Комплексные показатели надежности

Лекция 2

ВЛИЯНИЕ НАДЕЖНОСТИ МАШИН НА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ

ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТЬ МАШИН

Долговечность машин определяют ресурсы конструктивных элементов, прежде всего базовых и основных, а затем и всех остальных деталей. При эксплуатации изменяются их размеры и геометрические характеристики, структура, свойства и напряженное состояние. Эти изменения могут иметь или монотонный, или скачкообразный характер, что в значительной мере зависит от рода трения, условий нагружения, наличия и состава среды, вида смазки и свойств материала.

Основной причиной изменения геометрических размеров деталей и физико-механических свойств их материалов, вызывающих отказы и неисправности, является изнашивание. Характер изнашивания элементов машин зависит от многочисленных факторов. Эта зависимость в аналитической форме может быть представлена в виде условного функционального выражения

И = φ (Э, К, Г, О).

В этом выражении символ Э объединяет группу эксплуатационных факторов, влияющих на процесс изнашивания, основными из которых являются характер производимых работ, режимы использования механизма, виды и периодичность технических воздействий, климатические условия работы механизма, соответствие применяемых смазочных материалов конструкции сборочных единиц, а для двигателей, кроме того, соответствие используемых топлив.

Символ К объединяет конструктивные факторы, в число которых входят вид трения (скольжения, качения, качения с проскальзыванием), макрогеометрия поверхностей трения, кинематические факторы, динамические характеристики работы механизма, физико-механические свойства деталей сопряженных пар.

Символ Т обозначает технологические факторы, к которым относят вид материалов деталей сопряжения, способ обработки, показатели микро-геометрии поверхности трения, твердость и износостойкость.

К факторам, учитывающим субъективные особенности оператора, которые объединяются символом О, относят уровень профессиональной подготовки (квалификацию), антропометрические и физические данные, утомляемость, быстроту реакции и пр. Эти факторы сказываются на характере изнашивания через режим работы механизма, в частности, от индивидуальных особенностей и. квалификации оператора зависят усилия в механизмах управления механических передач, частота и продолжительность включения механизмов.

Кроме изнашивания, существенное влияние на долговечность машин оказывают коррозия и старение материалов. Скорость образования коррозии снижается применением антикоррозионных покрытий и поддерживанием их в требуемом состоянии.

Существенно увеличивает долговечность машин эксплуатация их при оптимальных режимах нагружения, высоком качестве управления, технического обслуживания и ремонта.

ИЗНАШИВАНИЕ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Изнашивание – это процесс постепенного изменения размеров элементов конструкции машин при трении, проявляющийся в отделении с поверхности трения материала и его остаточной деформации. Износ – результат изнашивания, оцениваемый непосредственно по изменению геометрических размеров (линейный износ) или массы детали (весовой износ), или по косвенным признакам.

Важнейшими количественными характеристиками процесса изнашивания являются скорость v_и и интенсивность I _и изнашивания. Под скоростью изнашивания понимают отношение износако времени, в течение которого возник этот износ:

где И – величина износа;

t – время за которое произошел износ.

Интенсивность изнашивания определяется как отношение износа к обусловленному пути, на котором происходило изнашивание, или к объему выполненной работы:

или

где L – путь на котором происходило изнашивание;

V – объем выполненной работы.

Существует три теории износа (рис. 2.3) механическое, как результат механических воздействий; молекулярно-механическое, как результат одновременного механического воздействия и воздействия молекулярных или атомарных сил; коррозионно-механическое, как результат трения материала, вступившего в химическое взаимодействие со средой.

