Надежности технологических машин. Обеспечение запасными частями и нормы расхода

Лекция 5 Обеспечение запасными частями и их нормы расхода Для поддержания надежности технологических машин в процессе их эксплуатации необходимо обеспечить: • правильный выбор горно-технических условий эксплуатации; • повышение квалификации работников, обслуживающих машины и оборудование; • своевременное снабжение запасными частями и расходными материалами машин; •  сбор данных об отказах и об опыте эксплуатации, техобслуживании и ремонте машин; •  связь с проектно-конструкторскими организациями и заводами –изготовителями машин; • научная организация эксплуатации машин. Правильный выбор горно-технических условий эксплуатации заложен в определении термина надежность «…способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях эксплуатации…» Он определяет использование каждой машины или оборудования по назначению, указанному в нормативно-технической эксплуатационной документации на изделие. Повышение квалификации операторов машин, вспомогательного и ремонтного персонала обеспечит эксплуатацию изделий в строгом соответствии с их руководством по эксплуатации. Связь с проектно-конструкторскими организациями и заводами-изготовителями изделий необходима для получения информации о модернизации изделия или их узлов и последующей покупки более надежных запасных частей. В период гарантийного срока эксплуатации машин завод-изготовитель получает информацию о малонадежных и быстроизнашивающихся узлах и деталях изделия. Совместно с проектной организацией принимаются конструктивные и технологические меры по повышению их надежности. С другой стороны, информацию о малонадежных узлах новых машин получают и дилеры, торговые организации по реализации запчастей данных заводов-изготовителей машин. Для обеспечения потребности эксплуатирующих организаций в малонадежных изделиях закупаются значительные их партии. После модернизации этих изделий на заводах-изготовителях малонадежные узлы оседают на складах торговых организаций. Они реализуются тем эксплуатирующим организациям, которые не имеют постоянной связи с проектными организациями и заводами-изготовителями машин. Одной из составляющих общего времени восстановления отказов является время ожидания доставки отказавшей детали или узла. Если запасная часть имеется на складе предприятия, то доставка ее к месту эксплуатации отказавшей машины по времени незначительна. Однако покупать и хранить на складе запчасти невыгодно, если потребность в них не обоснована. Необходимо знать календарную периодичность замены быстроотказывающих деталей для сокращения срока восстановления аварийных или для их своевременной замены при плановых ремонтах, исключив при этом аварийные. Обычно нормы расхода запасных частей определяют по статистическим данным об отказах машин в эксплуатации, требующих замены деталей. Но новые машины по конструкции отличаются от аналогов. Кроме того, новые машины изготавливаются из других материалов, по другой технологии и должны отвечать другим требованиям потребителя. Изложенные методы расчета надежности машины на этапе проектирования позволяют вычислить прогнозные объемы производства и нормы расхода запасных частей для вновь создаваемых машин. Эти расчеты могут быть выполнены и механиками, эксплуатирующими машины. На основе этих расчетов можно с определенной достоверностью определить календарное время закупки запасных частей для замены отказывающих. Основными исходными данными для этих расчетов являются расчетные значения средних ресурсов деталей, которые с помощью коэффициентов использования приводятся к единому для всех деталей календарному времени работы до их первой замены. Затем вычисляется число таких замен за межремонтный цикл и за каждый год эксплуатации машины, что дает возможность определить ожидаемую потребность в запасных частях в зависимости от срока службы каждой машины, находящейся в смешном по возрасту машинном парке эксплуатируемой техники. Учет изменения численности парка по возрастным группам дает возможность определить предполагаемые ежегодные объемы производства запасных частей по всей номенклатуре. Такова общая методология расчета объема производства и норм расхода запасных частей. При этом следует иметь в виду, что потребность в замене деталей одного наименования из года в год возрастает по экспоненциальной зависимости. Поэтому желательно использовать в расчетах статистическую информацию о сроках службы конкретных машин до первой замены деталей данного типономинала.           