Методы обеспечения надежности изделий машиностроения

заданным требованиям; рекомендации по совершенствованию конструкции отдельных узлов, механизмов, по введению более надежных элементов, уменьшению нагрузок на отдельные эле­ менты и узлы, а также по введению резервирования и другие предложения;

приложение — конкретный пример расчета проектной надеж­ ности изделия по разработанной методике.

В функцию службы надежности по анализу конструкции вхо­ дит также составление расчета ресурсной наработки изделия в процессе эксплуатации. Для этого на основании анализа функ­ циональной и принципиальной схем работы изделия составляют расчет ресурсной наработки деталей, узлов и систем, входящих в состав изделия. Приводят расчетные формулы ресурсной нара­ ботки в часах, километрах, циклах. Выдают рекомендации по доведению ресурса отдельных элементов, узлов, механизмов до заданного ресурса на изделие в целом.

На этапе разработки конструкторской документации служ­ бой надежности проводится выбор номенклатуры и расчет коли­ чественного состава запасных инструментов и принадлежностей (элементов, узлов и т. п.). Наличие оптимального состава ЗИПа обеспечивает поддержание надежности изделия в процессе экс­ плуатации на заданном уровне.

Анализ и прогнозирование надежности является одним из источников описания проекта на ранней стадии проектирования, он выполняет ценную вспомогательную функцию связи и коорди­ нации между элементами проекта. Анализ с изложением мате­ риалов прогнозирования надежности, заложенной в технической конструкторской документации (чертежах, технических усло­ виях, методиках), дает необходимые данные для суждения о кон­ струкции. Почти любая конструкторская идея может быть вопло­ щена в надежную конструкцию при условии достаточных затрат материальных средств и времени, однако для различных конст­ руктивных вариантов степень трудности, с которой может быть обеспечена надежность, различна. Ее можно выявить на основе анализа конструкции. Правильно проведенный анализ конструк­ ции может обеспечить выполнение работ без дефектов с задан­ ной надежностью.

Итак, анализ надежности конструкции представляет собой

аналитический метод оценки илй предсказание внутренне при­ сущей конструкции надежности. Анализ надежности конструкции следует проводить для каждого варианта, а также после внесения значительных конструктивных изменений. При обнаружении существенных конструктивных недостатков по требованию служ­ бы надежности необходимо провести корректирование докумен­ тации.

71

3.6. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПРОЕКТНОЙ НАДЕЖНОСТИ ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Целью расчета является теоретическое определение

количественных показателей надежности (ГОСТ 27.002—89), заданных в техническом задании в виде вероятности безотказ­ ной работы Р(т), коэффициента готовности Кг>средней наработки на отказ Г0, среднего времени восстановления Тв и других по­ казателей. Техническая система должна выполнять возложен­ ные на нее функции при заданных: режимах и условиях приме­ нения, техническом обслуживании, ремонте, хранении и транспор­ тировании на требуемом уровне за заданный промежуток вре­ мени, установленный в техническом задании или определенный техническими требованиями.

Под отказом понимают событие, заключающееся в наруше­ нии работоспособного состояния технической системы.

Вероятность безотказной работы есть вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ системы не возникает.

Средняя наработка на отказ выражается отношением нара­ ботки восстанавливаемой технической системы к математическо­ му ожиданию числа отказов ее в течение этой наработки.

Среднее время восстановления выражается отношением сум­ марного времени восстановления технической системы за опреде­ ленный период к математическому ожиданию числа ее отказов за этот период.

Под коэффициентом готовности понимается вероятность то­ го, что техническая система окажется в работоспособном со­ стоянии в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых применение технической системы по назначению не предусматривается.

Проектный расчет надежности технической системы прово­ дится по материалам эскизного проектирования либо по материа­ лам технорабочего проекта. На те элементы, узлы и механизмы, которые имеют статистические данные изделий-аналогов, получен­

среднего времени восстановления и другие показатели.

На основе анализа работы технической системы, ее функцио­ нальной схемы и назначения составляется структурная схема надежности (ССН). При этом структурная схема (рис. 3.1) пред­ ставляет собой последовательно или параллельно соединенные прямоугольники, каждый из которых обозначает законченный узел, механизм, пульт, блок и т. п.