Существует несколько разновидностей механического изнашивания:

n абразивное, как результат режущего или царапающего действия твердых тел или частиц;

n гидроабразивное, как результат воздействия твердых тел или частиц, увлекаемых потоком жидкости;

n газо-абразивное, как результат воздействия твердых тел или частиц, увлекаемых потоком газа;

n эрозионное, как результат воздействия на поверхность потока жидкости или газа;

n усталостное, как результат повторного деформирования микрообъемов материала, приводящего к возникновению трещин, и отделению частиц на поверхности трения или на ее отдельных участках;

n кавитационное, как результат воздействия на поверхность твердого тела при движении его в жидкости в условиях кавитации, т. е. в условиях нарушения сплошности течения;- жидкости и образования кавитационных пузырей.

Рис.2.3.Классификация видов изнашивания

Разновидностью молекулярно-механического изнашивания является изнашивание при заедании, как результат схватывания, глубинного вырывания материала, переноса его с одной поверхности на другую и воздействия возникших неровностей на сопряженную поверхность.

К коррозионно-механическому изнашиванию относят окислительное изнашивание и при фретинг-коррозии.

Окислительное изнашивание возникает при наличии на поверхности трения защитных пленок, образовавшихся в результате взаимодействия материала с кислородом.

Изнашивание при фретинг-коррозии, возникает при малых колебательных перемещениях (контактная коррозия), может быть при сухом трении и в условиях смазки, возникает в самых различных узлах и деталях..

Конечный результат изнашивания, проявляющийся в виде отделения или остаточной деформации материала, называют износом, а частицы материала, отделившиеся в процессе изнашивания - продуктами износа.

Свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях трения, оцениваемое величиной, обратной скорости изнашивания, называют износостойкостью.

Основой приведенной классификации видов изнашивания является положение о ведущих и сопутствующих видах разрушения. Сущность этого положения заключается в том, что любая деталь или сопряжение деталей имеют четко выраженный вид износа, определяющий долговечность и могут иметь сопутствующие виды разрушения поверхностей, мало влияющие на работу сопряжения. Например, рабочие органы СДМ (абразивный и усталостный); золотники гидрораспределителей (окислительный, гидроабразивный, кавитационный).

Классификация позволяет ставить вопрос об эффективном управлении процесса изнашивания и устранения повреждаемости в машинах.

Как показывает опыт, введение конструктивных и эксплуатационных мероприятий для большого числа типов узлов и деталей практически можно исключить все виды износа за исключением окислительного и абразивного рабочих органов. Причем скорость изнашивания может быть сведена до определенного минимума.

 

 

Лекция 3

Лекция 4

Эксплуатационные материалы.

4.1. Общие свойства топлив, и их влияние на работу ДВС и требования к ним

Для современных дорожных и строительных машин оснащенных гидроприводом и вновь создаваемых машин большой единичной мощности и производительности с форсированными ДВС требуется в большом количестве топлив, моторных, гидравлических и трансмиссионных масел, пластических смазок высокого качества. Основным источником получения этих продуктов является нефть, добыча которой в требуемом количестве с каждым годом усложняется. В связи с этим проблема рационального и эффективного использования ТСМ на современном этапе является одной из актуальных.

Важным звеном в решении этой проблемы является экономичное использование ТСМ при эксплуатации СДМ.

В связи с повышением роли и значения ТСМ в экономике привело к появлению на стыке ряда научных дисциплин новой прикладной отрасли науки, получившей название «химмотологии» от слов химия, мотор и логия (наука).

Химмотология – наука об эксплуатационных свойствах, качестве и рациональном применении в технике топлив, смазок и специальных жидкостей.

Химмотологию сегодня рассматривают как составную часть взаимосвязанной единой четырехзвенной системы: топливо – смазочные материалы – строительная техника – эксплуатация.

Рис. 4.1

Среди важнейших на современном этапе задач химмотологии отмечают следующие:

– обоснование оптимальных требований к качеству ТСМ;

– усовершенствование технических характеристик двигателей и машин, повышающих надёжность, долговечность и экономичность их работы в условиях применения ТСМ, которые удовлетворяют установленным оптимальным требованиям;

– создание новых сортов ТСМ и разработка основ их унификации;

– выявление оптимальных условий, обеспечивающих сохранность, снижение потерь и восстановление качеств ТСМ при хранении, транспортировании, заправке и применении;

– создание внедрение квалификационных методов и их комплексов для оценки эксплуатационных свойств ТСМ и другие.