Определение потока замены деталей Характеристики потоков замены деталей изменяются в каждом последующем ремонтном цикле. Поэтому определяется в первом приближении число ремонтных циклов за весь срок службы машины по методике [3]. Определяется число ремонтных циклов машин до ее списания:    (6.1)  где – средний срок службы машины до ее списания, год; – коэффициент использования машины в течение года; Q–округленное до ближайшего большего целого числа, число ремонтных циклов; – средний ресурс машины до первого капитального ремонта. Число замен j-й детали рассчитывается по формуле, учитывающей весь срок службы машины:          (6.2) где и–коэффициенты использования j-й детали и i-го узла с j-й деталью;  – средний ресурс j-й детали, ч; – округленное до большего целого числа число замен j-й детали. Среднее число замен  j-й детали в каждом ремонтном цикле определяется по неокругленным данным:                            (6.3)  Средние сроки службы машин до списания следует применять по периодически пересматриваемым нормам амортизационных отчислений. Коэффициент использования машины в течении года Ku определяется в зависимости от режима работы предприятия отношением чистого времени работы машины к общему времени календарного года. При определении чистого времени работы учитывают: сменность работы, количество выходных и праздничных дней, плановые техобслуживания и ремонты, прогнозируемые простои по аварийным ремонтам и использование машины в течение смены. Коэффициент использования i-го узла в машине Кi определяется отношением чистого времени работы узла к чистому времени работы машины в течение года. Коэффициент использования j-й детали в i-м узле Кj определяется отношением чистого времени работы  j-й детали к чистому времени работы узла в течение года. Тогда номера замен fj в каждом ремонтном цикле с номером k =1; 2… Q будут распределены:   для k =1      ; для k =2      ;                                                                 (6.4) для k =Q       Условный порядковый номер замены j-й детали в каждом ремонтном цикле (коэффициент периодичности замены) будет определен по выражению:                             (6.5)  здесь значения fj принимают в интервале . Коэффициент сокращения каждого последующего ремонтного цикла «с» принимают в интервале Для вычисления периодов замены деталей необходимо определить срок службы каждой детали до ее первой замены:                      (6.6)  Тогда срок замены j-й детали в каждом ремонтном цикле определяют с учетом условного порядкового номера замены Bk и сокращения продолжительности работы машины в каждом последующем ремонтном цикле «с»:                        (6.7)  Если вычислять периодичность замен с начала эксплуатации машины, нужно знать продолжительность работы машины к моменту возобновления ее работы после очередного капитального ремонта. Для определения этой величины учитывают суммарное сокращение предыдущих ремонтных циклов через коэффициент:                               (6.8)  Если , то суммарный срок службы машины с замененными деталями j-го наименования равен             (6.9)  где . Тогда поток замены деталей j-го наименования будет определен периодичностями:                (6.10)  Если , то срок службы j-й детали до ее первой замены будет превышать продолжительность первого ремонтного цикла машины и поток замен определится выражением, в котором учитывается сокращение сроков замены деталей j-го наименования, а не ремонтных циклов:           (6.11)  Это первый этап определения потребностей в запасных частях машины. Ежегодная потребность в запасных частях на одну машину Для определения потребности в запасных частях j-й детали необходимо дополнительно учитывать степень разброса значений замен деталей. Величину – среднеквадратичное отклонение продолжительности работы машины до каждой замены j -й детали определяют по формуле                         (6.12)  где значение получают из статистической информации продолжительности работы детали до первой замены. При ее отсутствии для расчетов принимается  года. Для более точного определения потребности в запасных частях необходимо знать закон распределения замен. Наиболее распространен нормальный закон распределения замен, а следовательно, и поставки запасных частей. Для этого закона потребность рассчитывают путем интегрирования кривой распределения срока очередной замены j-й детали в пределах m года эксплуатации:                   (6.13)  величина представляет собой квантиль нормированной случайной величины t (срока службы детали до очередной замены). Ее вычисляют по таблице интегралов вероятностей Ф(z) [3] для всех лет эксплуатации m=1;2;..