Надёжность / Все лекции по надёжности

Лекция 2

Надежность как фактор безопасного и эффективного использования машин.

Эффективность эксплуатации технических и технологических систем в зависимости от уровня их надежности. Факторы, влияющие на надежность.

1 Надежность как фактор безопасного и эффективного использования машин.

Машины и механизмы как сложные технические системы имеют определенный так называемый жизненный цикл, особенности которого необходимо учитывать в процессе создания и эксплуатации систем.

Жизненным циклом сложной технической системы (СТС) принято называть интервал времени от начала создания СТС до конца её эксплуатации, при этом за начало жизненного цикла можно принять зарождение идеи о необходимости создания СТС, а конец - снятие системы с эксплуатации.

Иногда с целью экономии средств вместо создания новой СТС модернизируют старую.

Жизненный цикл любой машины (или комплекса машин) включает в себя несколько стадий, которые укрупненно представлены ниже:

-исследование и обоснование разработки;

-проектирование;

-создание опытного образца;

-испытания опытного образца;

-серийное производство;

-эксплуатация;

-снятие с эксплуатации (утилизация).

На стадии исследования и обоснования разработки формируют исходные данные и технические задания (ТЗ) на проведение научно-исследовательских работ (НИР) и опытно-

конструкторских работ (ОКР).

На стадии проектирования выполняют эскизный или технический проект, в том числе и разрабатывают конструктивно-компоновочную схему машины.

После выпуска эскизного проекта ведется разработка рабочей документации и наземная экспериментальная отработка, которые включают в себя:

-выпуск рабочих чертежей создаваемого изделия;

-проведение комплекса расчётов по всем направлениям;

-проектный анализ возможных последствий и критичности отказов;

-лабораторные и доводочные испытания;

-комплексные испытания по подтверждению основных характеристик изделия в

целом.

На стадии серийного производства выпускают установочную партию для отработки технологического процесса и тщательно контролируют качество изделий. На этой стадии возможны изменения и доработки изделий. В дальнейшем технологию поддерживают неизменной.

Эксплуатация машин ведется в эксплуатирующих организациях и включает в себя основные технологические процессы:

-применение машины по назначению;

-поддержание и (или) восстановление работоспособного состояния путем выполнения технических обслуживаний и ремонтов машины и ее элементов.

На стадии эксплуатации возможны отдельные доработки по замечаниям, выявленным в процессе эксплуатации, а также модернизация элементов машины.

Надёжность любого изделия в основном определяется этапом проектирования. На остальных этапах она уточняется и подтверждается. Только при наличии грубых ошибок в проектировании количественные значения надёжности могут существенно меняться.

В процессе эксплуатации машины ее надёжность растет за счет устранения конструктивных ошибок и стабилизации производственных (технологических) процессов.

Тем не менее, ошибки при проектировании неизбежны и задача состоит в том, чтобы как можно больше ошибок устранить на ранних стадиях создания машины или механизма.

При пропуске ошибок на этапах проектирования, испытаний, серийного производства и эксплуатации приходится дорабатывать проект или технику. Чем позже выявлены ошибки,

тем большие финансовые средства необходимы на доработки. В литературе по надёжности приводится примерное соотношение затрат на исправление ошибок (1:10:100:1000). Это соотношение следует понимать следующим образом: на исправление проектной ошибки,

если она выявлена сразу, требуется столько же средств, сколько потрачено на её

«совершение». Если проектная ошибка обнаружена на этапе отработки, то на её устранение требуется средств на порядок больше, так как это связано с производством опытных образцов. Если проектная ошибка обнаружена на этапе серийного производства, то на её устранение требуется средств на два порядка больше, так как это связано с корректировкой технологического процесса и заменой некоторых составных частей изделия. Если проектная ошибка обнаружена на этапе эксплуатации, то на её устранение требуется средств на три

порядка больше, чем на её «создание», так как это связано еще и с заменой эксплуатируемых образцов техники (пример с массовым отзывом легковых автомобилей в автопроме).

Накопление информации о надёжности машины и ее составных частей происходит последовательно на всех стадиях жизненного цикла.

