсивности отказов.

При приработке выявляются различные дефекты производства. По мере их устранения интенсивность отказов снижается. Первая зона-период обработки. В начале этого периода параметр потока отказов имеет сравнительно большие значения, затем резко снижается. Помимо этого, вследствие приработанного износа все трущиеся детали автоматически доводятся до более рациональных форм устраняется местная концентрация нагрузки, устанавливаются нормальные зазоры и т. п. Для повышения надежности следует производить обкатку машины до сдачи ее в эксплуатацию.

Вторая зона — период нормальной эксплуатации. Он характеризуется относительно стабильным значением параметра потока отказов. Дестабилизирующими факторами этого равновесия явля­ются, с одной стороны, повышение квалификации обслуживающе­го персонала, с другой стороны, — процессы изнашивания и поте­ри усталостной прочности.

Третья зона — период прогрессирующего физического износа, параметр потока отказов возрастает настолько, что машина вы­водится в планово-предупредительный ремонт. После ремонта снова наступают периоды приработки и нормальной эксплуата­ции. Суммарная длительность межремонтного периода обозначе­на буквой N.

Для экспоненциального закона распределения параметр пото­ка отказов ω не зависит от текущего времени и является величи­ной постоянной.

Экспоненциальный закон широко используется в теории на­дежности. Он является однопараметрическим и позволяет значи­тельно упростить расчеты, особенно при анализе сложных систем. Длительность эксплуатационных исследований обычно значитель­но меньше времени, при котором успевают существенно изменить­ся степень изношенности оборудования и квалификация налад­чиков. Поэтому в первом приближении всегда можно считать, что параметр потока отказов есть величина условно постоянная для некоторого интервала длительности эксплуатации, что характер­но для экспоненциального закона.

Если же продолжительность наблюдений настолько велика, что интенсивность отказов за этот период существенно изменяет­ся, то используют вышеуказанные более сложные законы распре­деления.

Среднее время безотказной работы, т. е. среднее время работы между двумя соседними отказами (наработка на отказ): T’=l/ω. Недостатком этого показателя является то, что здесь учитывает­ся только время безотказной работы и не учитывается интенсив­ность работы машины, т. е. число почтовых отправлений или де­талей, выпускаемых в единицу времени при бесперебойной ра­боте.

Для машин и автоматических линий, выпускающих продукцию в штуках, например шт./мин или шт./ч, вводится дополнительно коэффициент безотказности Кб=—T'/tcp, где tсp— средняя длительность рабочего цикла машины.

Таким образом, коэффициент безотказности для циклических систем многократного действия представляет собой среднее число циклов, отработанных между двумя соседними отказами. Если каждый цикл машина обрабатывает одно почтовое отправле­ние, то коэффициент безотказности будет показывать среднее число почтовых отправлений, приходящихся на один отказ.

На рис. 9.2 показаны графики функции надежности при различных значениях интенсивности отказов для экспоненциального она распределения. По вертикальной оси отложены значения вероятности того, что машина или автоматическая линия останется исправной, а по горизонтальной — время работы или величина выработки продукции на один отказ с момента пуска. Значе­ние Р(0) = 1 независимо от интенсивности отказов обозначает то, что машина вводится в эксплуатацию в исправном состоянии.

Из приведенных графиков видно, что, например, при интенсивности отказов ω₂ = 5-10^-3 1/мин, вероятность того, что машина проработает 100 мин (t= 100 мин) составляет Р(100) =0,606. В том же случае, когда интенсивность отказов будет в 2 раза больше, т.е. ω₃=10*10^-3 1/мин, вероятность безотказной работы машины в течение этого же промежутка времени снизится до 0,36; ω₁=1*10^-3 1/мин.

Нелинейность функции надежности объясняется тем, что вероятность возникновения неполадок зависит от того, сколько времени уже проработали устройства с момента пуска после исправления предыдущей неполадки. Зависимость эта характеризуется плотностью вероятности распределения времени безотказной работы f(t).

При стационарных условиях эксплуатации плотность вероятность безотказной работы описывается экспоненциальным распределением: f(t) =T^-1e^-t/T.

При определении вероятности безотказной работы параллель­но соединенных накопителей почтосортировочных машин с учетом того, что с отказом каждого из них ухудшается качество работы машины в целом, в эту формулу подставляется вероятность без­отказной работы только одного накопителя.

В случае смешанного соединения узлов (последовательное и параллельное) общая вероятность безотказной работы равна про­изведению вероятностей безотказной работы, вычисленной отдель­но для каждого из участков с параллельный и последовательным соединением.

Важнейшим фактором надежности машин и автоматических линий является их долговечность, которая определяется как свой­ство сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта. Предельное состояние обусловливается не только фи­зическим, но и моральным износом, когда дальнейшая эксплуа­тация машины или линии становится экономически нецелесооб­разной даже при ее технической пригодности.

Основным критерием долговечности служит технический ре­сурс R, равный суммарной наработке за весь срок службы. Ре­сурс может быть выражен либо в чисто проработанном времени, либо в суммарном числе отправлений, обработанных за весь срок эксплуатации.