В процессе работы и хранения машины и её сборочные единицы находятся в постоянном взаимодействии с эксплуатационными материалами: топливом, смазочными материалами, гидравлической и охлаждаемой жидкостью и другими. В зависимости от свойств этих материалов и условий их применения характер этого взаимодействия изменяется в широких пределах. При этом ускоряется или замедляется изнашивание и эрозия деталей, изменяются расход эксплуатационных материалов и производительность машин.

Применение эксплуатационных материалов должны соответствовать конструктивным и технологическим особенностям машины, её техническому состоянию, сезонности и условиям эксплуатации.

Топлива, применяемые для различных типов двигателей внутреннего сгорания, по назначению делятся на авиационные и автомобильные бензины, дизельные и реактивные топлива.

К качеству каждого сорта топлива предъявляются свои специфические требования.

В общем виде требования, предъявляемые к качеству всех сортов топлива, формулируются следующим образом:

– топлива должны обладать высокими эксплуатационными свойствами, обеспечивающими надежную и экономичную работу двигателя (не вызывать детонацию, нагарообразование, лакообразование, коррозию, обладать пусковыми свойствами и другими)

– топливо не должно вызывать особых затруднений при хранении, транспортировании, перекачке и заправке в баки машин;

– топливо не должно быть токсичным и не должно вызывать опасности загрязнения окружающей среды.

Среди многочисленных свойств, на которых базируется оценка качества, важнейшими являются свойства, проявляющиеся при эксплуатации машин, то есть в условиях сложного взаимодействия физико-химических процессов и явлений. Отсюда все свойства ТСМ принято условно делить на

· физико-химические (плотность, вязкость, теплота сгорания, испаряемость и другие),

· эксплуатационные (детонационные, нагарообразование, лакообразование, осадкообразование, коррозионные, пусковые и другие),

· экологические (токсичность, пожароопасность, взрывоопасность, влияние на окружающую среду).

Испаряемость – одно из важнейших свойств топлив, характеризующее способность его переходить из жидкого состояния в газообразное. В паспортах характеризующих качество топлив, испаряемость оценивают фракционным составом. Фракционный состав (содержание тех или иных фракций) бензина принято оценивать температурой начала перегонки (кипения), температурами, при которых выкипает 10, 50, 90% объёма и температурой конца перегонки, а также остатком в колбе после испарения жидких фракций.

 

Рис. 4.2. Фракционный состав топлив: 1, 2 – зимний и летний бензины; 3, 4 – зимнее и летнее дизельные топлива; 5 – авиационный бензин

 

Для дизельных топлив – температурой 50, 90% объёма и температурой конца перегонки, и остатком в колбе после испарения. В соответствии с этими температурами выделяют легкие фракции бензинов (до выкипания 10% топлива), рабочие фракции (от 10 до 90%) и хвостовую часть (от 90% до конца кипения). Эти данные приводят в стандартах и паспортах топлив.

Каждая из этих фракций определённым образом влияет на работу ДВС.

1. Лёгкие фракции бензинов называют пусковыми. Эти фракции необходимы для пуска и прогрева двигателя. Для нормального пуска холодного двигателя в теплое время года температура выкипания 10% топлива не должна превышать 70–90˚С. Зимние бензины выпускаются с пусковыми фракциями с температурой выкипания 55–65˚С. Это позволяет завести двигатели при температурах –20…–25˚С. Высокое количество пусковых фракций в топливе нежелательно. В этом случае в дизельных двигателях происходит более резкое (жёсткое) сгорание топлива. В топливопроводах могут образовываться газовые и паровые пробки, что приводит к нарушению нормальной работы двигателя (падает мощность, глохнет и его невозможно завести пока не остынет).

