6.3. Обеспечение безотказности

Безотказность работы машин и другой техники обеспечивается специальными методами на всех этапах жизненного цикла изделия. Существует значительное количество разнообразных способов повышения безотказности техники. Поэтому практическая задача заключается в рациональном подборе и применении оптимальных способов и средств повышения надежности с учетом их технических и экономических показателей.

Повышение безотказности на этапе проектирования и конструирования

Известно, что уже при проектировании и конструировании закладывается та или иная безотказность изделия. При этом конструктор осуществляет расчеты характеристик безотказности для прогнозирования работоспособности и обоснования предлагаемого к изготовлению варианта изделия, для выбора комплектующих технических средств, для осуществления способов резервирования элементов с недостаточной надежностью и т.д.

Многочисленные характеристики безотказности сложных технических систем, какими являются, например, машины, обычно определяются поэлементно, а потом уже синтезируются в итоговый результат. Для определения характеристик безотказности работы элементов машины, т.е. ее деталей, все детали машин подразделяются на три группы: детали тяжело нагруженные и изнашивающиеся (группа А), детали основные (группа Б) и детали вспомогательные (группа В).

К деталям группы А относятся те детали, рабочая функция которых состоит в передаче мощностей или в том, чтобы служить опорами для движущихся нагруженных деталей. Их называют также активными. Эти детали в процессе работы машин подвергаются износу. Вследствие износа происходит изменение размеров, формы и качества рабочих поверхностей. К деталям этой группы можно отнести различные подшипники, детали зубчатых, червячных и фрикционных передач, валы, оси, детали механизмов движения и т.п.

Детали группы Б обеспечивают правильное расположение деталей первой группы и их взаимодействие. Эти детали могут быть названы также основными или опорными. К деталям этой группы относятся станины, фундаментальные рамы, блоки цилиндров, кронштейны, стойки и т.д.

К деталям группы В относятся различные детали вспомогательного назначения, служащие для управления машиной и обеспечения нормальной работы деталей первых двух групп.

Безотказность технических изделий зависит от правильного выбора материала для отдельных ее деталей. Назначение материала для деталей машин зависит от ряда факторов, а именно: от величины и характера силовых нагрузок, от химической активности среды, в которой работают детали, от рода и вида трения поверхностей сопряжено работающих деталей. При этом приходится учитывать особенности каждого из рассматриваемых материалов, в частности: изменение физико-механических свойств при работе в условиях низких или высоких температур; усталость и ползучесть (деформируемость при эксплуатации); старение материала и многое другое. При выборе материала существенное значение имеют его технологичность обработки и стоимость, так как достижение необходимой надежности не до­лжно обходиться слишком дорого.

Конструкция изделия, например, машины должна быть по возможности наиболее простой, т.е. она должна состоять из на­именьшего количества деталей. Это повышает безотказность машины. Конструкция машины должна быть технологичной для сборки и разборки. Одна должна обеспечивать доступ к отдельным ее элементам для наблюдения за их работой и для обслуживания (смазка, регулировка, замена, ремонт). Технологичность конструкции способствует повышению качества сборки, влияет на характеристики надежности работы машины.

На этапе проектирования и конструирования часто решается вопрос необходимости использования метода резервирования машины. Резервированием называют эффективный способ повышения безотказности путем параллельного включения в систему машины резервных (дополнительных) элементов, способных в случае отказа основного элемента выполнять его функции.

В общем случае надежность, так называемой неизбыточной системы машины, т.е. системы, для исправной работы которой необходима исправность всех входящих в нее элементов, определяется как произведение вероятностей безотказной работы всех элементов системы. Конструкция такой технической системы состоит из последовательно соединенных элементов (рис. 19).

Поэтому вероятность безотказной работы машины как системы, элементы которой соединены (в надежностном смысле) последовательно, имеет вид:

(6.13)

где .P_i(t) — вероятность безотказной работы i-го элемента за наработку времени t,

п — количество элементов в системе.

Из соотношения (6.13) следует, что утрата работоспособности любого элемента последовательной системы приводит к отказу всей системы. Надежность изделия с последовательным соединением его функциональных элементов относительно невелика

Пусть, например, изделие с последовательно соединенными четырьмя элементами имеет показатели безотказности работы первого, второго и четвертого элементов, равные 0,9, а у третьего — 0,5. Общая безотказность такого изделия в соответствии с формулой (6.13) равна 0,36.

Элементы последовательных систем могут обладать различной безотказностью. Надежность такой системы всегда меньше надежности самого ненадежного элемента. Основным конструктивным способом устранения "слабых" мест в технических сиcтемах с последовательным взаимодействием их элементов является резервирование элементов с недостаточной надежностью.

Методы резервирования: общее, раздельное (поэлементное) и комбинированное (смешанное) резервирование.

Общим называется такое резервирование, при котором параллельно подключаются идентичные системы. При этом одна из систем, включающаяся первой, считается основной, а остальные — резервными. На рис. 20, а показана схема общего резервирования.

Раздельным (поэлементным) резервированием является ре­зервирование отдельных элементов системы изделия (рис. 20, б) в п звеньев

При комбинированном резервировании в.системе элементов изделия применяется как общее, так и раздельное резервирование.

Отношение числа резервных цепей (или элементов) к числу основных называется кратностью резервирования.

В случае общего резервирования вероятность отказа j-й параллельной цепи определяется так:

Так как в общей резервной системе (m+1) цепей, а отказ системы происходит при отказах всех цепей, то вероятность отказа такой резервированной системы

При одинаковости параллельных цепей, когда получаем, что итоговая вероятность отказов системы с общим резервированием такова:

(6.14)

Вероятность же безотказной работы системы изделия с об­щим резервированием записывается в виде следующего нера­венства:

(6.15)

В случае, когда все элементы системы равнонадежны, P_i(t)=P(t), то

(6.16)

Рассмотрим теперь соотношения вероятностей отказов и безотказной работы изделия за время t в случае раздельного резервирования элементов его системы. При раздельном (поэлементном) резервировании каждый элемент системы фактически состоит из (т+1) одинаковых и параллельно соединенных в звенья элементов. Значит, запись вероятности отказа раздельно резервированного элемента системы, т.е. звена, будет иметь вид:

Вероятность безотказной работы такого звена записывается в форме следующего уравнения:

(6.17)

Все раздельно резервированные элементы, став звеньями, соединены в системе последовательно, поэтому вероятность безотказной работы такого изделия следует записать так:

(6.18).

Если все элементы системы равнонадежны, то вероятность безотказной работы изделия с полным раздельным резервированием имеет следующее математическое выражение:

(6.19).

Основными способами включения резервных элементов (объектов или цепей) при отказе основных являются:

1. Постоянное резервирование, при котором резервные единицы (элементы, цепи или участки цепей) подключаются параллельно основным в течение всего времени работы (в "горячем" резерве) и находятся в одинаковом с ним режиме,