Организация работ по обеспечению надежности изделий на стадии проектирования

Лекция 3 Организация работ по обеспечению надежности изделий на стадии проектирования На этапе разработки технического задания на проектирование нового или модернизируемого изделия определяют требования к показателям надежности. Эту работу выполняют на основе предварительного структурного анализа надежности будущего изделия. На основе этого анализа разрабатывают требования к ресурсным показателям сборочных единиц изделия, определяющих периодичность текущих и капитальных ремонтов и ремонтные затраты на восстановление работоспособности каждого узла проектируемой машины. При разработке технического предложения, эскизного и технического проектов, требования к показателям надежности узлов являются основой для определения требований к показателям надежности деталей, что, в свою очередь определяет периодичность замены каждой детали и номенклатуру заменяемых деталей и ремонтируемых узлов. Определяются также объемы затрат в каждом планово-предупредительном ремонте. На этом этапе технического проектирования выполняют обоснование требований к комплексным показателям надежности. На этой же стадии проектирования определяют номенклатуру узлов и деталей, подлежащих стендовым испытаниям, с целью определения их средних ресурсов. Для проектирования стендового испытательного оборудования разрабатывают технические задания, рабочую техдокументацию. Изготовление стендов и испытания на них узлов и деталей изделий должно опережать изготовление опытного промышленного образца всего изделия. На этапе разработки рабочих чертежей изделия проводят расчеты обеспечения ресурсных показателей деталей и расчет объема производства запасных частей на каждый год эксплуатации изделий. На основе этих данных проводят необходимую корректировку конструктивных параметров наименее надежных деталей с целью увеличения их ресурсных показателей и полного удовлетворения потребителей запасными частями будущих изделий. Этап изготовления опытного образца предусматривает всесторонние испытания, которые дают оценку, как характеристикам функционирования изделия, так и фактическим показателям надежности. Испытание узлов проводят до разрушения основных (базовых) деталей и до их предельного состояния, оговоренного в программе испытаний. Акты поузловых испытаний изделий служат основанием для оценки его качества при государственных приемочных испытаниях изделия. Система испытаний обеспечивает всестороннюю проверку работоспособности и надежности изделий и сокращает сроки освоения новой техники. Это достигается за счет: параллельно–последовательного проведения всех  испытаний; применения поузлового проведения испытаний, позволяющему дифференцировать результаты испытаний по каждому элементу изделия; широко использовать ускоренные методы испытаний узлов на надежность; рационально организовать сетевое планирование всего процесса испытаний; сокращения длительности приемочных испытаний изделия в целом. При серийном производстве изделий предусматриваются заводские испытания узлов и изделия в целом на работоспособность, а также периодические контрольные испытания узлов на надежность и наблюдение за работой машин в условиях эксплуатации. Это необходимо для контроля стабильности технического процесса изготовления изделий, оценки эффективности конструктивных изменений, новых способов изготовления деталей и узлов. Контроль показателей надежности серийных изделий осуществляет предприятие–изготовитель изделия путем организации систематических наблюдений и сбора информации за работой машины в эксплуатации. Наблюдение производится выборочным методом с целью установления фактических показателей надежности изделий в целом, их узлов и деталей и получения данных для разработки мероприятий по улучшению показателей надежности изделий. Целью сбора и обработки информации о надежности является получение ее количественных показателей, позволяющих разработать мероприятия по повышению надежности, установить нормы запасных частей и ремонтных нормативов. Для достижения данной цели необходимо: • накопить статистические материалы, оценивающие количественные показатели надежности; • уточнить технико–экономические показатели машин, зависящие от надежности; • изучить условия эксплуатации, влияющие на надежность; • разработать мероприятия, устраняющие конструктивные и технологические недостатки машин; • установить статистические закономерности потоков отказов и их восстановлений, определить законы распределения ресурсов изделий и их элементов: • изучить характер и причины отказов изделий и их элементов, степень их влияния на надежность машин; • обосновать и контролировать эффективность мероприятий по повышению надежности машин. Количественные показатели надежности получают двумя методами – по результатам специальных испытаний машин на надежность и по результатам работы машин в реальных условиях эксплуатации. При первом методе испытания проводят на стендах, имитируя условия эксплуатации и нагрузки. Испытания трудоемки, требуют значительных затрат и не всегда возможны по различным причинам. Однако полученные результаты достоверны и получаются за сравнительно