2. Рабочая фракция (основная часть). От этой фракции зависит характер работы двигателя, продолжительность прогрева, возможность перехода с одного режима на другой. Рабочая фракция нормируется температурой выкипания 50% объема топлива и чем эта температура ниже, тем однороднее состав и устойчивее работа двигателя. Желательно, чтобы эта часть кривой была как можно круче.

3. Тяжелая фракция (хвостовая часть) характеризуется температурами от выкипания 90% объема топлива до точки конца кипения. Чем меньше разница температур между этими точками, тем лучше качество топлива, выше экономичность двигателя и ниже износ двигателей. Эта фракция плохо испаряется, оставаясь в жидком состоянии, проникает в картер, смывает смазку, разжижают масло, что приводит к более интенсивному износу деталей и повышенному расходу топлива. Выхлопные газы становятся очень тёмными, увеличивается нагар в зоне цилиндропоршневой группы и закоксовываются распылители форсунок.

На испаряемость топлива оказывают влияние также его вязкость, плотность, и некоторые другие физические свойства.

Для бензинов нормируется давление насыщенных паров. Для летних сортов бензинов во избежание образования газовых пробок, оно должно быть меньше 500 мм. рт. с. Зимние бензины для облегчения пуска двигателя в холодное время имеют большее давление 500 – 700 мм. рт. с.

Температура вспышки, при которой пары нефтепродукта с воздухом образуют горючую смесь, вспыхивающая при поднесении открытого источника огня. Температура вспышки бензинов очень низка: их пары вспыхивают, если даже бензин вылить на снег.

Керосин и некоторые дизельные топлива также легко воспламеняются при положительных температурах соответственно 25-30˚С и свыше 35˚С.

Температура застывания (при которой жидкость теряет подвижность) у бензинов очень низкая ниже –40˚С. У дизельных топлив в зависимости от химического состава температура застывания составляет 5…0˚С и от –30 до –45˚С.

В стандартах и паспортах качества на бензины вязкость, температура вспышки и застывания не нормируется, а для дизельных топлив эти показатели ограничены.

Смоло – и нагарообразование в двигаткелях

В топливах в растворимом состоянии всегда содержатся смолистые и смолообразующие соединения. Смолы откладываются в топливных баках, трубопроводах, забивают жиклеры карбюраторных двигателей. Способствуют образованию нагара на горячих деталях соприкасаемых с топливом, на соплах форсунок дизелей, на клапанах и днище поршня, в камере сгорания, на поршневых кольцах.

В топливах различают фактические смолы (то есть находящиеся в топливе в момент их определения в растворенном состоянии) и смолообразующие вещества (потенциальные смолы). Стандартами нормируется содержание фактических смол в миллиграммах на 100 мл топлива.

Для бензинов – 7 … 15 мг/100мл;

Для дизельных топлив – 30 … 60 мг/100мл.

Если наличие смол в топливах превышает в 2…3 раза норму, то моторесурс карбюраторного двигателя снижается на 20…25%, а дизельного на 40%.

В стандартах на дизельное топливо кроме смол нормируется коксуемость и зольность повышенное содержание, которых приводит к образованию нагара.

По стандартам в бензинах и дизельных топливах наличие механических примесей не допускается.

Коррозионные свойства

Топливо вызывает коррозию металлов и в жидком, и в газообразном состоянии, когда образуется горючая смесь. На коррозию влияют и продукты сгорания. От углеводородов топлива металлы не коррозируют.

Коррозии подвергаются резервуары, цистерны, топливные баки, трубопроводы, детали топливоподающей аппаратуры.

В топливах могут быть следующие коррозионно-агрессивные соединения:

· водорастворимые (минеральные) кислоты и щелочи;

· активные сернистые соединения;

· вода;

· органические кислоты.

В топливах не допускается содержания водорастворимых кислот и щелочей, а также воды.

Сернистые соединения по коррозионной агрессивности подразделяются на активные и неактивные. Активные коррозируют при обычных температурах (это сера, сероводород и меркаптаны).

