Лекция 14. Взаимозаменяемость и надежность изделия

Качество изделий, тесно связанное со взаимозаменяемостью, определяет их надежность. Увеличение долговечности изделий также невозможно без использования методов взаимозаменяемости и путей их осуществления, что особенно важно при организации и проведении мероприятий по техническому обслуживанию и ремонтам изделия, а также при создании обоснованного запаса деталей. В общем случае под надежностью понимается свойство изделия (объекта) сохранять во времени в установленных пределах все параметры, обеспечивающие выполнение изделием требуемых функций в заданных условиях эксплуатации.

Надежность занимает определяющие место в структуре качества изделия (рис. 22), предопределяя его конкурентоспособность.

Надежность характеризуется следующими основными состояниями и событиями:

– работоспособность – состояние изделия (машины), при котором оно способно выполнять заданные функции с параметрами, установленными в технической документации;

– исправность – состояние изделия (машины), при котором оно удовлетворяет всем основным и вспомогательным требованиям, предъявленным к изделию; исправное изделие обязательно работоспособно;

– неисправность – состояние изделия (машины), при котором оно не соответствует хотя бы одному из требований технической документации; различают неисправности, не приводящие к отказам, и неисправности, приводящие к отказам;

Рис. 22. Укрупненная схема взаимосвязи качества и надежности в машиностроении

– отказ – событие, заключающееся в полной или частичной утрате работоспособности объекта. Отказы делят на отказы функциональные, при которых выполнение своих функций рассматриваемой машиной прекращается (например, поломка вала или зубьев колеса), и отказы параметрические, при которых некоторые параметры машины изменяются в недопустимых пределах (например, потеря точности станка).

По причинам возникновения отказы делятся на систематические и случайные. Систематические причины отказов – это закономерные явления, вызывающие постепенное накопление повреждений: влияние среды, времени, температуры, облучения – коррозия, старение, нагрузка и работа трения – усталость, ползучесть, износ, функциональное воздействие – засорение, залипание, утечка, износ инструмента – изменение размера обрабатываемой детали и т.д. Случайные причины отказов – это непредусмотренные перегрузки узлов машин или деталей, дефекты материала и погрешности изготовления, не обнаруженные контролем, ошибки обслуживающего персонала, а также сбои систем управления. Примерами случайных отказов могут быть: твердые включения в материал детали, отклонения размеров заготовок от их допусков в процессе обработки, раковины внутри материала детали или микротрещины, вызванные скоплением дислокаций и т.д.

В соответствии с этими причинами и характером развития и проявления отказы делят на внезапные (поломки от перегрузок, заедание), постепенные по развитию и внезапные по проявлению (усталостное разрушение материала) и постепенные по времени (износ, старение, коррозия, залипание). Отказы в соответствии со своей физической природой бывают связаны с разрушением деталей или их поверхностей, что обусловлено выбором материала и технологическим процессом обработки.

Надежность изделия (машины) характеризуется безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью и сохраняемостью.

Безотказность – свойство машины непрерывно сохранять работоспособность в течение заданного времени или наработки. Характеризуется следующими показателями:

Вероятность безотказной работы Р(t) – вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ не возникнет. Она оценивается относительным количеством работоспособных элементов (машин) по формуле

, (39)

где N – число испытуемых элементов (машин);

N_p – число работоспособных элементов (машин);

п – число отказавших элементов (машин).

Так как безотказная работа машины и отказ – взаимно противоположные события, то сумма их вероятностей равна единице, т.е.

, (40)

где Q(t) – вероятность отказа машины.

Вероятность безотказной работы системы равна произведению вероятностей безотказной работы отдельных ее элементов, т.е.

. (41)

На рис. 23 приведены экспериментально полученные зависимости вероятности безотказной работы изделия Р(t) от коэффициента взаимозаменяемости К_В для различных типов производства. По этим графикам можно при заданной вероятности безотказной работы изделия применять тот или иной метод взаимозаменяемости.

Рис. 23. Зависимость вероятности безотказной работы изделия Р(t) от коэффициента взаимозаменяемости К_В: 1 – массовое производство;

2 – серийное производство; 3 – индивидуальное производство

Средняя наработка до отказа Т_о – математическое ожидание (среднее значение) наработки до отказа невосстанавливаемого изделия (машины).

Средняя наработка на отказ Т₁ – отношение наработки восстанавливаемого объекта (машины) к математическому ожиданию числа его отказов в течение этой наработки:

, (42)

где N – число испытуемых элементов или число испытаний;

n_i, – число отказов i-го элемента (число отказов в i-м испытании);

t_i – наработка i-го элемента (наработка в i-м испытании).