короткие сроки. При втором методе стоимость работ незначительна, длительность наблюдения определяется количеством работающих изделий и продолжительностью всего процесса эксплуатации. Но процесс эксплуатации не зависит от исследователя, требует большого числа наблюдателей, и оценивать можно существующее изделие, а не вновь разрабатываемое. При исследованиях изделий на надежность ведутся хронометражные наблюдения за всеми видами работ, технического обслуживания и ремонтов; регистрируется наработка деталей и узлов до их ремонта или замены; ведется  учет расходов запчастей, времени простоев в плановых и аварийных ремонтах. Полученная информация фиксируется в картах хронометражных наблюдений и в журнале эксплуатационных наблюдений, являющегося приложением к формуляру изделия. Информация о надежности должна быть полной и содержать условия режима эксплуатации, время простоев по организационным причинам и на техобслуживание и ремонта, время наступления и устранения отказов, причины отказов. Информационные материалы должны содержать такое количество наблюдений, которое явилось бы достаточным для определения показателей надежности. Необходимое число смен наблюдений ориентировочно можно определить по формуле                                    (4.1)  где n – количество отказов, которое необходимо зарегистрировать при наблюдениях; Т – возможная величина наработки на отказ изделия, в часах; К7  – коэффициент непрерывности работы изделия; Кр – коэффициент, учитывающий режим организации работы участка (одного, двух, трехсменный); tсм  – продолжительность смены, в ч. Количество отказов n, которое необходимо зарегистрировать определяется в зависимости от требуемой достоверности γ и коэффициента точности δ3 . Величина γ принимается в пределах 0,9÷0,95. Коэффициент δ3 определяют по выражению                                          (4.2)  где ε – допустимая величина относительной ошибки, принимаемая для практических расчетов равной 0,05÷0,15.           Коэффициент Кр учитывающий режим работы участка определяют по формуле                               (4.3)  где Z – число рабочих смен в сутки. Средняя продолжительность наблюдений за каждым изделием находят следующим образом:                                     (4.4) где М – количество изделий, взятых под наблюдение.           Или с учетом выражений (4.1) и (4.4) для Nсм                     (4.5)  где n – количество машин исследуемого типа, находящихся в идентичных условиях эксплуатации; Ко – коэффициент охвата, принимаемых для серийных машин – 0,3, для опытной партии – 0,6, для опытных образцов – 1.0. При исследованиях технологических машин ведется выборка из генеральной совокупности (генеральной совокупностью называют все множество однотипных машин). С увеличением объема выборки функция распределения исследуемого параметра приближается к функции распределения для генеральной совокупности. Однако статистические данные содержат элемент случайности. И полученные на их основе количественные показатели надежности можно принять с некоторой вероятностью. Эти параметры называются оценками. Экспериментальный статистический материал для придания ему наглядности представляется в виде статистического ряда. Весь диапазон полученных значений наработок до отказов (tр ) разбивается на интервал . Примерная величина интервала определяется по функции                         (4.6) где – максимальная наработка до отказа; – минимальная наработка между отказами; n – число отказов. Если при выбранных равных интервалах количество значений случайной величины меньше 5, интервалы увеличиваются. Для каждого интервала подсчитываются:           ni – количество значений случайной величины, попавших в интервал;            – частота попаданий;            – накопленная частота;            – эмпирическая плотность вероятности. Накопленная частота для всех интервалов должна быть равна единице, что служит проверкой правильности вычислений частоты для каждого интервала. Результаты расчетов предоставляются в виде табл. (4.1).  Таблица 4.1    На основании данных табл. 4.1 находятся основные числовые характеристики случайной величины – статистическую среднюю mср и статистическую дисперсию Dср:                                  (4.7)  где tpi – представитель i-го интервала (его середина); k – число интервалов,                 (4.8)  Полученное статистическое значение mср является оценкой наработки на отказ, определяемой по формуле           По данным табл. 4.1 строится гистограмма значений  от tр (рис. 4.1). Для построения гистограммы по оси абсцисс откладываются интервалы Δtр и на каждом из интервалов строится прямоугольник с площадью, равной частоте появления случайной величины в данном интервале. Высоты прямоугольников пропорциональны соответствующим частотам и равны эмпирической плотности вероятности  для каждого интервала . По гистограмме проводится выравнивающая кривая распределения, представляющая собой график функции f (tp) . При подборе теоретической кривой распределения между нею и статистическим распределением неизбежны некоторые расхождения. При этом необходимо знать, являются ли эти расхождения случайными, зависящими от ограниченного