Технологічна надійність автоматичних систем

Загальні положення

Надійність – властивість системи зберігати значення встановлених параметрів функціонування у визначених межах, які відповідають заданим режимним умовам використання і технологічності обладнання. Проблема високої надійності є основною проблемою науково – технічного прогресу. Надійність є першочерговою умовою при виготовленні деталей таких галузей як атомна енергетика, авіація, зброя, машини, транспорт.

Надійність – комплекс властивостей, які може включати безвідмовність, стабільність роботи. Технологічна надійність – властивість автоматизованої оброблюваної системи зберігати в часі початкову точність та відповідну якість обробки чи складання. Надійність автоматизованих систем залежить від багатьох чинників:

- конструкторських

- технологічних

- експлуатаційних

- від надійності механізмів верстатів, завантажувальних, транспортувальних пристроїв, від елементів автоматики та електроніки, від системи автоматичного керування, стійкості робочого інструменту тощо.

Працездатністю називається такий стан автоматизованої системи, коли вона здатна виконувати задані функції, випуск програмної продукції, яка відповідає технічним вимогам. Непрацездатність – неспроможність виконання однієї або декількох функцій. Порушення працездатності може наступити одразу або поступово. Розрізняють відмови складових і відмови параметрів.

Відмови складових спостерігаються, коли є непрацездатність конструктивних елементів, робочий цикл не виконується, продукція не випускається. Це функціональні відмови і відмови параметричні – всі елементи працюють, робочий цикл виконується, проте випускається бракована продукція.

Чинники, які викликають відмову:

- циклічні

- монотонні.

Циклічні чинники – чинники, які з’являються в кожному інтервалі з моменту початку інтервалу. Монотонні - з’являються поступово, з часом в процесі роботи машини.

Циклічні:

- несталість вихідного матеріалу, їх геометричних розмірів, форми, твердості, фізико – хімічних властивостей тощо

- похибка виготовлення та складання окремих конструктивних елементів

- несталість швидкості та руху виконавчих поверхонь механізмів

- коливання температури та тиску робочих рідин і газів

- температура навколишнього середовища, неоднакова жорсткість вузлів, ланок, сил тертя, різання. Нестабільність положення заготовок в процесі транспортування і обробки.

Монотонні:

- спрацювання механізмів та з’єднань

- зменшення міцності деталей з часом

- корозія поверхонь, забруднення робочої зони, зміна геометричної форми деталей системи, їх жолоблення, деформація. Несталість призводить до того, що коли є сприятливе поєднання чинників буде відбуватися робота, а при несприятливому поєднанні йде відмова параметрів і елементів системи – внаслідок чого виникає потреба у втручанні робітника в систему для відновлення її працездатності.

Критерії надійності

В теорії надійності є ряд критеріїв надійності автоматизованої системи:

- ймовірність безвідмовної роботи впродовж заданого часу

- інтенсивність відмов

- середній час безвідмовної роботи

Імовірність безвідмовної роботи на протязі заданого часу визначається як

Якщо , то періодично.

Час безвідмовної роботи і є безвідмовністю відмов . Ця ймовірність і ймовірність безвідмовної роботи протилежної величини, їх сума дорівнює одиниці.

Імовірність відмов можна визначити як

Якщо , це гарантія того що протягом часу “0” відмов не відбудеться. Якщо , то навпаки.

При , а при .

В автоматизовану систему входить велика кількість різноманітних елементів автоматичних, електричних механічних систем, ріжучі інструменти. Тому в залежності від конкретної системи імовірність розподілу роботи буде різною і буде підкорятися законам.

Середній час безвідмовної роботи

Середній час можна визначити наближено як середнє арифметичне

 - час безвідмовної роботи і-го елемента

    - кількість елементів у системі.

При , то

Інтенсивність відмов – це відношення середньої кількості елементів системи, які відмовили до середньої кількості безвідмовно працюючих елементів системи за час в межах кількості елементів, які досліджуються.

