5.4. Специфіка випробування на надійність складських систем і обладнання
Випробування на надійність складних систем, в тому числі автомобілів машин і механізмів, є складною і ще неповністю розв'язаною задачею. Складність таких випробувань полягає в тому, що робота цих машин характеризується дуже широким діапазоном умов, в яких вони можуть працювати і різноманітністю виконуючих функцій. Причому, всі ці фактори мають імовірнісний характер, а тому для оцінки їх працездатності використовують імовірнісні характеристики. При випробуваннях машин на надійність оцінюють працездатність нової машини, а також показники, які характеризують зміну параметрів машин в процесі експлуатації, що дає можливість роботи ймовірнісний аналіз цих явищ. Фактор часу, ймовірнісний характер умов і режимів в експлуатації і відповідність правдивості статистичних даних, які дозволяють зробити висновки про поведінку всієїгенеральної сукупності виробів при експлуатації, примушують шукати інші шляхи оцінки їх надійності.
Основні принципи, які повинні бути покладені в основу методик випробування на надійність, наприклад, машини при обмеженому числі об'єктів і обмеженому часі випробування, такі:
випробування повинно сполучатися з прогнозуванням/і розрахунком надійності;
при оцінці надійності повинна бути використана різноманітна інформація, як зі сфери експлуатації і ремонту, так і результати випробування на надійність окремих елементів машин;
випробування на надійність може бути базою для здійснення моделювання поведінки машини в умовах експлуатації;
при випробуванні , машининеобхідно аналізувати і можливі значення існування параметрів, а не тільки границі цієї області, які визначають ступінь віддалення виробу від граничного стану.
В ряді випадків можливо отримати лише показники надійності або порівнювальні оцінки.
При випробуванні повинні оцінюватись імовірнісні виникнення параметричних відмов або запас надійності кожного з вихідним параметрів і виявляти недопустимі відмови, як наслідок помилок! розрахунку і конструювання виробу або недостатньої надійності} технологічного процесу його виготовлення.
В процесі випробування машин для оцінки їх вихідних параметрів і перевірки правильності функціонування, а також при експлуатаційному випробуванні дослідних зразків, як правило, виникають різноманітні відмови, які є випадковими подіями і утворюють потік відмов. Оцінка параметра цього потоку і статистична обробка отриманих даних дають певну інформацію про надійність виробу і в ряді випадків розглядаються як основне І випробування на надійність машин. Параметр потоку відмов зазвичай характеризується класичною схемою, коли в перший період роботи мають місце так звані припрацювальні відмови, а потіш значення параметру потоку відмов стабілізуються. В цьому випадку! закон розподілення відмов — експоненціальний, а для характеристики надійності визначається середній термін служби або напрацювання на відмову. Для аналізу відмов їх зазвичай розбивають на категорії за системами або вузлами машини або за наслідками, до яких приводить відмова.
Відмови, для яких напрацювання значно нижче ресурсу виробу, можуть відноситись до наступних категорій:
• недопустимі відмови, які виникли в результаті конструктивних помилок, непередбачені умови експлуатації або недостатня надійність технологічного процесу виготовлення і збирання даного виробу;
• відмови, які виникли в результаті взаємодії елементів машини, коли окремі зв'язки не були виявлені при випробуванні або під час розрахунку окремих вузлів і механізмів системи (наприклад, вплив температури робочої рідини на зношення деталей гідросистеми);
відмови, наслідки яких легко усуваються і відновлення працездатності може бути здійснено в процесі експлуатації виробу (наприклад, заміна будь-якої деталі, що легко знімається);
відмови, які не повинні мати місце при роботі виробу до чергового ремонту або протягом встановленого ресурсу, або виникнення яких допускається регламентованими значеннями ймовірності безвідмовної роботи Р(t)=0,9.
Відмови першої і другої категорії характерні для періоду освоєння нових машин і механізмів. Вони мають тимчасовий характер і повинні бути зведені до мінімуму або ліквідовані. їх відсутність є показником досконалості етапів проектування і виробництва і, навпаки, наявність відмов цієї категорії свідчить про помилки на стадії проектування і недосконалості технології виробництва або ремонту (для машин, що досліджуються після ремонту).
Відмови третьої категорії допустимі за умовами експлуатації і не визначають надійність машин.
Відмови четвертої категорії складають малу частку серед всіх видів відмов, оскільки вимоги до безвідмовної роботи сучасних машин, як правило, достатньо високі. Якщо їх рівень перевищує регламентне значення, то вони повинні бути віднесені до першої категорії.
Таким чином, основне число відмов пов'язане з недостатньою досконалістю виробу з позиції надійності і відображає період його опанування. Наявність цих відмов є сигналом по визначенню причин їх виникнення і підставою для розробки заходів по їх усуненню.