а:                   (6.14)  Ежегодная потребность для одной машины в долях единицы в j -й детали по всем номерам замен в пределах m года эксплуатации определяется суммой по всем заменам:                       (6.15)  Потребность в заменяемых деталях j-го наименования на 1 машину в m году в долях массы машины или ее стоимости определяется:                  (6.16)  где – масса (цена) детали, кг (руб); – число одновременно заменяемых деталей j-го наименования. Общая потребность по массе (стоимости) в запасных частях в m год эксплуатации по всем наименованиям деталей:                                   (6.17)  Общая потребность в запасных частях расчет с каждым последующим годом эксплуатации машины до последнего года m = a. Этот рост подчиняется экспоненциальному закону распределения. Расчет показателей надежности машин на основе ожидаемых норм расхода запчастей Предложенная методика расчета запасных частей может использоваться для предварительной оценки надежности новой техники по частоте отказов и объемам потребления запчастей в период эксплуатации техники. Средняя годовая норма расхода j-й запасной части в стоимостном или физическом выражении на одну машину в m году эксплуатации парка, тыс.руб. (т) /год                                       (6.24)  где – парк машин, определяемый матрицей (6.22) Средняя годовая норма расхода j-й запасной части в натуральном выражении на 1 машину в m  году эксплуатации парка машин, шт/год,                      (6.25)  Средняя норма расхода  j-й запасной части в натуральном выражении на 1000 часов наработки машины определяется формулой                          (6.26)  Средняя норма расхода по всей номенклатуре запасных частей на один год эксплуатации или на 1000 часов наработки определится по выражению                    (6.27)  Средний расход запасных частей в относительных единицах на 1 машину за весь период эксплуатации (показатель потребления) находят по формуле                                 (6.28) Полученные значения используются для определения показателей надежности. Значение наработки на отказ машины по замене j-й детали в m  году эксплуатации будет равно:                            (6.29)  Наработка на отказ i -го узла                      (6.30)  Наработка на отказ машины                          (6.31)  В формулах l  – число различных заменяемых деталей в узле; S – число заменяемых деталей в машине; n3 – число одновременно заменяемых деталей одного типонаминала; nj – число однотипных деталей. Если в формулах вместо стоимости деталей подставить значения оперативных ремонтных затрат, то получим средние затраты на замену j-й детали в m году эксплуатации. Суммируя эти затраты по всем заменяемым деталям и всем годам службы машины получим средние значение суммарной трудоемкости ремонтов                  (6.32)  Зная значение среднего ресурса машины можно получить другой показатель ремонтопригодности – удельную суммарную оперативную трудоемкость ремонтов:                                      (6.33 Научная организация эксплуатации машин Представленный расчет норм расхода запасных частей для новых машин является предварительным ориентировочным, но его результаты заносятся в эксплуатационную документацию машины. Они являются  усредненными и не учитывают конкретных условий эксплуатации машин. В действительности условия эксплуатации могут быть более легкими или более тяжелыми и отличаются от усредненных. Поэтому механику эксплуатирующей организации необходимо иметь фактические сведения об отказах машин, эксплуатирующихся в идентичных или хотя бы аналогичных условиях эксплуатации, обобщать опыт эксплуатации однотипных машин. Многие узлы и детали горных машин и оборудования имеют большой разброс наработок до отказа. Не имея информации о фактических показателях надежности этих деталей, профилактические замены выполняют в периоды плановых технических обслуживаний