Тема 4: эксплуатационная надежность

 

Надежность машины складывается из следующих признаков: высокая долговечность, безотказность действия, безаварийность, стабильность действия (способность длительно работать без снижения исходных параметров), выносливость (способность выдерживать перегрузки), малый объем операций обслуживания и ухода, неприхотливость к уходу, живучесть (способность при частичных повреждениях продолжать некоторое время работу, хотя бы на сниженных режимах), устранимость повреждений (сохранение ремонтоспособности), большие межремонтные сроки, малый объем ремонтных работ.

Из-за многообразия признаков, определяющих надежность, установить ее единый критерий затруднительно. Чаще всего при определении надежности исходят из понятия отказа машины, т. е. любой вынужденной остановки машины.

Надежность машины можно характеризовать: частотой отказов; длительностью бесперебойной работы машины между отказами; закономерностью изменения частоты отказов за период службы; степенью тяжести отказов, объемом, стоимостью и длительностью работ, необходимых для устранения отказов.

Длительность вынужденных простоев машины характеризуют коэффициентом простоев η_np (иначе коэффициент неисправности), представляющий собой отношение продолжительности h_пр простоев за определенный промежуток времени к сумме продолжительности h_ф фактической работы и h_пр за тог же период времени:

 

 

Длительность исправной работы машины характеризуют коэффициентом исправности

 

 

По степени тяжести отказы делят на легкие, средние и тяжелые.

Легкие отказы — это мелкие неисправности, устраняемые на производстве силами обслуживающего персонала.

Средние отказы — неисправности и повреждения, требующие продолжительной остановки машины, частичной разборки, смены (или восстановления) поврежденных деталей, осуществляемой с привлечением ремонтных служб.

Тяжелые отказы — аварии, затрагивающие жизненно важные органы машины и требующие длительной остановки на ремонт. К тяжелым отказам можно отнести общий износ машины, требующий на определенной стадии полной переборки машины и замены износившихся деталей.

По происхождению различают отказы, вызванные конструктивными и технологическими дефектами, неправильной эксплуатацией и случайные.

Под неправильной эксплуатацией понимают небрежный уход за машиной, нарушение правил эксплуатации, несоблюдение установленных режимов (перегрузки), ошибки в последовательности операций управления (неправильные включения), несоблюдение техники безопасности и т. д.

Большинство отказов, приписываемых неправильной эксплуатации, можно с полным основанием oтнести за счет дефектов конструкции. В правильной конструкции должно быть предотвращено использование машины на опасных перегрузочных режимах, исключена возможность неправильных включений и сведено к минимуму влияние качества на работоспособность машины.

Надежность машины можно было бы характеризовать объемом работ по устранению отказов, т. е. в конечном счете показателем стоимости ремонтов, комплексно отражающим частоту и степень тяжести отказов и ремонтоспособность машин. Однако этот показатель является относительным. Во-первых, межремонтные сроки и стоимость ремонтов зависят от надежности машин, качества обслуживания и от ремонтных работ. Во-вторых, стоимость ремонтов определяется не, только объемом требуемых ремонтов, но и уровнем организованности ремонтного дела. В-третьих, суммарная стоимость ремонтов зависит от политики увеличения срока службы машин; При неправильной методике восстановления машин вместо увеличения выпуска новых машин и, особенно, повышения их долговечности, расходы на ремонт могут быть очень значительными.

В стадии разработки находится теория надежности. Предметами теории являются: определение требований к надежности с технических и экономических позиции; изучение статистических закономерностей появления отказов; выяснение причин отказов (диагностика отказов); выявление детален и узлов, являющихся наиболее частой причиной отказов; прогнозирование отказов; определение степени опасности отказов о сложности их устранения; изучение влияния отказов на экономику эксплуатации машин; разработка объективных показателей надежности машин,

Особые разделы теории составляют вопросы надежности комплексов машин (поточное и непрерывное производство, полуавтоматические и автоматические линии). К ним относится: управление комплексами и контроль их взаимодействия, резервирование (введение резервных машин и цепей), аккумулирование (введение накопителей, обеспечивающих бесперебойную работу комплекса при кратковременном отказе одной из машин) и т. д.