Неактивные сернистые соединения не коррозируют при обычных температурах, но в процессе сгорания образуют серный ангидрид и сернистый которые, растворяясь в воде (в продуктах сгорания топлива имеются пары воды) образуют серную и сернистую кислоты. Эти кислоты вызывают резкое возрастание износа деталей двигателя 1,5…2 раза.

Допустимые значения серы в топливах:

Для бензинов – 0,12 … 0,15 %;

Для дизельных топлив – до 0,5%, а в некоторых до 1%.

Органические соединения

Основу органических соединений кислого характера, которые содержатся в топливах, составляют нафтеновые кислоты и фенолы. Наиболее активны они по отношению к цветным металлам (свинец, цинк).

Содержание органических кислот в топливах характеризуют кислотностью. По ГОСТам её нормируют количеством щелочи (в миллиграммах), потребной для нейтрализации кислот содержащихся в 100мл топлива.

Допустимая кислотность составляет:

Для бензинов – до 3 мг/100мл;

Для дизельных топлив – до 5 мг/100мл.

Постоянное увеличение объемов переработки высокосернистой нефти приводит к поиску новых методов борьбы с сернистой и кислотной коррозией. К этим методам можно отнести:

– добавка присадок в топливо;

– изготовление деталей из легированных, нержавеющих сталей, их покрытие коррозионно-устойчивыми материалами (хромирование);

– подбор для каждого типа двигателя моторного масла.

4.2. Топлива для карбюраторных двигателей

Основное топливо для карбюраторных двигателей – бензины различных сортов и марок. Развиваемая мощность и экономичность двигателя, его надёжность и эффективность во многом зависит от правильного выбора бензина и его свойств. Автомобильный бензин – это смесь углеводородов, имеющих температуру кипения от 40 до 60˚С.

Карбюраторный двигатель будет надёжно и эффективно работать только в том случае, если бензин удовлетворяет следующим эксплуатационным требованиям:

1) имеет высокие карбюраторные свойства, то есть образует такую горючую смесь, которая обеспечивает лёгкий пуск двигателя и устойчивую его работу на всех режимах;

2) не вызывает детонации двигателя, то есть обладает высокой детонационной стойкостью;

3) образует, возможно, меньшее количество смол в баках и топлив проводящей аппаратуре и нагаров на горячих деталях двигателя;

4) отличается высокой стабильностью, и при длительном хранении его состав и свойства меняются незначительно;

5) не вызывает коррозии резервуаров, баков, трубопроводов, а продукты его сгорания – деталей двигателя;

6) теплота сгорания горючей смеси достаточно высока.

Основным процессом, происходящим в двигателе, является сгорание топлива. При нормальном горении скорость распространения пламени в карбюраторном двигателе составляет 25–30 м/с. Это процесс сложен и изучен не до конца. В процессе горения выделяются различные пары и газы (их температура достигает 1500–2400˚С), образующие при сгорании с кислородом пламя. Углекислый газ, пары воды, окислы серы, если она содержится в топливе, являются конечными продуктами горения.

На процесс сгорания бензина в значительной мере влияет количество подаваемого воздуха. Количество воздуха L₀ в горючей смеси теоретически необходимое для полного сгорания 1кг топлива, называют стехиометрическим. Для различных топлив это значение в кг воздуха также имеет различные значения:

Авиационный бензин – 14,9 кг

Автомобильный бензин – 14,8 кг.

Дизельное топливо – 14,4 кг.

Метиловый спирт – 6,5 кг.

Отношение действительного количества воздуха L к стехиометрическому, называют коэффициентом избытка воздух α..

α= L / L₀

По величине этого коэффициента различают горючую смесь на богатую или бедную.

Богатая смесь если α<1, бедная если α>1. Более интенсивно процесс горения протекает при небольшом обогащении горючей смеси (α=0,95). Но на скорость горения оказывают также химический состав топлива, количество остаточных газов в цилиндре двигателя, температура и давление смеси, число оборотов двигателя и ряд других факторов.