и ремонтов. Периодичность, состав и трудоемкость планово–предупредительных ремонтов будут определяться с учетом нормативно-технической документации на изделие. Однако ряд деталей и узлов отказывает между плановыми ремонтами, создавая аварийные отказы. При восстановлении аварийных отказов выполняются те же работы, что и при профилактических заменах деталей в плановые ремонты. При этом возрастают затраты от простоев машин, работающих в комплексе с отказавшей. Профилактическая замена деталей через период, равный минимальной наработке  до отказа, является экономически не оправданной. В работе [9] для установления условия целесообразности и величины оптимального интервала профилактических замен деталей предложена формула                 (6.34)  где – показатель целесообразности профилактик (отношение стоимости эксплуатации при проведении профилактических замен к стоимости эксплуатации без них); – количество отказов в единицу времени при эксплуатации без профилактических замен; – количество отказов за период  при проведении профилактических замен; – количество профилактически замененных деталей; – средняя стоимость одной профилактической замены детали; – средняя стоимость «отказа», равная сумме стоимости профилактической замены и дополнительных убытков из-за простоев оборудования и других последствий отказа. Интервал профилактических замен должен выбираться таким, чтобы величина коэффициента  была минимальной и должна быть меньше единицы. Рациональный интервал профилактических замен определяется с учетом показателей безотказности, полученных по данным эксплуатации машины:               (6.35)  где – средняя наработка детали до отказа; – вероятность безотказной работы детали за период . Следовательно, чтобы определить рациональную периодичность планово–предупредительных ремонтов с учетом конкретных условий эксплуатации машин, необходима информация о количестве отказов, средней наработки до отказа, затратах на проведение плановых и неплановых (аварийных) работ за заданный период эксплуатации машины. Полученные периодичности, а возможно, и трудоемкости плановых ремонтов будут отличаться от рекомендаций нормативно-технический документации, но технически и экономически будут оправданы. Связь с проектными организациями и заводами-изготовителями машин Каждый завод-изготовитель машин и оборудования старается выпускать конкурентоспособную продукцию. Надежность изделий является одним из основных свойств качества продукции. Имея информацию о надежности узлов и деталей своих машин за гарантийный период (наличие или отсутствие рекламаций) и в послегарантийный (периодическое наблюдение) завод совместно с проектной организацией без общей модернизации машины совершенствует и повышает надежность быстроотказывающих деталей и узлов, внося в них конструктивные изменения. Эксплуатирующие организации, не имеющие связи с проектными организациями и заводами-изготовителями, покупают эти детали по старой номенклатуре малонадежными, несут постоянные убытки от их отказов и замен. Связь с заводами и проектными организациями позволяет иметь информацию не только о новых или планируемых к выпуску новых машинах, но и информацию о изменениях в серийно выпускаемых машинах и их показателях надежности. Диагностика технического состояния машин Процесс определения технического состояния изделий с определенной точностью называется техническим диагностированием. Результатом диагностирования является заключение  о техническом состоянии изделия с указанием мест, видов и причин дефектов. Своевременное обнаружение дефектов позволяет их устранять в плановом порядке, что повышает показатели надежности и технико-экономические показатели эксплуатации машин. Это достигается решением следующих задач: предотвращением аварийных отказов; корректировкой сроков и объемов технического обслуживания и ремонтов; увеличением фактического времени работы машины, сокращением потребности в новых деталях в результате своевременного их ремонта. Необходимый эффект достигается при организации плановых ремонтов машин «по потребности». Диагностика базируется на экономических основах. Она эффективна тогда, когда затраты на нее меньше, чем экономия затрат от расходуемых запчастей, повышения производительности машин, сокращения трудовых затрат на ремонт и др. Номинальные и предельные величины параметров диагностирования