Теория надежности по содержанию и методам во многом совпадает с теорией долговечности. Подобно последней, теория надежности опирается на методы теории вероятности и математической статистику формулируя выводы в виде вероятностных соотношений.

Надежность машин характеризуют средневероятным временам бесперебойной работ машины (средневероятная выработка машины за один отказ) в функции продолжительности эксплуатации или средневероятной частотой отказов, а также плотностью распределения отказов за период работы машины.

Теория надежности, прогнозируя отказы, наиболее часто встречающихся на практике, может служить цепным подспорьем в руках машиностроителя. На долю последнего выпадает главная, активная часть задачи — устранение слабых мест конструкции и повышение ее надежности в целом. Привлекая все Современные конструкторские и технологические приемы, принципиально возможно (во всяком случае для многих категорий машин) добиться полного устранения отказов, за исключением аварийных, чисто случайных.

Пути повышении надежности. Надежность машин в первую очередь определяется прочностью и жесткостью конструкции. Рациональными способами повышения прочности, не требующими увеличения массы, являются: применение выгодных профилей и форм, максимальное использование прочности материала, по возможности равномерная нагрузка всех элементов конструкции.

Целесообразные способы, повышения жесткости - правильный, выбор схемы нагружения, рациональная расстановка опор, придание конструкциям жестких форм.

Безаварийность работы и длительность межремонтных сроков во многом зависят от правильности эксплуатации, бережного отношения к машине, тщательных уходов, своевременной профилактики, предотвращения перегрузок. Но было бы неверным всецело полагаться на качество обслуживания. Условия правильной эксплуатации машины должны быть заложены в ее конструкции. Необходимо обеспечить надежную работу даже в условиях недостаточно квалифицированного обслуживания. Если машина портится в неумелых руках, это значит, что конструкция недостаточно продумана со стороны надежности.

Субъективный фактор в обслуживании и управлении машиной следует по возможности исключать, а операции ухода сводить к минимуму.

Устранению подлежат периодические операции регулирования, подтяжки, смазки и т. п., которые при недостаточно внимательном обслуживании могут стать причиной повышенного износа и преждевременного выхода машины из строя.

Например, в двигателях внутреннего сгорания регулирование зазоров в клапанном механизме можно устранить введением автоматических компенсаторов износа и тепловых расширений (гидравлического или иного типа). Это не только упрощает уход; обеспечивая практически беззазорную работу клапанного механизма, компенсаторы вместе с тем существенно повышают его долговечность.

Устранима периодическая подтяжка коренных и шатунных подшипников коленчатого вала двигателей. Современное состояние смазочной техники позволяет создать подшипники, работающие практически неограниченное время при минимальном износе. Периодическая подтяжка ослабевающих в эксплуатации гаек и болтов устранима применением современных самоконтрящихся конструкций резьбовых соединении.

Сильно усложняет эксплуатацию нерациональная система смазки, требующая постоянного внимания со стороны обслуживающего персонала. Периодической точечной смазки следует безусловно избегать. Если этого сделать нельзя по конструктивным условиям, то необходимо применять самосмазывающиеся опоры или вводить систему централизованной подачи смазки ко всем смазочным точкам с одного поста.

Наилучшее решение с точки зрения надежности и удобства эксплуатации — это полностью автоматизированная система смазки, не требующая периодической смены масла. Это достижимо, если предусмотреть меры, противодействующие окислению и тепловому перерождению масла и обеспечивающие непрерывную очистку и регенерацию масла.

В системы смазки необходимо вводить аварийные устройства, обеспечивающие подачу масла, хотя бы в минимальных количествах, при выходе из строя главной системы.

Одним из приемов увеличения эксплуатационной надежности является Дублирование обслуживающих устройств, в работе которых чаще всего случаются перебои. Примером может служить дублирование системы зажигания бензиновых двигателей, а также систем автоматического управления. В тех случаях, когда требуется полная безотказность Действия, от которой зависит жизнь людей (космические корабли), применяют многократное дублирование систем управления.