При нормальном сгорании процесс происходит плавно с почти полным протеканием реакции окисления топлива. Если скорость распространения пламени резко возрастает (почти в 100 раз) и достигает 1500–2000 м/с то возникает детонационное сгорание. Это вызывает характерный металлический стук (звон). Начинается вибрация деталей двигателя, что приводит к резкому увеличению износа, падению мощности за счёт неполного сгорания топлива, перегреву двигателя и может вызвать разрушение его деталей.

Способность бензина противостоять детонации или его детонационную стойкость, оценивают октановым числом.

Октановое число определяют в основном двумя методами: моторным и исследовательским. Октановое число – условная единица, она указывается в марках всех бензинов.

Эффективным способом повышения экономичности работы двигателя является увеличение степени его сжатия. Однако чем она выше, тем высокооктановый бензин необходим для работы двигателя. В настоящее время повышение октанового числа бензинов достигается путём добавления к базовому топливу высокооктановых компонентов или антидетонаторов.

Стандартами нормируется содержание фактических смол в топливах. Для бензинов это 7–15 мг на 100 мл топлива. Если наличие смол в топливе превышает в 2–3 раза норму, то моторесурс карбюраторного двигателя снижается на 20–25%.

ТРЕБОВАНИЯ К НАДЕЖНОСТИ МАШИН

Для потребителей дорожных машин, как и многих технических объектов, важнейшим показателем является сокращение суммарных затрат на их приобретение и поддержание в технически исправном состоянии. В связи, с этим приведенные затраты рассматривают совместно.

Повышение надежности не может являться самоцелью и используется для снижения суммарных затрат перераспределением составляющих между сферами производства и эксплуатации. По мере повышения надежности затраты на производство машин растут, а на ремонты и обслуживание в процессе использования снижаются. При недостаточной надежности будет обратное соотношение. На современном этапе развития техники можно изготовлять машины с любой, в том числе и самой высокой, надежностью. Однако это может привести к чрезмерно большим затратам в производстве, не соответствующим снижению затрат в эксплуатации.

Надежность в конечном итоге оценивают соотношением затрат на производство объекта и поддержание его в технически исправном состоянии. Это соотношение анализируют одновременно с суммарными затратами и с учетом других показателей, оно может рассматриваться как уровень надежности.

Для выбора оптимального уровня надежности принят критерий, удельные приведенные затраты с _уд:

, (5.1)

где С – затраты на производство (изготовление) машины и поддержание её в технически исправном состоянии;

П – производительность объекта.

В этом случае возможны два варианта:

1) Для народного хозяйства общим критерием является максимум производительности П при требуемом приемлемом уровне затрат С.

2)Или минимум затрат С при требуемой производительности П.

Поскольку строительные объемы должны быть выполнены, обеспечим производительность машин условно постоянной и будем минимизировать затраты с _уд в удельном исчислении (то есть будем рассматривать второй вариант).

Уровень надежности, представляющий собой отношение затрат на приобретение и поддержание в работоспособном (исправном) состоянии, необходимо находить за определенную наработку t, так как t влияет на затраты, связанные с поддержанием надежности. Примем за наработку ресурс до капитального ремонта t_p – ресурс от начала эксплуатации до первого капитального ремонта. Будем иметь в виду, что одновременно с уровнем надежности необходимо выявить ресурс t_p машины, а его определяют по критерию снижения эффективности.

С учетом сделанных предпосылок преобразуем соотношение (5.1). Если рассматривать производительность П как функцию только надежности машины, то П зависит в основном от коэффициента К _т._и технического использования. Поскольку по мере увеличения наработки коэффициент К _т. _и уменьшается, необходимо вводить резерв для обеспечения прежней производительности, что связано с затратами c_npoст (t) на приобретение (изготовление) дополнительного числа машин, компенсирующих простои.

