Часть I. Надежность металлургических машин

Раздел 1. Основы теории надежности

Глава 1. Основные понятия и определения

Теория надежности - это теория, которая устанавливает закономерности возникновения отказов объектов и методы их прогнозирования; изыскивает способы повышения надежности изделий при конструировании, изготовлении и поддержания их работоспособного состояния во время эксплуатации; разрабатывает методы контроля надежности изделий.

Под работоспособным состоянием объекта понимается такое состояние, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской документации.

Нарушение работоспособного состояния объекта является событием, получившим название отказ.

Отказы, по характеру своего проявления, подразделяются на:

- внезапные;

- постепенные.

Внезапный отказ - отказ, характеризующийся скачкообразным изменением значений одного или нескольких параметров объекта.

Постепенный отказ - отказ, обусловленный естественными процессами старения, изнашивания, коррозии и усталости при соблюдении всех установленных правил и (или) норм проектирования, изготовления и эксплуатации.

О тказы могут являться и являются следствием ошибок или недостаточного уровня знаний конструктора, или нарушения установленных правил и норм проектирования и конструирования. Такие отказы носят название конструктивные отказы.

Отказ, возникший по причине, связанной с несовершенством или с нарушением установленного процесса изготовления или ремонта, выполняемого на ремонтном предприятии, получил название производственный отказ.

Если нарушения установленных правил и (или) условий эксплуатации приводят к возникновению отказа, то такой отказ называется эксплуатационным отказом.

Для металлургических машин при пуске их в эксплуатацию наиболее характерными являются внезапные конструктивные отказы.

При установившемся процессе эксплуатации наиболее часто возникают внезапные эксплуатационные отказы.

Если прочностные свойства детали не изменяются, то внезапный отказ связан с перегрузкой. Если же в результате многократного воздействия предельных нагрузок происходит снижение прочностных свойств, то происходит внезапный отказ, связанный с развитием усталостных трещин.

Но внезапные отказы могут являться и следствием разброса механических свойств материала, из которого изготовлена деталь, и уровня нагрузок, действующих на нее (рис.1.1).

Если принять, что величины нагрузки и прочности подчиняются нормальному распределению (что во многих случаях соответствует действительности), то существует зона (на рис. 1.1 заштрихована) внезапных отказов при расчетном коэффициенте запаса прочности. Возникновение постепенных отказов в узлах трения вследствие развития процессов изнашивания протекает по схеме, представленной на рис.1.2.

Рис.1.1. Схема отказа при разбросе нагрузки

и прочностных свойств деталей

Первоначальный разброс величины зазора вследствие допуска на изготовление в процессе изнашивания увеличивается. Увеличение зазора определяется скоростью изнашивания J, величина которой имеет нормальное распределение, поэтому и наработки до отказа в этом случае имеют нормальное распределение.

В теории надежности при рассмотрении надежности объектов введены понятия "система" и "элемент".

Рис.1.2. Схема возникновения постепенных отказов:

[U]=U _max - максимально допустимая величина износа (отказ);

D - исходный зазор в соединении;

f (D) - плотность распределения зазора в соединении;

f (J) - плотность скорости изнашивания;

f (t)- плотность вероятности отказов;

Т - средняя наработка

Под системой будем понимать множество элементов и связь между ними, образующих некоторую целостность. Под элементом понимают часть системы, предназначенную для выполнения определенных функций и неделимую на составные части при данном уровне рассмотрения.

То есть только уровень рассмотрения определяет отнесение того или иного объекта, образующего некоторую целостность, к системе или элементу.

Например, линия привода горизонтальных валков может рассматриваться как элемент, входящий в систему, - рабочая клеть. В то же время линия привода горизонтальных валков может рассматриваться как система с входящими в нее элементами: узел валков, узел шпиндельного соединения, узел шестеренной клети, электропривод. Все зависит от того, какие задачи мы ставим при исследовании надежности того или иного объекта.

Как правило, при исследовании надежности металлургических машин в процессе эксплуатации в качестве элементов принимаются детали или узлы, которые подвергаются замене или восстановлению в процессе технического обслуживания или ремонта металлургических агрегатов.

Элементы и системы, которые в случае отказа заменяются новыми, называются невосстанавливаемыми.

Элементы и системы, которые в случае отказа подвергаются восстановлению, называются восстанавливаемыми.

Важнейшим понятием теории надежности является понятие наработка, под которым понимается продолжительность или объем работы. Различают наработку до отказа и наработку между отказами или наработку на отказ.

Наработка до отказа - наработка объекта от начала его эксплуатации до возникновения первого отказа.

Наработка между отказами (на отказ) - наработка объекта от окончания восстановления его работоспособного состояния после отказа до возникновения следующего отказа. Относится только к восстанавливаемым объектам.