4.2. Класифікація відмов

Відмова — це подія, яка полягає у втраті об’єктом здатності виконувати потрібну функцію, тобто у порушенні працездатного стану об’єкта.

За причинами виникнення розрізняють: конструктивні відмови, виробничі (технологічні) та експлуатаційні.

Конструктивна відмова — це відмова, спричинена недосконалістю чи порушенням встановлених правил і норм проектування та конструювання об’єкта.

Виробнича (технологічна) відмова це відмова, спричинена невідповідністю виготовлення об’єкта до його проекту чи норм виробничого процесу.

Відмова через неміцність — це відмова, спричинена неміцністю самого об’єкта (деталі), коли дії навантаження на об’єкт не перевищують встановлену спроможність об’єкта.

Неміцність може бути властива об’єктові чи запозичена.

Експлуатаційні відмови виникають в результаті порушень правил і норм експлуатації (різного роду пошкоджень, а також природніх процесів зношування і старіння). Експлуатаційні відмови у відповідності з ДСТУ 2860-94 поділяються на: відмову через перевантаження, відмову через невірне поводження та деградовану відмову. Це нові розуміння.

Відмова через перевантаження — це відмова, спричинена діями під час використання машини з навантаженням, що перевищує його встановлену спроможність.

Відмова через невірне поводження — це відмова, спричинена неправильним чи необережним поводженням з машиною.

Деградована відмова — це відмова, спричинена процесами деградації в об’єкті при дотриманні усіх встановлених правил чи норм його проектування, виготовлення та експлуатації.

За наслідками відмови поділяються на безпечні і небезпечні для життя і здоров’я людини.

Відмова може бути часткова, повна і ресурсна.

Часткова відмова — це відмова, що призводить до неспроможності машини виконувати частину з потрібних функцій. Наприклад, відмова ходової частини екскаватора.

Повна відмова — це відмова, що призводить до повної неспроможності машини виконувати потрібні функції. Наприклад, відмова двигуна машини.

Ресурсна відмова — це відмова, внаслідок якої об’єкт досягає граничного стану. При цьому машина може ще певний час виконувати свої функції. Наприклад, ресурсна відмова двигуна машини характеризується тим, що виникає зміна її технічних характеристик, а витрата палива значно збільшується, і тому двигун вимагає ремонту.

За характером появи відмови поділяються на поступові (зносові) і раптові.

Поступові відмови характеризуються поступовою зміною одного або кількох заданих параметрів об’єкта.

Фізичне розуміння поступових відмов зводиться до того, що в результаті поступової, порівняно повільної кількісної зміни, той чи інший параметр елемента виходить за раніше встановлені допустимі межі, що кваліфікується як відмова!

До поступових відмов можна віднести зношення поршневих кілець і поршнів вкладишів колінчастого валу тощо.

При цьому, хід змін стану машини, викликаний зношенням її частин, має, в значній мірі, випадковий характер. Це пов’язано з випадковістю взаємодії зовнішнього середовища, наявністю випадкових взаємодій між складальними одиницями і випадковим розвитком змін молекулярного та кристалічного стану матеріалів. Випадковість розвитку зміни стану металу чи пластмас обумовлена неоднорідністю їх структури. Той чи інший метал має зерно різної величини і орієнтації. По межах зерен у випадковому порядку розташовуються окремі вкраплення інших металів, органічних речовин і сполук.

Основною ознакою поступової відмови є те, що вірогідність її виникнення P(t) протягом заданого періоду часу від t₁ до t₂ залежить від тривалості попередньої роботи машини t₁

Чим більше експлуатувалася машина, тим більша ймовірність виникнення відмови, тобто Р(∆ t₂)> P(∆t₁), якщо ∆t₂>∆t₁.

До цього виду відносяться більшість відмов машини. Вони пов’язані з процесами зношування, корозії, втомленості і повзучості матеріалів.

Відмова виникає при досягненні параметром гранично допустимого значення Р_гр, що відбудеться через деякий випадковий проміжок часу роботи виробу (t = Т_В — напрацювання на відмову).

Якщо в процесі формування відмови головну роль грають втомлювальні напруження і при досягненні свого максимуму процеспротікає з більшою інтенсивністю (миттєвоТ_в), то одержимо модель раптової відмови, яка характеризується стрибкоподібною зміною параметрів об’єкта.

Таким чином, раптові відмови виникають в результаті взаємодії несприятливих факторів і випадкових зовнішніх впливів, які переважають можливості виробів до їх сприйняття. Відмова виникає через деякпроміжок часу Т_в, який є випадковою величиною. Тобто раптові відмові неможливо передбачити попередніми дослідженнями чи технічним обслуговуванням. Але на думку проф. С.К.Полянського, раптові відмови за характером їх виникнення слід розділяти на два типи. Для усунення цих понять розглянемо два випадки.

Випадок перший.

Відомо, що навантаження, діючи на виріб і його елементи, зазвичай, має випадковий характер. Разом з тим будь-який елемент має обмежену міцність, тобто існує гранично допустиме навантаження Р_г, яке виріб може витримати без відмови. При достатньо малому значенні величини t₁ величину Р_г в кожний момент часу можна вважати постійною (Р_г=const).

Відмова виникає в тому випадку, коли випадкове фактичне навантаження Р_фперевищить гранично допустиму величину Р_г (рис. 4.1, а).

Запас міцності конструкції за середніми значеннями:

(4.1)

Проте, враховуючи, що гранично допустиме навантаження в залежності від випадкових факторів технології виготовлення характеризується деяким розсіюванням Р_г, виріб з самого початку може стати непрацездатним. З іншого боку, внаслідок змінності режимів і умов експлуатації фактичне навантаження також не лишається постійним, тобто Р_ф також характеризується розсіюванням вхідних параметрів.