Отличительной особенностью создания надежных машин и механизмов является учет изменения их состояния во времени при эксплуатации. С этой целью все время «жизни» готового изделия разделяется на этапы эксплуатации или периоды функционирования. Эти этапы или периоды могут быть более или менее крупными и степень подробности зависит от типа машины и поставленных задач по анализу надёжности.

Обычно принято выделять следующие укрупненные этапы эксплуатации машин и механизмов:

-хранение в ожидании применения;

-транспортировка;

-функционирование.

На каждом этапе и периоде машины должны характеризоваться своими показателями надежности (показатель надёжности - это количественная характеристика свойств надёжности; более подробно показатели надёжности рассмотрены в последующих разделах).

Можно привести аналогию со здоровьем человека. Например, нормальная температура тела человека еще не означает, что он здоров. Существует множество показателей,

характеризующих здоровье человека, в частности показателей качества крови и др.

Так же обстоит дело и в подъемно-транспортной и строительной технике. Нельзя характеризовать надёжность сложных технических систем одним показателем. Показатели надёжности должны учитывать: сложность состава; целевое функционирование во времени;

различные этапы эксплуатации; отдельные периоды функционирования и др. Причём, чем больше показателей надёжности используется при проектировании и эксплуатации машин,

тем объективнее картина с точки зрения надёжности.

Связь надежности с этапами «жизненного цикла» машины

Особенностью проблемы надежности является ее связь со всеми этапами проектирования, изготовления и использования машины, начиная с момента формирования и обоснования идеи создания новой машины и кончая принятием решения о ее списании.

Поэтому особенно важным является выявление связей между показателями надежности и возможностями их повышения на каждом этапе проектирования, изготовления,

эксплуатации, ремонта машин.

Этап 1. Проектирование. При проектировании и расчете машины закладывается ее надежность. Она зависит от конструкции машины и ее узлов, применяемых материалов,

методов защиты от различных вредных воздействий, системы смазки, приспособленности к ремонту и обслуживанию и других конструктивных особенностей.

Этап 2. Производство. При изготовлении машины обеспечивается ее надежность. Она зависит от качества изготовления деталей, методов контроля выпускаемой продукции,

возможностей управления ходом технологического процесса, качества сборки машины и ее узлов, методов испытаний готовой продукции и других показателей технологического процесса.

Этап 3. Эксплуатация. При эксплуатации машины реализуется ее надежность.

Показатели безотказности и долговечности проявляются только в процессе использования машины и зависят от методов и условий эксплуатации машины, принятой системы ее ремонта, методов технического обслуживания, режимов работы и других эксплуатационных факторов.

Этап 4. Ремонт. При ремонте машины обеспечивается повышение уровня ее надежности, близкого к номинальному значению. Показатели ремонтопригодности и сохраняемости проявляются только в процессе ремонта машины и зависят от конструкции машины и ее узлов, технологических способов и процессов ремонта, системы организации сборки и методов испытания отремонтированной продукции, а также от других показателей технологического процесса ремонта.

2 Эффективность эксплуатации технических и технологических систем в

зависимости от уровня их надежности.

Эффективность любой системы определяется соотношением результата от ее применения и затрат на ее эксплуатацию. Показателем эффективности применения строительных машин может служить прибыль от их использования. Задачей оптимального использования техники является получения максимальной прибыли. Реализация итоговой прибыли от эксплуатации техники в виде функции времени определяется выражением:

П(t) = В(t) - Z(t) -У(t) → max ,

(1)

где: В(t), Z(t) – соответственно выручка и расходы от производственной деятельности за расчетный период;

У(t) – величина ущерба, вызванная срывом нормального хода производственного процесса;

t – возраст эксплуатируемого оборудования.

Хотя модель (1) представлена в детерминированном виде, в действительности неопределённость условий эксплуатации обусловливает стохастический характер ее составляющих. Обычно основной доход предприятие по эксплуатации строительных машин получает за счет оказания услуг по предоставлению машин строительным организациям.