Інтенсивність відмов висока, потім зменшується. Внаслідок конструктивних, технологічних недоробок починають виникати відмови елементів чи їх сукупності. Доопрацювання їх, внаслідок чого спадає відмова і далі стабілізується. За деякий час інтенсивність відмов майже не змінюється, або навіть трошки зменшується. До нуля не падає, бо йде спрацювання елементів, старіння матеріалів, збільшуються зазори в з’єднаннях, внаслідок чого зростає рух в робочих з’єднаннях. Наступає другий час, коли інтенсивність відмов значно збільшується, внаслідок старіння, критичного спрацювання з’єднань і таке інше. Після наступу цього часу машина втрачає свою цінність.

Термін служби машини і механізму

Якщо ресурс випрацьовується, то змінювати машину чи механізм або проводити її ремонт недоцільно.

Показники надійності визначаються розрахунками на основі проведених досліджень, обробкою результатів статистичних даних, експлуатацією та моделюванням на ЕОМ. Розрахунок показників визначається при програмуванні системи з метою прогнозування даної надійності даного варіанту автоматизованої системи.. дослідження проводиться за допомогою експериментального зразка (скільки відмов і т.п.).

Обробка результатів статистичних даних проводиться на підприємстві бюро чи групою надійності, які слідкують за надійністю. Вони розсилають, які можуть виникнути (чи виникнули) відмови, як працює виріб і т.д.

Моделювання на ЕОМ найбільш ефективний шлях. Задається модель, режими, після опрацювання ЕОМ видає те, що може бути.

В процесі експлуатації автоматизованої системи велике значення має довговічність роботи системи. Довговічність – ознака системи зберігати працездатність до початку граничного стану. Граничний стан буває різним в залежності від системи і від виду виробу. Якщо система не ремонтується (електрична лампа, підшипники кочення) для таких систем граничний стан збігається з відмовою. В деяких випадках граничний стан виявляється підвищеною інтенсивністю відмов.

Граничний стан систем, які ремонтуються визначається їх подальшою експлуатацією з приводу старіння та відмов, або підвищення витрат на ремонт. Граничний стан визначається моральною застарілістю системи, вона працює не приносячи економічної ефективності.

 

4.3. Причини відмов автоматизованих систем

Головна проблема при створенні автоматизованих систем це забезпечення високої їх надійності. Особливо це проблематично в тих випадках, де це пов’язане з життям людини. Відмови виникають через механічні і гідравлічні частини автоматизованих систем, через електричні та електронні мережі автоматизованих систем. Причини відмови через вихідні заготовки:

- нерівномірний припуск та нерівномірність твердості матеріалу

- недостатній припуск, робота по кірці, при неправильно розрахованому припуску

- похибка установки через налипання стружки на бази, не чітка робота затискних елементів, порушення послідовності затиску, зменшення сили затиску через падіння тиску в гідросистемах. Виникає завищена сила, чи внаслідок зростання похибки динамічного налагодження розмір вийде за межі допуску.

Причини відмов через ріжучий інструмент:

- стійкість різального інструменту є випадковою величиною, тому величина спрацювання різального інструменту є функцією часу його роботи

- відмова роботи різального інструменту внаслідок сколювання чи розкошування інструменту.

Основні причини відмови на фрезерних операціях чи переходах:

- затуплення та поломка інструменту при роботі по кірці. В автоматизованих системах враховується частка фрезерних робіт, яка складає 6,7 години. Після 6 годин можна очікувати на поломку чи спрацювання фрези.

Стовідсотковий контроль заготовок і їх відбракування. Якщо таке рішення економічно недоцільне, то необхідно передбачити додатковий робочий хід обробки цієї поверхні з метою вирівняння припуску, зняття кірки. Тим самим підвищується надійність.

Технологічні переходи та надійність у розточувальних операціях. Напрацювання на відмову складає 40 хв.. виникає проблема через швидку відмову різального інструменту. Причини:

- спрацювання та положення різців на чорнових переходах

- відхилення розміру отвору через спрацювання різців на чистових переходах і вихід розміру за межі допуску.

Шляхи підвищення:

- заміна на чорнових операціях робочого ходу однолезового інструменту на багатолезовий, що дозволяє проводити обробку з розбиттям припуску

- попереднє зняття фасок в отворах внутрішніх стінок партії деталей.