должны приводиться в контрольно-диагностических картах нормативной конструкторской документации на изделие. По точности оценки технического состояния изделия можно разделить диагностирование на приближенное и точное. Приближенное – производится при помощи органов чувств исполнителя или простейших приборов, точное – требует специальных контрольно–измерительных приборов и значительных ресурсов на его проведение. Диагностические средства делятся на встроенные в машину и внешние. Встроенные датчики, индикаторы входят в конструкцию машины и являются средствами непрерывного наблюдения. Примером могут служить приборы засоренности фильтров, гидрожидкостей и масел, объема (уровня) топлива и масел, температуры жидкостей, давления, напряжения и силы тока и др. Внешние средства диагностирования бывают переносными, передвижными и стационарными. Переносные определяют, например, концентрации сажи и СО в газах, углы опережения зажигания и своевременность подачи топлива в двигатели внутреннего сгорания, давления в картере, в топливной системе, напряжение в зарядной цепи, плотность электролита и др. Передвижные оснащаются тормозными устройствами, подсоединяемые к основной трансмиссии и измеряют несколько параметров характеристики изделия. Стационарные средства диагностирования используются в мастерских. Они оценивают изделие в целом, используя механические, температурные, акустические, электрические, тензометрические и оптические методы. Мероприятия по обеспечению надежности машин в условиях холодного климата         Условия эксплуатации горнодобывающих машин в районах Сибири и Севера Развитие нефтяной промышленности в районах Сибири, Дальнего Востока  и Севера выявили проблему повышения надежности эксплуатируемых там машин и механизмов, подвергающихся постоянному воздействию низких температур и других факторов холодного климата. Влияние этих факторов обуславливает снижение надежности машин в зимнее время на 15–20 %, увеличение трудозатрат на техобслуживание и ремонты, сокращение срока службы техники и оборудования. Низкий уровень технической готовности машин (Кг=0,8÷0,9) в большинстве случаев компенсировался увеличением парка действующих машин, что приводило к росту основных фондов, снижению экономической эффективности работы машин и оборудования. Кроме непосредственного влияния низких температур на работу машин (до минус 60˚ С), необходимо учитывать наличие вечной мерзлоты, полярной ночи, снежную целину, сложный рельеф с вмерзшимися валунами и обломками скальных пород, необходимость хранения машин в полярную пургу. Для периода переменных температур – оттаявший слой грунта на мерзлом основании, заболоченную поверхность тундры. Были разработаны система стандартов по климатическому районированию страны, технические требования к изделиям в исполнении для холодного климата («ХЛ»), указаны способы обеспечения надежности машин в экстремальных условиях.           Требования по обеспечению надежности и работоспособности изделий Для обеспечения надежности и работоспособности изделий в исполнении для холодного климата должен быть осуществлен комплекс мероприятий при их проектировании. Это специальные, конструктивные решения, повышение прочности и износостойкости, поправки к системе допусков и посадок, применения морозостойки материалов, специальные технологии сварки, термообработки, защитных покрытий и т. д. Например, основные узлы машин должны проектироваться с учетом всех факторов и условий эксплуатации, отмеченных выше. При этом – двигатели внутреннего сгорания должны быть готовы для работы под нагрузкой при температуре минус 40 ˚С за 30 мин, при минус 60˚С – за 45 мин. Кожухи и капоты должны оснащаться теплоизолирующими и теплорегулирующими устройствами, защищать от проникновения снежной пыли. Кабины машин должны быть теплоизолированы, обеспечивать необходимый воздухообмен, нагревательные устройства создавать температуру не ниже 10 ˚С. Пневматические системы должны снабжаться устройствами, предотвращающими замерзание в них влаги и конденсата. Системы смазки должны быть централизованными. В гидравлических системах должна применяться низкотемпературная рабочая жидкость. В системах охлаждения двигателей внутреннего сгорания – специальные низкотемпературные жидкости. Электрическая проводка и кабели должны иметь морозостойкое и влагостойкое изоляционное и защитное