Величина выручки определяется суммой произведения оплачиваемой наработки Тi(t) каждой машины за расчетный период на цену машино-часа Цiм-ч , т.е. суммой выручки Вi(t) от эксплуатации отдельных машин:

B(t) Bi (t) Ti (t) * Цiм ч

(2)

В случае, если предприятие само подряжается на производство строительных работ,

его выручка будет связана с производительностью машины Qi(t), ценой единицы продукции

сi и наработкой Тi(t):

B(t) Qi (t) *ci *Ti (t) * kiu ,

(3)

где kiu - коэффициент использования потенциала машины (рабочего времени,

мощности, грузоподъемности и т.п.). Затраты имеют весьма сложную структуру. В

упрощенном виде состав затрат, приходящихся на i-тую машину, можно представить выражением:

Z (t) Zi (t) Ai (t) Зi Z ПЭБi ZBCi Hi Z ПР ZiГГС (t) ZiТТО (t)

(4)

где Ai(t) - амортизационные отчисления; Зi - зарплата машинистов; ; ZПЭБi - затраты на содержание производственно-эксплуатационной базы, ZBCi - отчисления в вышестоящую организацию, учредителям и т.п.; Нi - налоги; ZПР - прочие отчисления (на страховки,

банковские проценты по кредитам, лизинговые платежи, разрешения, техосмотры и пр.);

ZiГСМ(t) - затраты на горюче-смазочные материалы и рабочие жидкости; ZiТОР(t) - затраты на технические обслуживания и ремонты, в том числе на запчасти и быстроизнашивающиеся части. Первое слагаемое выражения (4) в квадратных скобках экономисты рассматривают как условно-постоянные затраты Zпост(t), не зависящие от количества выпущенной

продукции (отработанных машино-часов) за расчетный период (но это не значит, что Zпост(t),

не зависят от среднего возраста парка машин). Второе слагаемое в квадратных скобках – переменные затраты Zпер(t),, возрастающие пропорционально объему продукции.

Ущерб можно представить как сопутствующие потери, сопровождающие простои машин из-за отказов. Если отказ возникает вследствие плановых технических воздействий,

то ущерб, как правило, не возникает, т.к. система заранее подготавливается к простою части оборудования. Внезапные же отказы сопровождаются простоем не только отказавшей машины, но и ресурсов, технологически связанных с данной машиной. Последствием отказов может быть также снижение качества продукции, ущерб в социальной,

экологической и др. сферах. Большинство проявлений ущерба обычно можно оценить экономически, причем величина ущерба пропорциональна времени простоя оборудования:

У (t) Уi (t) yi Tiпп (t) ,

(5)

где уi - величина ущерба в единицу времени. В общем случае уi может быть функцией

Tiпр. Т.к. продолжительность простоев связана с интенсивностью отказов и временем восстановления, то ущерб, можно рассматривать как комплексный показатель надежности,

характеризующий две ее составляющих – безотказность и ремонтопригодность. Таким образом, модель (1) связывает технические, экономические и надежностные характеристики машины.

Понятие об эксплуатационной надежности

Под эксплуатационной надежностью машины понимается ее способность сохранять работоспособность при использовании в течение определенного промежутка времени. В

свою очередь, под нарушением работоспособности машины понимается остановка ее работы по техническим причинам (из-за поломки элемента, вследствие достижения предельного состояния и др.).

Формирование уровня эксплуатационной надежности характеризуется схемой на Рис.

1.

Рис. 1 Схема формирования уровня эксплуатационной надежности машины

В передовой практике используют ряд важных для потребителей показателей эксплуатационной надежности. В качестве основных обобщенных показателей уровня надежности машины («А», Рис. 1) за календарный период времени Тк используются:

Коэффициент технической готовности – это вероятность того, что объект окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме планируемых

периодов, в течение которых применение объекта по назначению не предусматривается.

На практике коэффициент технической готовности часто определяют как:

KТГ			Т раб		(6)
			раб Т
		(Т		восст )

где Траб. – время работы машины (в часах); Твосст – время восстановления технического состояния машины (в часах).