Величина Р_ф, як видно з графіка, змінюється випадково і не залежить від часу функціонування об’єкта. Тому відмова настає за умовами, коли Р_ф>Р_г.

Отже, відмова може траплятися внаслідок виникнення неврахованих при конструюванні пікових навантажень або внаслідок зниження гранично допустимого навантаження Р_г.ф. поза розрахункове за рахунок технологічних дефектів, коли виріб послаблений і не витримує заданих навантажень. В обох випадках Р_гі Р_ф для конкретного виробу лишаються сталими протягом усього розглянутого періоду експлуатації, тому відмова першого типу виникає не як наслідок поступової зміни внутрішнього стану елемента, а лише як наслідок раптового впливу навантаження разом з фактичним значенням гранично допустимого навантаження.

Т ому побудова моделі раптової відмови пов’язана з аналізом умов експлуатації машини, режимів її роботи, можливостей виникнення екстремальних навантажень і активного впливу зовнішнього середовища.

Підвищення надійності виробу у цьому разі можна дістати або конструктивним покращанням елемента і зниженням технологічних дефектів, або зменшенням діючих навантажень.

Випадок другий

Припустимо, що час експлуатації іі достатньо великий (див. (t_i-»Т_р.ср) рис. 4.1, б). При цьому значення гранично допустимого навантаження Р_гз часом постійно і монотонно знижується. Прикладом зниження гранично допустимого навантаження може бути зниження міцності за рахунок старіння і стомленості матеріалу деталі. У цьому випадку відмова виникає в результаті поєднання пікового і гранично допустимого навантажень Р_г і Р_гр . в деякий момент часу.

Випадковість появи відмови і в другому випадку залежить від фактичного гранично допустимого навантаження Р_Гф і ступеня його зниження під дією випадкових факторів, які мають місце при експлуатації.

Основною властивістю відмов другого типу, як і для першого випадку, є випадковість їх появи, а з іншого боку, відмова є наслідком зниження міцнісних характеристик матеріалу, тобто залежить від зносових складових (в основному втомлювальних), протягом часу експлуатації до відмови.

Визначення ймовірності появи відмов другого типу важке, але цілком реальне:

Для цього необхідно встановити механізм зміни параметрів, оцінити ту обстановку, яка може привести до відмови, інтенсивність стомлювальнихявищ і підрахувати їх появи. Попереджувати раптові відмови цього типу шляхом профілактичних заходів при використанні діагностичних засобів можна, але лише в окремих випадках.

В загальному випадку, коли екстремальні пікові навантаженняР_фменші допустимих (граничних Р_г), небезпеки виникнення відмови немає. При зменшенні допустимих значень Р_г(t), починаючи зі значень Р_ф = Р_г(t), з’являється ймовірність виникненню раптових відмов.

Наслідки відмов дуже різноманітні. їх можна розділити на відмови функціонування і параметричні.

Відмови функціонування призводять до того, що об’єкт не зможе виконувати своїх функцій (двигуни внутрішнього згоряння не запускаються, муфта проковзує і не передає обертальний момент, насос не подає оливу або подає її в недостатній кіль-кості-тощо).

Параметрична відмова призводить до виходу параметрів технічних характеристик об’єкта за допустимі межі (зниження потужності двигуна, падіння об’ємного ККД гідроприводу, зниження максимальної швидкості машини тощо). Такі відмови не обмежують можливості функціонування машини. Проте, з погляду вимог, встановлених технічними нормативами машини, їх слід вважати непрацездатними.

В складних виробах, якими є сучасні машини, параметричні відмови елементів можуть призвести до відмови функціонування. Наприклад, збільшення витрат робочої рідини веде до падіння тиску у системі гідроприводу, що може викликати неспрацювання золотників, які дають команду на вмикання агрегатів. Параметричні відмови оливного насосу призводять до зменшення подачі оливи до з’єднань, що труться, їх нагріванню і заклинюванню тощо. Тому параметричні відмови — одна з причин зниження працездатності машин.

Для виробників і експлуатаційників характерне постійне прагнення до недопущення відмов при роботі машин. Це досягається за умов правильної організації системи технічного обслуговування і ремонту, ретельного виконання правил експлуатації. Кількість відмов при вірній експлуатації та організації ТО і ремонту різко знижується. При цьому відмова, якої вдалося запобігти завдяки своєчасного виконання ремонту і регулювань, сприймається як потенційно можлива подія і не вважається відмовою. Такий підхід призводить до невірного міркування про надійність машини, тому що не ураховуються потенційні відмови, на попередження яких витрачаються певні кошти.

Коли мова йде про відмову машини, то мають на увазі і потенційно можливі, а не тільки фактичні відмови. Це пов’язано з тим, що експлуатація машини з потенціальними відмовами, може призвести до тяжких економічних і інших наслідків, тому що відмови можуть бути самими різноманітними — від незначних до катастрофічних. Наслідки таких відмов пов’яжемо з такими факторами, як: час, необхідний для усунення відмови, можливість, тривалість, вартість ремонту, вплив даної відмови на ймовірність виникнення інших, більш небезпечних відмов тощо. Тому всі особливості відмови і її наслідки достатньо характеризувати допустимою ймовірністю безвідмовної роботи, яка акумулює в собі і чисельно оцінює небезпеку наслідків відмови.

Ретельне виявлення та аналіз усіх видів відмов (мова про які піде нижче) — є передумовою для успішного вирішення задач, що пов’язані з забезпеченням працездатності машин.

Для розв’язання цих задач необхідно мати модель формування відмов, тобто уявити схему з функціональними та стохастичними зв’язками, яка дозволила б оцінити ймовірність виникнення відмови.