В комплексе мероприятий, обеспечивающих эксплуатационную надежность машины, большую роль играет автоматическая защита от случайных или преднамеренных перегрузок предохранительными устройствами, работающими на стерегущем режиме и вступающими в действие при перегрузке машины.

Наиболее целесообразна полная автоматизация управления, т. е. превращение машины в самообслуживающийся, саморегулирующийся и самонастраивающийся на оптимальный режим работы агрегат.

Примером являются самопереключающиеся коробки скоростей и трансмиссии автомобиля с бесступенчатым регулированием передаточного отношения от двигателя к ходовому механизму. Система автоматически устанавливает оптимальное передаточное отношение для данных условий езды, профиля и состояния дороги, что увеличивает экономичность и повышает ездовой ресурс.

Высокой надежности машин можно достичь только комплексом конструктивных, технологических и организационно-технических мероприятий. Повышение надежности требует длительной, повседневной, скрупулезной, целенаправленной совместной работы конструкторов, технологов, металлургов, экспериментаторов и производственников, ведущейся по тщательно разработанному и последовательно осуществляемому плану.

Непременным условием выпуска качественной продукции является прогрессивная технология изготовления, высокая культура производства, строгое соблюдение технологического режима и тщательный контроль продукции на всех стадиях изготовления, начиная с операций изготовления деталей и кончая сборкой изделия.

Наибольшие трудности представляет объективная оценка показателей надежности, долговечности и стоимости эксплуатации. Эти показатели можно достоверно выяснить только через длительный промежуток времени, притом на продукции, вышедшей за стены завода-изготовителя и разбросанной в различных, порой отдаленных эксплуатационных точках.

В этих условиях приобретают важное значение методы ускоренного определения долговечности деталей, узлов, агрегатов и машины в целом. Большую помощь могут оказать лаборатории долговечности для систематического испытания продукции на износ и срок службы.

Следует шире применять метод моделирования эксплуатационных условий, заключающийся в стендовых или эксплуатационных испытаниях машин на форсированном режиме в условиях, заведомо более тяжелых, чем нормальная работа машины. В этом случае машина проделывает в сжатые сроки цикл, который при нормальной ее работе длится несколько лет. Испытания' ведут до наступления предельного износа или даже до полного или частичного разрушения машины, периодически их приостанавливая для замера износов, регистрации состояния деталей и определения признаков приближения аварий.

Подобные жесткие испытания позволяют обнаружить недостатки конструкции и принять меры к их устранению. Ускоренные испытания дают также достаточно надежный исходный материал для оценки реальной долговечности машины.

Доводка машин в эксплуатации. С целью создания надежных и долговечных машин необходимо тщательно изучать опыт эксплуатации. Работа конструкторских организаций над машиной не должна заканчиваться государственными испытаниями опытного образца и сдачей машины в серийное производство.

Доводка машины по-настоящему только начинается после ввода ее в эксплуатацию. Эксплуатационная проверка лучше всего позволяет обнаружить и устранить слабые места конструкции.

Недостатки машины особенно наглядно выясняются при ремонте. Поэтому обязательная тесная и непрерывная связь конструктора с ремонтными предприятиями. Заводам-изготовителям массовой и крупносерийной продукции полезно иметь собственные ремонтные подразделения как лаборатории изучения машин и школы конструирования.

При изучении дефектов нужно отличать случайные дефекты от систематических. Случайные дефекты обычно обусловлены неудовлетворительностью контроля и недостаточностью технологической дисциплины на заводе-изготовителе. Систематические дефекты свидетельствуют о неудовлетворительности конструкции и требуют незамедлительного внесения исправлений в выпускаемые машины.

Наблюдение за работой машины в эксплуатации должно быть включено в планы работы конструкторских организаций наряду с проектированием и составлять значительную долю бюджета времени конструктора. Будучи оторванным от эксплуатации, конструктор не сможет совершенствоваться и никогда не достигнет вершин конструкторского мастерства.

Стоимость машины. Снижение стоимости машиностроительной продукции представляет собой комплексную задачу: производственную и конструкторскую. Основную роль играет рационализация производства (механизация и автоматизация производственных процессов, концентрация технологических операций, специализация заводов, производственное кооперирование и др.).