Попередньо потрібно про фрезерувати торець для зняття кірки, щоб різець не йшов по кірці. Це потребує додаткового переходу і більше часу.

- введення додаткового робочого ходу для забезпечення встановлення рівномірності припуску на встановлене розточування. Ми повинні задати невеликий і рівномірний припуск, чим забезпечуємо точність розміру і геометричної форми

На свердлильних операціях відмова трапляється під час виходу свердла на кірку і при свердлінні отворів малого діаметру і великої довжини. Під час виходу свердла трапляється також ситуація як і при виході свердла на суцільний матеріал, і при виході свердла на необроблену поверхню потрібно зменшувати подачу. При свердлінні отворів малого діаметру задається недостатня частота обертання шпинделя. Недостатня швидкість різання призводить до пакетування стружки в канавках, внаслідок чого виникає заклинювання і руйнація.

Верстати, які мають недостатню частоту обертання мають бути оснащені мультиплікаторами, які підвищують частоту обертання. При свердлінні слід періодично виводити інструмент з отвору. Для очищення від стружки на автоматах використовується потужний струмінь ЗОР. Ступінчасте свердління для утворення довгих отворів.

Напрацювання свердел на відмову в середньому дорівнює діаметру свердла (5-20 хв.)

Для різенарізних переходів з усіх відмов 8% припадають на мітчики:

- недостатні розміри отвору під нарізання різі

- попадання стружки на задню поверхню мітчика

- недостатнє або неякісне змащення.

Відмови обладнання

Якщо в звичайному обладнанні з ручним керуванням причин відмов мало, і ці причини відмов або відмов або легко визначаються, то в сучасному технологічному обладнанні, яке містить взаємні механічні, гідравлічні елементи, блоки модулів. Тому причин багато, що їх визначення потребує часу та засобів:

- врізання системи заготовок, внаслідок збою системи автоматичного керування

- наїзд супортів або столів один на одного чи на інші вузли з тих же причин

- забиття зони обробки стружкою, виривання заготовки з пристрою, перемикання шестерень на великі швидкості

- спрацювання механізмів та з’єднань та інше.

Особливо спрацьовуються механізми, які погано захищені від забруднення і які працюють в умовах недостатнього тертя (передачі гвинт – гайка, гайка шестерня). В тих місцях, де застосовуються антифрикційні матеріали особливо небезпечним є заїдання, заклинювання.

Порушення роботи гідроприводів пов’язане з спрацюванням клапанові елементів, які спрацьовуються через порушення регулювання. Клапан не закритий, дестабілізація. Через неякісну пружину, бо неякісно виготовлений і матеріал.

Відмова внаслідок того, що гідропривод працює при високих температурах, окислюється мастило, високо температурні з’єднання засмічують отвори, щілини в елементах системи.

Відмови пристроїв

Щільний контакт заготовок з установочними елементами пристрою може бути порушене трьома причинами:

- налипання на установочні елементи стружки, а також на поверхню технологічних баз

- неякісна робота затискних механізмів

- нестабільність форми баз. Замість площинності вгнутість, вгнутість, внаслідок чого виникає невизначеність базування.

 

4.4. Способи підвищення надійності системи

Надійність визначається надійністю та числом її складових. Чим менше елементів системи, тим система надійніша. Розрізняють 2 способи з’єднань системи: послідовно і паралельно. Для автоматизованих систем з послідовною схемою з’єднання, вихід з ладу одного елементу системи, викликає зупинку всієї системи (гірлянда, автоматична лінія). Якщо зупинка кожного елементу системи не залежить один від одного, то імовірність безвідмовної роботи такої системи

 - імовірність безвідмовної роботи і–го елемента системи. При , тоді

при великій кількості складових системи імовірність ефективної роботи зменшується навіть при високій надійності. Способи підвищення надійності:

- розподіл автоматизованої системи на частини, зменшення кількості елементів, використання компенсаторів надійності, тобто використання систем чи механізмів, які б компенсували ненадійність. Використання резервних елементів, тобто паралельно з основним працюють один чи два елементи, які компенсують його ненадійність.