Але на основі причини втрат виробом працездатності через повільно протікаючі процеси старіння залишились (при короткочасних випробуваннях) не відображеними, а показники надійності машини невідомими. Тому випробування по оцінці параметрів потоку відмов протягом обмеженого часу спостереження випробування є необхідним, але далеко недостатнім етапом по визначенню надійності машин.
Головною проблемою по випробуванню надійності машин є оцінка зміни їх вихідних параметрів за період тривалої експлуатації.
Змінювання вихідних параметрів машини при їх роботі або випробуванні є тривалим процесом, але певна інформація про надійність може бути отримана вже на стадії контрольних випробувань. При цих випробуваннях можна визначити запас надійності за кожним з вихідних параметрів, який хоч і не оцінює час витраченого даного запасу, але дозволяє мати думку про ступінь віддаленості даного виробу від граничного стану.
Таким чином, визначення за випробуваннями машини запасе надійності за вихідними параметрами і аналіз потоку відмовперший період роботи машин, не дає можливості оцінити показники надійності (ресурс, імовірність безвідмовної роботи тощо). Основна трудомісткість полягає не в створенні необхідних умов для випробування і реєстрації параметрів, а в факторі часу. Реальна ситуація при випробуванні БДМ полягає в тому, що нема ні достатнього часу, ні достатнього числа машин для отримання таких вихідних даних, які дозволили б з необхідною достовірністю визначити показники надійності.
Працездатність кожного виробу визначається вихідними параметрами. Ці параметри змінюються при експлуатації машин під впливом процесів старіння і руйнування, причому для кожного з параметрів технічними умовами встановлено граничний стан, досягнення якого означає відмову машини.
Закон розподілення напрацювання на відмову (Тв) для кожного з параметрів є об'єктивно існуючою, але невідомою функцією, знаходження якої дозволяє визначити будь-які показники надійності. Але традиційні методи визначення законів розподілення за статистичними даними мають недоліки, тому що отриманий статистичного ряду значень як при послідовному випробуванні декількох машин, так і при одночасному випробуванні їх великого числа неможливе через тривалість випробувань і великі витра4 ти на їх проведення. Тому доцільніше випробування сполучати в прогнозуванням.
Тривалість випробування при цьому залежить від характеру протікання процесу змінювання вихідного параметру Х(t) та чутливості (точності) тих методів, за допомогою. яких знімались показання. Чим точніше застосований метод вимірювання, тим скоріше можна оцінити швидкість процесуV(t). При цьому перевіряється не тільки швидкість зміни вихідного параметру, але і швидкість зношування окремих спостережень.
Звичайно будь-яка модель для прогнозування процесу зміни параметру повинна бути обґрунтована, а в ряді випадків і експериментально апробована. Необхідно також вияснити, чи впливає зношення на швидкість протікання V(t), тобто чи існує зворотній зв'язок між ними, і ряд інших питань.
При великій трудомісткості випробувань інформацію про втрату працездатності, яка вже отримана на першій стадії випробувань, потрібно використати для побудови формалізованої моделі відмови машини. На цій основі можна здійснювати моделювання, наприклад, з застосуванням методів статистичних випробувань. Моделювання дозволяє за допомогою ЕОМ отримати оцінку надійності за порівняно короткий термін з урахуванням різноманітних режимів і умов роботи машини.
Моделювання складних процесів представляє собою самостійну галузь, яка має велику перспективу для оцінки надійності машин. Модель повинна відображати реальні фізичні процеси, які відбуваються у виробі при його експлуатації, імітувати їх розвиток. Для побудови моделі необхідно мати достовірну інформацію про випробування або дослідження властивостей об'єкта і його частин з наступним уточненням її виду та самих наслідків моделювання. При моделюванні застосовують математичні, фізичні, комбіновані і інші моделі. Математична модель встановлює залежність між входом системи (режими, умови експлуатації, зовнішнє середовище діяння) і її виходом (параметри, які характеризують працездатність машини). В цьому випадку фізична модель виключаються зі сфери дослідження і служить лише джерелом інформації для визначення параметрів моделі і уточнення її виду, а саме моделювання здійснюється на ЕОМ.
Для моделювання експлуатаційної надійності необхідно знайти залежність, яка описує швидкість зміни вихідного параметру в функції процесів старіння, тобто оцінити зміну вихідних параметрів у часі. Але ця задача відрізняється великою складністю і може бути вирішена лише на підставі закономірностей процесів пошкоджування та їх впливу на вихідні параметри виробу.
Тому в багатьох випадках немає необхідності виявляти всю ділянку існування параметрів і її зміни у часі. При цьому необхідно в першу чергу оцінити ті екстремальні умови експлуатації, а також стан машини, при яких є найбільша ймовірність досягнення вихідними параметрами граничних значень. Випробування/за впливом границі області станів отримали назву випробування/за експлуатаційним рівнем.