Коэффициент технического использования - отношение математического ожидания суммарного времени пребывания объекта в работоспособном состоянии за некоторый период эксплуатации к математическому ожиданию суммарного времени пребывания объекта в работоспособном состоянии и простоев, обусловленных техническим обслуживанием и ремонтом за тот же период.

Для практических целей часто используют следующую интерпретацию

коэффициента технического использования:

KТИ			Т раб		(7)
		(Т раб	Твосст ТТО Т
				Д )

где ТТО и ТД – суммарное время технического обслуживания и диагностирования (в

часах) машины.

Основными показателями группы мер «Б» (Рис. 1) для машин за календарный период времени Тк являются:

средняя наработка То.р. между ремонтами;

средняя наработка То.ТО на техническое обслуживание;

средняя наработка То.д. для выполнения работ по диагностированию.

Основными показателями группы мер «В» (Рис. 1) за календарный период времени Тк

являются:

средняя продолжительность одного ремонта Трем.1 (в ч);

средняя продолжительность одного технического обслуживания ТТО1 (в ч);

средняя продолжительность одного диагностирования Тд.1 (в ч).

Различают планируемые и фактические значения показателей эксплуатационной надежности. Соответственно их привязывают к году эксплуатации машины (1-й, 2-й и т.д.) и

условиям работы (природно-климатическим и виду выполняемых работ). Следует иметь в виду, что уровень надежности отдельной машины уменьшается по годам эксплуатации.

Особенно интенсивно это наблюдается после 3-4-х лет использования. В передовой практике широко используются эффективные информационные системы, позволяющие определять показатели надежности отдельных машин за определенный календарный промежуток времени. По отношению к лучшим мировым образцам машин применительно к конкретной модели техники можно различить «высокий», «средний» и «низкий» уровень эксплуатационной надежности, характеризуемый определенными значениями показателей надежности.

Прогрессивные значения важнейших показателей эксплуатационной надежности машины составляют: То.р. = 120 – 200 ч, Трем.1 = 3 – 6 ч. В российской практике часто То.р. = 40

– 100 ч, Трем.1 = 5 – 20 дней. Следует отметить, что характеристики эксплуатационной надежности оказывают непосредственное влияние на другие важнейшие характеристики работы машины, такие как эксплуатационная производительность и эксплуатационная экономичность. В составе последней существенными являются потери от простоев машин по техническим причинам (Пт.п.), которые практически не учитываются в российской практике.

Приблизительно Пт.п. рассчитываются как:

Пт.п. = Трем. × Ач = Траб. × Ач × Трем.1 / То.р.,

(8)

где Ач – средняя часовая арендная ставка машины в руб./ч.

Характеристики надежности также влияют на экономически целесообразный срок службы машины и ее цену при продаже после определенного срока применения. Таким образом, можно утверждать, что характеристики эксплуатационной надежности по сравнению с другими характеристиками машины оказывают наибольшее влияние на успех деятельности потребителя этой машины. Они являются важнейшими показателями потребительской ценности машины. Влияние уровня эксплуатационной надежности машины на полезные результаты от использования машины у потребителя отражены схематично на Рис. 2.

Рис. 2. Влияние повышения уровня эксплуатационной надежности машины на эффективность ее использования

Вполне очевидно, что в достижении определенного уровня эксплуатационной надежности машин участвуют предприятия (подразделения), осуществляющие проектирование машины, ее изготовление и эксплуатацию. В свою очередь, возможны следующие сочетания предприятий, участвующих в достижении требуемого уровня надежности машины:

производитель, дилер, потребитель;

производитель, дилер, арендное предприятие, потребитель;

производитель, потребитель и др.

Ниже основное внимание уделяется первому сочетанию, как наиболее распространенному. При необходимости рассматриваемое ниже распределение функций по формированию уровня надежности может быть распространено на любое сочетание. Схема формирования определенного уровня надежности при участии производителя, дилера и потребителя приводится на Рис. 3. Группа мер с индексом «Б» оказывает влияние на способность машины работать без остановок по техническим причинам. Группа мер с индексом «В» оказывает влияние на продолжительность остановок машины по техническим причинам.