Звуження потоку, тому вузьке місце потрібно розширити

     - число паралельно працюючих елементів

 - імовірність безвідмовної роботи j- го робочого елемента, і- тої чавунки.

За методом використання резервів виділяють активні і пасивні. Активні складаються з спеціальних автоматичних і неавтоматичних пристроїв, які вмикають резерв при виході з ладу автоматизованої системи чи її елементів. При пасивному резервуванні резерв виникає пасивно. Якщо виникає відмова елементів, то він має вимикатися, щоб не заважати працювати резерву. Резерв ускладнює систему і зменшує надійність. Резерв найбільш ненадійний і відповідальний елемент системи. Причому резервні елементи повинні бути різноплановими, не такими як основні (основні елементи електричні, а резервні пневматичні).

4.5 Діагностування стану технологічного процесу системи

Ускладнення обладнання, технічної системи, перехід на безлюдні технології пред’являють

високі вимоги до системи керування технологічним процесом, технологічною системою. Щоб керувати такою системою потрібно мати інформацію, нормальне керування вимагає постійного отримання інформації, не тільки про стан виходу системи, але і постійної інформації про стан самої системи, про її працездатність.

Причини відмов можуть бути несуттєві, але час пошуку цих причин займає набагато більше часу від їх усунення. В умовах складних технологічних систем використовують системи технологічного діагностування – це процес визначення в часі з певною точністю технічного стану об’єкту діагностування в межах обмеженої інформації.

Діагностування включає в себе сукупність операційного контролю як всього об’єкту так і його елементів. Використовується для визначення в якому з попередньо визначених станів знаходиться об’єкт. Об’єктом діагностування може бути технологічна система, технологічний комплекс, процес, верстат та окремі його механізми. Результатом технологічного діагностування є повідомлення про технічний стан об’єкта, а при необхідності вказується причина дефектів.

Мета технологічного діагностування: підтримання заданих умов виконання технологічного процесу, попередження поломок, зупинка обладнання, прогнозування ефективності з метою визначення строків ремонту. Контроль якості регулюється механізмом, перевірка якості ремонту обладнання, визначення впливу технологічного середовища на виробництві, пошук місця та визначення причин відмови, прогнозування технологічного об’єкту з заданою імовірністю.

Технологічний стан характеризується параметрами, які можуть бути якісні і кількісні. Ці характеристики поділяються на 3 групи:

- структурні

- функціональні

- супутні

Структурні характеризують структуру об’єкта діагностування (наприклад, величина зазорів в кінематичних парах), величина бокового зазору.

Функціональні параметри, які характеризують функціонування об’єкту діагностування (потужність, частота обертання шпинделя, час циклу, час виконання операції чи переходу).

Супутні це ті параметри, які супроводжують роботу системи, обладнання чи елементів системи (вібрації, шум, зміна струму в електроприводах, зміна температури в вузлах).

Структурні параметри в умовах автоматизованого виробництва мають можливість прямого вимірювання дуже обмежена, бо потребує розбирання обладнання (для вимірювання зазору в з’єднанні потребує розбирання і вимірювання).

Функціональні параметри піддаються вимірюванню, але вони потребують порівняння з еталонними, а еталонні значення як правило не відомі.

Найбільш зручні для вимірювання опосередковані параметри, наприклад, спрацювання інструменту (його важко міряти, але знаючи формулу потужності і знаючи силу чи потужність, можна знайти спрацювання). Контроль здійснюється за допомогою сенсора (давача). Давач зв’язуюча ланка між процесом і аналізатором відповіді. Оцінка стану процесу є основною задачею технологічного прогнозування.

Система технологічного діагностування є частиною системи керування. Вимірювання і контроль вимірюваних кількісних значень параметрів, якісне характеризує ознаку і через аналіз результатів вимірювання та контролю. Результатами діагностування є діагноз про технологічний стан об’єкта, з повідомленням місця, виду та причин ризику.

Діагностування може проводитися безперервно, в процесі всього часу роботи (контроль температури, мастила в гідросистемі, потужність різання, яку розвиває двигун приводом). Це залежить від того, що це за параметр. Якщо це розмір, машинний час 30 с, то кожні 30 с потрібно проводити контроль при цьому зважаючи на допуск.