Эти меры осуществимы и дают наибольший эффект при больших масштабах производства и стабильной продукции. Здесь на первый план выступает роль конструктора. Он должен обеспечить высокий потенциал развития, заложив в конструкцию предпосылки изготовления одной модели в течение длительного периода времени при наибольшем возможном масштабе выпуска, т. е. создать конструкцию, обладающую широкой применяемостью и ресурсами совершенствования.

Большое значение имеет уменьшение числа типоразмеров Машин рациональным выбором типажа и параметров машин, что позволяет повысить серийность производства с выигрышем в стоимости изготовления. Это тоже конструкторская задача.

Важно обеспечить технологичность конструкций. Под технологичностью понимают совокупность признаков, обеспечивающих наиболее экономичное, быстрое и производительное изготовление машин с приме­нением прогрессивных методов обработки при одновременном, повышении качества, точности и взаимозаменяемости частей.

В понятие технологичности следует ввести также признаки, обеспечивающие наиболее производительную сборку изделия (технологичность сборки) и наиболее удобный и экономичный ремонт (технологичность ремонта).

Технологичность зависит от масштаба и типа производства. Штучное и мелкосерийное производство предъявляет к технологичности одни требования, крупносерийное и массовое — другие. Признаки технологичности специфичны для деталей различных групп изготовления.

Большой экономический эффект дают унификация и нормализация деталей, узлов и агрегатов.

Унификация. Унификация состоит в многократном применении в конструкции одних и тех же элементов, что способствует сокращению номенклатуры деталей и уменьшению стоимости изготовления, упрощению эксплуатации и ремонта машин.

Унификация конструктивных элементов позволяет сократить номенклатуру обрабатывающего, мерительного и монтажного инструмента. Унификации подвергают посадочные сопряжения (по посадочным диаметрам, посадкам и классам точности), резьбовые соединения (по диаметрам, типам резьб, посадкам и классам точности, размерам под ключ), шпоночные и шлицевые соединения (по диаметрам, формам шпонок и шлицев, посадкам и классам точности), зубчатые зацепления (по модулям, типам зубьев и классам точности), фаски и галтели (по размерам и типам) и т. д.

Унификация оригинальных деталей и узлов может быть внутренней (в пределах данного изделия) и внешней (заимствование деталей с иных машин данного или смежного заводов).

Наибольший экономический эффект дает заимствование деталей серийно изготовляемых машин, когда детали можно получить в готовом виде. Заимствование деталей машин единичного производства, машин, снятых или подлежащих снятию с производства, а также находящихся в производстве на предприятиях других ведомств, когда получение деталей невозможно или затруднительно, имеет только одну положительную сторону: проверенность деталей опытом эксплуатации. Во многих случаях и это оправдывает унификацию.

Унификация марок и сортамента материалов, электродов, типоразмеров крепежных и других нормализованных деталей, подшипников качения и т. д. облегчает снабжение завода-изготовителя и ремонтных предприятий материалами; нормалями и покупными изделиями.

Степень унификации оценивают коэффициентом унификации ηун, который представляют как отношение:

числа z_ун унифицированных деталей к общему числу z деталей изделия:

 

 

массы унифицированных детален к общей массе изделия:

 

 

стоимости унифицированных деталей и стоимости изделия:

 

 

Недостаток первою показателя состоит в том, что он не учитывает удельное значение унифицированных деталей в конструкции машины. Второй показатель учитывает долю массы унифицированных деталей в общей массе машины. Наиболее правилен третий показатель, однако определение его затруднительнее, чем первых.

Степень внутренней унификации оценивают коэффициентом повторяемости

 

 

где N_Н - число наименований детален изделия; N_Д - общее число деталей изделия.

Этот коэффициент, легко определяемый на основания сводной спецификации, суммарно характеризует совершенство конструкции со стороны сокращения номенклатуры деталей. В хороших конструкциях η_П = 40 ÷ 60%.