Интенсивность отказов λ(t) – показатель надежности невосстанавливаемых изделий, равный отношению числа отказавших элементов в единицу времени к числу объектов, оставшихся работоспособными. Этот показатель более чувствителен, чем вероятность безотказной работы, особенно для изделий высокой надежности и определяется по формулам:

– в статистической трактовке

; (43)

– в вероятностной трактовке

, (44)

где Δп – приращение числа объектов за время Δt;

f(t) – функция плотности распределения.

Функция плотности распределения f(t) наработки до отказа характеризует распределение отказов во времени и определяется по формулам:

– в статистической трактовке

; (45)

– в вероятностной трактовке

, (46)

где dQ(t) – приращение вероятности отказов за время dt.

Параметр потока отказов λ(t) – показатель надежности восстанавливаемых изделий, равный отношению среднего числа отказов восстанавливаемого объекта за произвольно малую его наработку к значению этой наработки.

Используя выражения (39), (43) и (45), можно записать основное уравнение теории надежности машин:

(47)

Долговечность – свойство машины длительно сохранять работоспособность до предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов. Предельное состояние машины характеризуется невозможностью дальнейшей эксплуатации ее, снижением эффективности и безопасности. Долговечность характеризуется следующими показателями:

– технический ресурс Т_р – наработка объекта от начала его эксплуатации или возобновления эксплуатации после ремонта до предельного состояния.

– срок службы Т_сл – календарная наработка объекта до предельного состояния.

– гамма-процентный ресурс Т_рγ. и гамма-процентный срок службы Т_сл.γ, т.е. такие ресурс и срок службы, при выработке которых объект не достигает предельного состояния с заданной вероятностью γ, выраженной в процентах. Очевидно, что

. (48)

Ремонтопригодность – это приспособленность изделия к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений и поддержанию и восстановлению работоспособности его путем технического обслуживания и ремонта. Основным показателем ремонтопригодности изделия является среднее время восстановления Т_в работоспособного состояния, представляющее собой математическое ожидание времени восстановления работоспособного состояния объекта:

, (49)

где τ_i – суммарное время простоев 1-го объекта;

n_i – количество отказов i-го объекта.

Сохраняемость – это свойство объекта сохранять значение показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности после хранения и транспортирования. Показателями сохраняемости объекта являются средний срок сохраняемости и гамма-процентный срок сохраняемости, которые определяются аналогично показателям долговечности.

Надежность автоматических линий, металлорежущих станков с ЧПУ и других сложных систем характеризуется следующими комплексными показателями:

– коэффициентом технического использования К_т.и. называется отношение математического ожидания времени работоспособного состояния за некоторый период эксплуатации Т_р, к сумме математических ожиданий времен работоспособного состояния Т_р и всех простоев во время ремонтов Т_пр и технического обслуживания Т_обс:

; (50)

– коэффициентом готовности К_Г называется вероятность того, что объект окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме периодов, в которых эксплуатация его не предусматривается:

. (51)

Жесткая конкуренция в условиях рыночных отношений вынуждает создавать изделия, обладающие не только высокими эксплуатационными свойствами, надежностью, но и обеспечивающие минимальные затраты на обслуживание, энергопотребление и экологию. В результате введен в практику производственной деятельности предприятий машино- и приборостроения интегральный показатель качества созданного изделия, по которому можно судить о конкурентоспособности последнего. В него включаются следующие параметры:

1) параметр эффективности функционирования, представляющий, например, объем выпускаемой или контролируемой продукции Q;

2) эксплуатационные расходы, включающие, например, годовые затраты на оплату труда производственного персонала Зр, затраты на реновацию оборудования М, здания С, затраты на энергопотребление Э;

3) экономические затраты на обеспечение надежной работы изделия Н.

В общем виде интегральный показатель качества надежности изделия Кj определяется по формуле

. (52)

Полученное значение интегрального показателя качества Кj, учитывающего надежность изделия, обычно сравнивается с интегральным показателем качества Кj*, не учитывающим надежность изделия и определяемым по формуле

. (53)

Отношение Кj / Кj* показывает, насколько выпускаемая продукция отвечает требованиям конкурентоспособности: чем ближе это отношение к 1, тем более конкурентоспособнее изделие по показателям надежности, тем выше его коэффициент взаимозаменяемости К_В и тем меньше затраты на восстановление его работоспособности после устранения отказа.