Если принять за меру измерения максимально возможную производительность машины стоимостью С_о и ресурсом t_p в данных условиях, характеризуемую с позиций надежности максимальным коэффициентом технического использования К _{т.и max}., то затраты на компенсацию простоев

(5.2)

где К _т.и .(t) – средний коэффициент за наработку t.

Удельные затраты на приобретение прямо пропорциональны стоимости машины (без остаточной стоимости при списании и стоимости шин) С_о и обратно пропорциональны общей производительности или общей наработке t. Следует иметь в виду, что все показатели, влияющие на производительность, кроме t в данном случае надо принимать постоянными. Следовательно, средние удельные затраты на приобретение (изготовление)

(5.3)

Поддержание надежности связано со стоимостями, во-первых, устранения отказов и неисправностей, частота появления которых меняется в зависимости от общей наработки (переменные затраты), и, во-вторых, проведения регулярных работ, например, таких, как смазочные (постоянные затраты). Первые из перечисленных затрат превалируют.

Переменные затраты с _п._н(t) являются функцией наработки t и зависят от стоимости запасных частей с_{з. ч} и материалов с_м трудовых затрат на устранение отказов с _тр, а также от соответствующей части косвенных расходов. Потери от простоев с_прост (t) также учитывают при определении с_п.н (t).

Учитывая сделанные предпосылки, критерий можно записать в виде

(5.4)

где с_{пн.ср.общ} (t) – общие средние удельные затраты на устранение отказов и неисправностей и на техническое обслуживание,

, (5.5)

где с_пн.ср (t) – средние удельные затраты на устранение отказов и неисправностей;

с_т.о – затраты на техническое обслуживание.

Сформулируем теперь рассматриваемый критерий в окончательном виде. За критерий оптимизации принимают минимальную сумму средних удельных затрат на изготовление (приобретение) машин и поддержание их в работоспособном состоянии, обеспечивающем постоянную, максимально возможную в данных условиях производительность.

Соотношение (5.4) описывает средние удельные затраты в сферах производства (первый член) и эксплуатации (второй член). Но экспериментально определить можно не средние, а удельные интервальные затраты на поддержание надежности в эксплуатации

С_пн.ин(t)=с_з.ч(t) + с_тр(t) + с_м(t) + с_прост(t). (5.6)

Удельные интервальные затраты, описываемые уравнением (5.6), повышаются по мере увеличения наработки, что объясняется характером изменения параметра потока отказов машины, и коэффициента технической готовности как функций наработки.

Наблюдение за эксплуатацией машин позволяет выявить удельные затраты на поддержание надежности по интервалам наработки с_пн.ин(t). Закономерность протекания кривой c_nн._н(t) как функции общей наработки определяется аппроксимированием этих данных. Для этого используют формулу степенной функции (в тн./ч)

(5.7)

где b – угловой коэффициент, тн/чⁿ⁺¹.

На рис. 5.1 соотношение (5.7) отражено кривой 1 показывающей удельные затраты на поддержание надежности при их интервальной оценке. Однако для использования уравнений (5.4) и (5.5) необходимо определить средние удельные затраты с начала эксплуатации.

Для этого определим площадь под кривой 1 на интервале наработки от 0 до t и поделим ее на t:

(5.8)

Рис.5.1. Удельных затрат на приобретение и поддержание надежности от наработки t

Уравнение (5.8) отражено кривой 2 на рис. 5.1. Ее ординаты меньше ординат кривой 1 в 1/(п + 1) раз, что видно из сопоставления соотношений (5.7) (5.8).

Затем отразим кривой 3 средние удельные затраты на приобретение в соответствии с соотношением (5.3).

Средние суммарные удельные затраты (в тн/ч) на приобретение с_пр (t) и поддержание надежности с_пн.ср (t) определяются уравнением

(5.9)

и кривой 4.