Для дифференцированной опенки применяют следующие показатели: степень унификации оригинальных деталей

 

 

где N_ун.ор. – число унифицированных оригинальных деталей; N_op – общее число оригинальных деталей;

степень унификации элементов конструкции

 

 

где N_тр — число принятых типоразмеров данных элементов; N_эл - общее число данных элементов в изделии, например степень унификации резьб

 

 

где N_тр.рзб – число типоразмеров резьб; N_рзб - общее число резьбовых соединений в изделии;

степень унификации крепежных деталей

 

 

где N_тр.кр - число типоразмеров крепежных деталей; N_кр - общее число крепежных деталей в изделии.

Нормализация. Нормализация есть регламентирование конструкции и типоразмеров широко применяемых машиностроительных деталей, узлов и агрегатов.

Почти в каждой специализированной проектной организации нормализуют типовые для данной отрасли машиностроения детали и узлы. Нормализация ускоряет проектирование, облегчает изготовление, эксплуатацию и ремонт машин и при целесообразной конструкции нормализованных деталей способствует увеличению надежности машин.

Нормализация дает наибольший эффект при сокращении числа применяемых типоразмеров нормалей, т. е. при их унификации. В практике проектных организаций эта задача решается выпуском ограничителей, содержащих минимум нормалей, удовлетворяющих потребностям проектируемого класса машин.

Преимущества нормализации реализуются в полной мере при централизованном изготовлении нормалей па специализированных заводах. Это разгружает машиностроительные заводы от трудоемкой работы изготовления нормалей и упрощает снабжение ремонтных предприятий запасными частями.

Степень нормализации оценивают коэффициентом

 

 

где N_H — число нормализованных деталей; N — общее число деталей в изделии.

Нельзя согласиться с распространением среди конструкторов (особенно конструкторов творческого склада) пренебрежительным отношением к стандартам. Стандартизация является существенным фактором снижения себестоимости машин и ускорения проектирования. Однако непременным условием является высокое качество стандартов, непрерывное их совершенствование в уровень с прогрессом техники.

Кроме того, применение нормалей не должно стеснять творческую инициативу конструктора и препятствовать поискам новых, более рациональных конструктивных решений. При конструировании машин не следует останавливаться перед применением новых решении в областях, охватываемых нормалями, если эти решения имеют явное преимущество перед нормалями.

 

ТЕМА 5: ОБРАЗОВАНИЕ ПРОИЗВОДНЫХ МАШИН НА БАЗЕ УНИФИКАЦИИ

 

Унификация представляет собой эффективный и экономичный способ создания на базе исходной модели ряда производных машин одинакового назначения, но с различными показателями мощности, производительности и т. д., или машин различного назначения, выполняющих качественно другие операции, а также рассчитанных на выпуск иной продукции.

В настоящее время сложилось несколько направлений решения этой задачи. Не все они являются универсальными. В большинстве случаев каждый метод применим только к определенным категориям машин, причем экономический их эффект различен.

Приводимая ниже классификация методов создания производственных, унифицированных машин является условной. Некоторые из этих методов тесно смыкаются друг с другом; провести строгую границу между ними затруднительно. Возможно сочетание и параллельное применение двух или нескольких методов.

 

Секционирование

 

Метод секционирования заключается в разделении машины на одинаковые секции и образования производных машин набором унифицированных секций.

Секционированию хорошо поддаются многие виды транспортно-подъемных устройств (ленточные, скребковые, цепные транспортеры). Секционирование в данном случае сводится к построению каркаса машин из секций и составлению машин различной длины с новым несущим полотном. Особенно просто секционируются машины со звеньевым несущим полотном (ковшовые элеваторы, пластинчатые транспортеры с полотном на основе втулочно-роликовых цепей), у которых длину полотна можно изменять изъятием или добавлением звеньев.

Экономичность образования машин этим способом мало страдает от введения отдельных нестандартных секций, которые могут понадобиться для приспособления-длины машины к местным условиям,

Секционированию, поддаются также дисковые фильтры, пластинчатые теплообменники, центробежные, вихревые и аксиальные гидравлические насосы. В последнем случае набором секций можно получить ряд многоступенчатых насосов различного давления, унифицированных по основным рабочим органам.