В зависимости от ответственности выполняемой системой задачи структурные схемы имеют последовательное, параллель­ ное и смешанное соединение элементов, механизмов, узлов, пуль­ тов, блоков и т. п. В свою очередь, каждый узел, механизм, пульт,

72

г~: z x z

Рис. 3.1. Принципиальная структурная схема надежности тех­ нической системы

Условные обозначения: ПС — последовательное соединение; ПкР — поканальное резервирование; ПэР — поэлементное ре­ зервирование

блок состоит из большого числа (от нескольких десятков до не­ скольких тысяч) элементов. Особо это касается электронной аппаратуры, когда внутри блоков, пультов также предусматри­ вается последовательное, параллельное и смешанное соедине­ ние элементов. Сложные технические системы, как правило, насчитывают несколько тысяч элементов.

Расчет надежности основывается на использовании Я-харак- теристик и принятом допущении о постоянстве их в течение га­ рантийного срока эксплуатации. Такое допущение позволяет применять при расчете экспоненциальное распределение, функ­ ция надежности которого выражается зависимостью вида

изделия; е = 2,71828 — основание натурального логарифма.

При расчете проектной надежности сложной технической системы принимаются следующие предпосылки и допущения:

1. ССН составляют, исходя из функционального назначения определенной группы узлов, механизмов, выполняющих постав­ ленную задачу в соответствии с циклограммой работы. На­ пример, лесовалочная машина по своему назначению выполняет работы по срезу дерева, его укладки на себя и перевозки к опре­ деленному месту. В этом случае ССН составляется как бы на три вида работ. При этом в каждом виде работ задействованы определенные узлы и механизмы, которые участвуют в работе соответствующее время. Таким образом, ССН лесовалочной ма­ шины в соответствии с циклограммой работ может быть пред­

ставлена, как показано на рис. 3.2.

2. В связи с тем, что каждое предприятие имеет свои инди­ видуальные особенности в технологии изготовления, культуре производства, квалификации кадров, методах контроля и т. п.,

73

Рис. 3.2. Структурная схема надеж­ ности лесовалочной машины:

1, 2 и 3 — механизмы, участвующие соответственно в срезе дерева, укладке на машину и перевозке деревьев к заданному месту

в проектных расчетах надежности следует использовать ^-харак­ теристики только по элементам-аналогам данного предприятия. Это связано с тем, что каждое предприятие имеет большую пре­ емственность в использовании существующей оснастки, стендо­ вого оборудования, специальной оснастки для изготовления ана­ логичных деталей, узлов, механизмов.

3. Если в процессе Испытаний или эксплуатации отказов по элементам структурной схемы надежности не наблюдалось, то в первом приближении вероятность безотказной работы этих элементов можно принять равной единице. Например, при испы­ таниях трех элементов лесовалочной машины в объеме гарантий­ ного ресурса узлы и механизмы элемента 2 ССН отказов не имели, т. е. P2{t)= \. Тогда вероятность безотказной работы лесовалоч­ ной машины будет определяться произведением вероятностей вида

Яз(0 — вероятность безотказной работы элемента 3 ССН. Аналогично для определения вероятности безотказной рабо­

ты любой детали, узла, механизма внутри элемента ССН следует использовать только ^-характеристики отказавших деталей, узлов, механизмов; неотказавшие детали, узлы, механизмы при расчете вероятности безотказной работы не учитываются.

4. Проектный расчет надежности технической системы це­ лесообразно проводить в два этапа:

первый этап — по результатам статистических данных на­ работок на отказ, полученных в процессе всех видов испытаний образцов-аналогов;

второй этап — по результатам статистических данных нара­ боток на отказ, полученных в процессе эксплуатации образцованалогов.

Следует иметь в виду, что проектный расчет значений по­ казателей надежности является дополнительным материалом для объективной оценки надежности изделия на стадии разработки. Определяющую роль в обеспечении надежности изделия заклады­ вает конструктор, используя интуицию, существующие методы конструирования и богатый опыт конструкторских разработок.

74

Чем квалифицированней кадры, тем надежность разработанного узла выше, так как в нем исключены все ранее сделанные ошибки. Таким образом, основная задача создания надежной технической системы состоит в сохранении квалифицированных кадров на предприятии на длительный период и передачи их опыта следующему поколению.

Проектный расчет надежности изделий рассматривается как необходимый дополнительный материал для проведения сравни­ тельного анализа разработчиком и выработки им совместно со службой надежности рекомендаций по повышению надежности.

Рассмотрим более подробно методику проектного расчета надежности для следующих количественных показателей на­ дежности: Я(/), ор^ (среднее квадратическое отклонение веро­ ятности безотказной работы), /Сг, ок (среднее квадратическое

отклонение коэффициента готовности), Г0, Тв.