покрытие, выполняться только медными проводами. При компоновке изделий следует стремиться к максимальной взаимозаменяемости сборочных единиц и агрегатов. При расчете допусков и посадок учитывается температурное изменение посадок, разность коэффициентов линейного расширения материалов и увеличенный перепад рабочих температур соединений. В виду того, что линейные размеры и технические характеристики машин в исполнении для холодного климата остаются идентичными с машинами для умеренного климата по технологическим соображениям компенсацию допусков и посадок производят за счет сокращения допуска вала, сохраняя допуск отверстия. Требования к материалам изделий В качестве материалов для изготовления стальных конструкций применяют стальной прокат без дополнительной термообработки, но только из спокойной стали, или из стали, стабилизированной алюминием марки 0,8Ю. Стальной прокат после термической обработки, проводимой потребителем, рекомендуется различных марок, в зависимости от толщины сквозной прокаливаемости и требуемого предела прочности. Термообработка заключается в закалке и отпуске при температуре 200˚С для сталей из содержания хрома и 500 – 600˚С для сталей без него. Для конструкций из труб и сварных металлоконструкций рекомендуются низколегированные стали типа 0,9Г2С и 10ХСНД. Стальные отливки следует применять только после термообработки: нормализация, закалка – отпуск. Для сварных соединений следует применять автоматическую и полуавтоматическую сварку, в том числе в среде углекислого газа под флюсом. Для снижения влияния концентраторов напряжения обработку деталей давлением следует проводить в горячем состоянии 900 – 1100˚С. Охлаждение деталей до 300˚С следует проводить в печи, интенсивное охлаждение не допускается. Для резинотехнических изделий, работающих в воздушной среде, коэффициент морозостойкости по эластичному восстановлению после 30 % сжатия при минус 60˚С должен быть не менее 0,2. Степень сжатия герметизирующих прокладок должна быть 15–35 %. Температура хрупкости резинотехнических изделий должна быть не выше минус 60˚С. Изделия из пластмасс должны выполняться из специальных фторопластов, полиолефинолов, полистерольных пластиков, поливинилоцетатных и пенопластов, пластиков на основе эфиров целлюлозы, полиамидов, слоистых материалов. Нефтепродукты для изделий, предназначенных для эксплуатации в холодном климате, должны быть с улучшенными низкотемпературными свойствами. Бензины применять с повышенным октановым числом, с температурой помутнения не выше минус 60˚С. Дизельное топливо с цетановым числом не менее 50 и температурой застывания не выше минус 60˚С. Трансмиссионные масла не должны застывать при температурах минус 40 – 50˚С и содержать противоизносные присадки. Гидравлические и тормозные амортизаторные жидкости не должны замерзать при температуре минус 60˚С. Значения вязкости рабочей жидкости, определяющие нижний предел ее применения и обеспечивающие минимально необходимую прокачиваемость не должны превышать: 4500 – 5000 сСТ – для шестеренных насосов при 600 об/мин; 3500 – 4500 сСТ – для пластинчатых насосов при 1250 об/мин; 1800 – 2000 сСТ –для аксиально-поршневых насосов. Пневмоколесные шины должны иметь повышенную прочность на разрыв, повышенную стойкость к истиранию, температуру хрупкости не менее минус 60˚С. Требования к испытаниям и документации Головные и опытные образцы изделий в исполнении для холодного климата должны пройти испытания в экстремальных условиях их последующей эксплуатации. Гарантийный срок службы изделий должен быть не меньше чем у изделий для умеренного климата. Руководство по эксплуатации изделий должно быть дополнено разделами, содержащими особенности ухода и эксплуатации за системами отопления, охлаждения, технического обслуживания, хранения и консервирования машин, монтажа и демонтажа в условиях холодного климата, а также дополнительными требованиями по технике безопасности и перечнем возможных повреждений и отказов в работе специальных систем и узлов, способами их устранения. Для машин, оборудованных двигателями внутреннего сгорания должны быть дополнительные разделы по подготовке всех систем двигателя к пуску и пуск при низких температурах, уходу за аккумуляторами и тормозной системой, а также перечнем допускаемых к применению горюче-смазочных материалов и присадок к ним, охлаждающих рабочих жидкостей.