Випробування за експлуатаційним рівнем повинні вестисьдля параметрів, що знаходяться в допустимих границях, але за таких умов і режимів роботи машин, коли виникає найбільша швидкість зміни вихідного параметру. Тому, з однієї сторони, форсування навантажень не буде, а з другої — створюються умови для витрат працездатності в найбільш короткий час.
Перший етап випробування машини полягає в визначенні запасу надійності за вибраним параметром. Подальше випробування повинно виявити процес зміни вихідних параметрів. При установленому процесі (після припрацювання) особливо при лінійній зміні параметру в часі можливо прогнозування процесу втрати працездатності, що значно скорочує період випробування.
Отриманий при цьому випробуванні ресурс, що розраховується на більш тяжкі умови роботи машини, буде мінімальним. Оцінка середнього ресурсу може бути проведена шляхом розрахунку і при деяких додаткових дослідженнях. Але головний показник, який дає гарантію успішної експлуатації машини в будь-яких умовах — це мінімально допустимий ресурс, отриманий при випробуванні за методом експериментального дослідження.
Розділ другий
ВПЛИВ РЕЖИМУ РОБОТИ І ЕКСПЛУАТАЦІЙНИХ ФАКТОРІВ НА ЕКСПЛУАТАЦІЙНУ НАДІЙНІСТЬ МАШИН
Тема 6
ВПЛИВ РЕЖИМУ РОБОТИ І ЕКСПЛУАТАЦІЙНИХ ФАКТОРІВ НА БЕЗВІДМОВНІСТЬ І ДОВГОВІЧНІСТЬ ДВИГУНІВ
6.1. Вплив експлуатаційних факторів на зношування машин в цілому
В процесі роботи машини в цілому з погіршенням її стану поступово змінюються умови зношування, динамічний режим навантаження, характер взаємодії деталей у вузлах тертя, показники експлуатаційних властивостей мастильних матеріалів і робочих рідин і, як наслідок, фізико-механічні параметри матеріалів деталей (про що говорилося вище) і експлуатаційні параметри систем і механізмів машини в цілому. Але вплив умов експлуатації на безвідмовність і довговічність БДМ в цілому вивчено ще недостатньо.
Встановлено, що на зміну технічного стану землерийних машин в цілому, наприклад, впливають такі фактори, як: режим роботи машини, категорія розроблюваного ґрунту, вік машини (в годинах роботи), напрацювання після поточного і капітального ремонтів, періодичність технічного обслуговування тощо.
Навантажувальний режим характеризується діапазоном змін навантаження Р і швидкості або частоти обертання колінчастого валу відносно їх середнього значення. Чим більші ці значення, тим більші динамічні навантаження на деталі, що труться, отже інтенсивніше їх зношення.
Зміна навантажувального режиму впливає на питому вартість запасних частин і зміну технічного стану машини в цілому.
При роботі екскаватора в крановому режимі питомі витрати на запасні частини (грн./год) в 2,5...4,3 рази менші ніж в екскаваторному. В екскаваторному режимі при роботі на ґрунтах IV категорії ці витрати в 1,6 рази більші, ніж на ґрунтах І категорії (рис. 6.1).
Витрати запасних частин екскаваторів і бульдозерів у грошовому виразі в залежності від витрат машиноресурсів (за С.К.Полянським) приведені на рис. 6.2. Як видно з рисунку, зміна витрат
Рис. 6.1. Залежність питомої витрати запасних частин екскаваторів від категорії розроблюваного ґрунту і змінного робочого обладнання
запасних частин досліджених типів машин носить однаковий характер. Це дозволяє встановити певну закономірність витрат запасних частин, а знання законів фізичного зношування машин дозволяє описати фізичну картину явищ, які проходять на різних етапах їх експлуатації.
Витрати запасних частин при експлуатації екскаваторів у залежності від віку машин спочатку інтенсивно зростають, потім стабілізуються і, нарешті, знову збільшуються (рис. 6.2, а).
Інтенсивні витрати запасних частин в початковий період роботи нових машин пояснюються припрацюванням спряжених деталей і порівняно високою інтенсивністю відмов за рахунок технологічних дефектів. Після заміни деталей, які відмовили в першому періоді експлуатації машини, інтенсивність відмов, а також і витрати запасних частин поступово скорочуються. Наступає другий (основний) і найбільш тривалий період— період стійкої роботи машини. Але витрати запасних частин і на цій ділянці безперервно збільшуються, хоча інтенсивність витрат, у порівнянні з першим періодом експлуатації машини, помітно знижується.
Далі спостерігається третій період експлуатації машини, який характеризується новим наростанням витрат запасних частин, але тепер скоріше, за рахунок зносових відмов. Третій період характеризується інтенсивними витратами запасних частин і закінчується або капітальним ремонтом, або списанням машини.Описана закономірність витрат запасних частин притаманна тільки машинам, які ремонтуються індивідуальним методом. У машин, які ремонтуються знеособленим методом (наприклад, бульдозери) інтенсивне зростання витрат запасних частин перед….