В случае отсутствия статистических данных по результатам испытаний или эксплуатации для расчета вероятности безотказ­ ной работы используются справочные данные по интенсив­ ностям отказов. Расчетная формула выглядит следующим образом:

XiTp — интенсивность отказов /-го элемента во время транспорти­ рования; /ф — время работы /-го элемента; /,хр — время хранения /-го элемента; //тр — время транспортирования /-го элемента; п — число элементов, входящих в структурную схему надежности.

Интенсивность отказов работающего в нормальных условиях элемента, узла, механизма выбирается из справочной литерату­ ры. Для случая работы элемента в утяжеленных условиях ис­ пользуется формула пересчета вида

с техническим заданием, например, температура окружающей среды ± 50 °С, влажность воздуха 90 %.

Для механических элементов коэффициент нагрузки прини­ мается равным единице; Х01 выбирается по справочным данным; а, — по справочным данным расчетным путем или по графикам.

75

При отсутствии данных о надежности элементов для перио­ дов работы в фактических условиях хранения и транспорти­ рования принимаются следующие соотношения интенсивностей отказов:

^хР=Ю 3А,р; А,хртр= 1,5Яхр;

Как правило, формула (3.3) используется для определения вероятности безотказной работы элемента структурной схемы надежности системы. Вероятность безотказной работы сложной технической системы, состоящей из нескольких элементов, оп­ ределится как произведение вероятностей по формуле

где P{t) — вероятность безотказной работы за время t /-го элемента структурной схемы надежности; N \ — число элементов структурной схемы надежности, участвующих в выполнении ра­ боты.

При наличии статистических данных по результатам испы­ таний или эксплуатации аналогичных элементов вероятность безотказной работы определяется по формуле

76

При отсутствии статистических данных среднее квадрати­ ческое отклонение принимается равным интенсивности отказов:

ар«)=Ь-

Расчет коэффициента готовности проводится по выражению вида

нического обслуживания); T3KQn— время эксплуатации до прове­ дения регламента.

среднее значение наработки на отказ /-го элемента. Коэффициент готовности системы можно определять также

по формуле

77

где £/в — суммарное время восстановления системы за период эксплуатации.

Среднее квадратическое отклонение коэффициента готовности в первом приближении принимается равным среднему квадра­ тическому отклонению коэффициента ремонта;

°кг ~ ~ (3.20)

Для проведения расчета необходимы следующие исходные данные: время эксплуатации ГЭКСп, продолжительность работы системы t для определения вероятности безотказной работы, продолжительность проведения регламента Грегл, периодичность проведения регламента, количественные показатели надежности:

F>{t\ d%l)9 < , Го.

Рассчитаем проектную надежность сложной технической сис­ темы.

1. Составим структурные схемы надежности для каждого заданного показателя P(t) и Кг в отдельности. Структурные схемы представляют собой соединенные в различной комбинации (последовательно, параллельно, по смешанной схеме, а также соединение элементов электроавтоматики по схеме «два из трех» и др.) прямоугольники, каждый из которых условно принят за некоторый элемент, узел, блок и т. д.

2. Для каждой структурной схемы надежности (ССН) состав­ ляем таблицу по определенной форме (табл. 3.1).

На основании исходных данных, приведенных в табл. 3.1, проводится расчет показателей надежности составляющих эле­ ментов структурной схемы надежности по соответствующим формулам, изложенным выше.

78

Далее оценка надежности технической системы для вероят­ ности безотказной работы за некоторое заданное время t оп­ ределится как произведение вероятностей составляющих эле­ ментов ССН [1]

В случае экспоненциального закона надежности apt = Xi.

Оценку надежности технической системы по коэффициенту готовности определяют исходя из расчетных значений показате­ лей надежности элементов структурной схемы надежности этого показателя:

Пример 3.1. Оценить проектную надежность крана, смонти­ рованного на серийно изготавливаемом шасси МАЗ-543, по ре­ зультатам технического проектирования с использованием стати­ стических данных эксплуатации серийно изготавливаемых уз­ лов. На кран заданы следующие значения показателей на­

шасси на передвижение до места работы и обратно. Коэффи­ циент готовности определяется периодичностью проведения

роятность безотказной работы для каждого элемента ССН, при­ нимая во внимание экспоненциальный закон распределения.

79

Ш Ш -П Ш Н З

Рис. 3.3. Структурная схема надежности для определения вероятностности безот­ казной работы P(t) и коэффициента на­

дежности /Сг:

1—5 — элементы, последовательно соеди­ ненные в схеме

1. Четырехосное колесное шасси МАЗ-543:

сивности отказов в процессе работы и хранения, получим

V = TР|- = w = ° - 0025= 2-5-10" 3 ч" ' :

К , = Ю-3ХР| = 2 ,5 -10-6 ч - 1;

80