Поскольку затраты с_пн.(t) уменьшается, а с_пн.ср (t) повышается по мере увеличения наработки t, то имеется наработка, при которой сумма этих затрат минимальна. Эта наработка и является ресурсом, отклонение от которого приводит к повышению удельных затрат.

Для определения минимальных затрат с_уд._min, соответствующих оптимальному ресурсу t_p, возьмем производную уравнения (5.9) и приравняем ее нулю (вторая производная положительная)

(5.10)

Откуда

тысч.ч (5.11)

 

чем и решается задача определения ресурса по избранному критерию. Однако равенство (5.10) позволяет определить не только ресурс t_p,но и соотношение между затратами на изготовление машины и переменными затратами на поддержание надежности при наработке t = t_p.

(5.12)

Правая часть равенства (5.12) отражает суммарные переменные затраты с_пн (t_p) на поддержание надежности за ресурс t_p:

(5.13)

что позволяет использовать равенство (5.12) для нахождения n:

(5.14)

Соотношение (5.14) показывает, что при оптимальном ресурсе t_p переменные затраты на поддержание надежности за ту же наработку в п раз меньше стоимости изготовления машины.

В связи с этим можно преобразовать для случая t = t_p и с_уд = с_уд.min уравнения (5.4) и (5.5)

(5.15)

и представить графически (рис. 5.2.) как площади S_oсуд. _{min R}= А и S_otpR = В затраты в производстве и переменные в эксплуатации за ресурс t_p.

Отношение этих площадей согласно уравнению (5.14) численно равно п. Чем больше п при прочих равных условиях, тем выше уровень надежности, и наоборот

Рис. 5.2. Затраты на приобретение и поддержание надежности машин

Как показал анализ экспериментальных данных, у моделей машин довоенного выпуска показатель п < 1, послевоенного выпуска п = 1, а текущего производства п = 1,5 с тенденцией увеличения до п = 2.

Уравнение (5.15) позволяет совместно рассматривать п и стоимость объекта С_о, выявляя методом последовательного приближения минимальное значение с_уд.min. То же относится и к соотношению величин с_то, C₀ и с_уд.min.

Изменение показателя степени п при t [уравнение (5.7)] приводит к соответствующему изменению соотношения площадей А и В отражающих затраты в производстве и эксплуатации, т. е. изменению уровня надежности. Для увеличения показателя п необходимо снизить затраты на поддержание надежности на наработке от 0 до t < t_p.

Это может быть достигнуто увеличением среднего ресурса деталей, лимитирующих надежность, и снижением разброса их ресурса, а также улучшением ремонтопригодности машины, снижающей трудоемкость работ и простои.

Совершенствование показателей долговечности элементов, как правило, повышает затраты на их изготовление. В соответствии с этим увеличивается и стоимость объекта С_о. Целесообразность повышения затрат на производство машин проверяют уравнением (5.15) при предварительном выявлении межремонтного ресурса по уравнению (5.11).

Затраты на техническое обслуживание с_т._о [уравнение (5.15)] также следует снижать. Но при этом необходимо учитывать, что, во-первых, объем технического обслуживания влияет на скорость изнашивания и, следовательно, на ресурс t_p, а во-вторых, снижение с_т._о без изменения t_p может повысить стоимость машины С_о. Проверкой вариантов выявляют оптимальное решение по критерию минимума удельных затрат, что принципиально возможно с использованием электронно-вычислительных машин.

Методика данного расчета, как и вообще сложных инженерных расчетов, связана с применением ряда коэффициентов. Кроме того, прогнозируется эффективность технологических и конструктивных мероприятий, которые отражены в распределениях ресурсов деталей. Поэтому возникает необходимость в опытной эксплуатации и испытаниях, в процессе которых конструкция должна доводится до ранее установленных показателей.

5.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕЖРЕМОНТНОГО РЕСУРСА. УПРАВЛЕНИЕ НАДЕЖНОСТЬЮ МАШИН В ЭКСПЛУАТАЦИИ