количества опытов или они являются существенными и связаны с тем, что данная кривая плохо выравнивает статистическое распределение. Установить это возможно с помощью критерия кси-квадрат χ2, называемым критерием согласия Пирсона:                              (4.9)  где k – число интервалов статистического распределения; ni –количество значений случайной величины в каждом интервале; n – общее число наблюдений случайной величины; pi – теоретическая вероятность попадания случайной величины в i-й интервал. Они численно равны приращению функции распределения на интервале:          (4.10)  Распределение χ2 зависит от параметра r, называемого числом «степеней свободы». Оно равно числу интервалов k за вычетом числа независимых связей s, наложенных на частоты :                                            (4.11)  Такими связями являются среднее статистическое значение случайной величины m и статистическая дисперсия D. Для определения χ2 имеется специальная таблица [4], пользуясь которой можно определить вероятность р того, что распределенная по закону χ2 превзойдет эти значения. Если вероятность больше 0,05, то экспериментальные данные соответствуют принятому теоретическому закону. В теории надежности важными числовыми характеристиками для технологических машин являются математические ожидания:  – наработка до отказа;  – наработка на отказ;  – среднее время восстановления;  – среднее число отказов за определенный период работы. Вычисленные значения на основе статистических данных всегда имеют элемент случайности. Чтобы иметь представление о точности значений необходимо указывать границы возможных погрешностей. В математической статистике для оценки погрешностей используется понятие доверительного интервала и доверительной вероятности. Доверительным называется интервал, который с вероятностью γ покрывает значение параметра распределения. Величина вероятности γ носит название доверительная вероятность. Она показывает меру достоверности полученной оценки. Если в результате опытов получена оценка М[T] и установлено, что разница между параметром М[T] и его оценкой не превышает некоторого значения ε с вероятностью γ, т. е Р{M[T]–M[T]M[T]+ε} = γ, то интервал от М[T] – ε до M[T] + ε будет являться доверительным, а его границы – доверительными. Если известен закон распределения случайной величины, то доверительные границы распределяются с учетом параметров распределения. В тех случаях, когда закон распределения неизвестен, доверительные границы до оценки математического ожидания m находятся из выражений:         (4.12)      (4.13)  где  – функция, обратная функции Лапласа [4]. Для доверительных вероятностей 0,9 и 0,95 значения tγ приведены в табличной форме [4]. Доверительные границы коэффициента готовности Кг вычисляются в зависимости от числа отказов и показателей надежности – наработки на   отказ Т  и среднего времени восстановления Тв, определяя ошибку:                           (4.14)  Задаются степенью достоверности α и находят вспомогательную величину z2:              Нижняя доверительная граница Кг будет равна:   Верхняя граница                      (4.16)           Эти значения пределов максимума и минимума позволяют исключить из общей массы значения наработок до отказа изделий как недостоверные. Определение требуемого уровня надежности проектируемого изделия Выбранный уровень надежности должен максимально соответствовать экономическим, социальным и техническим требованиям к проектируемому изделию. Основными экономическими требованиями являются: увеличение нагрузки на карьер открытых разработок, повышение производительности  труда и снижение себестоимости добываемой продукции. Нагрузки на карьер зависят от эксплуатационной производительности и ремонтов, использования применяемого оборудования и машин. На величину эксплуатационной производительности влияют горнотехнические условия карьера, конструктивные параметры и уровень надежности техники, совершенство технологических схем, степень использования технических возможностей оборудования. Выбор показателей надежности, с помощью которых наиболее полно можно учесть влияние агрегата на эксплуатационную производительность, является важной задачей проектировщиков. Необходимо выбрать такие показатели, которые наиболее полно отражают оценку надежности машин и комплексов конкретного типа. Остальные показатели играют второстепенную роль и являются вспомогательными. Для выявления основной номенклатуры показателей надежности рассматривается модель функционирования машин для средних условий эксплуатации (рис. 4.1). Строится график функции D – дохода от уровня надежности в течение заданного периода эксплуатации t. Очевидно, что если машина не будет отказывать в течение времени ti  то доход от ее использования будет Di = dэч ti , где dэч – средний часовой доход от применения машины, руб/ч. Но поскольку после некоторой наработки t1 появится отказ и машину необходимо ремонтировать, то на ее восстановление требуются затраты r1 и машина находится в ремонте время τ1. Убыток от неиспользования машины во время ремонта составит величину u1. Общий  эффект от использования машины будет снижен. Следующий ремонт произойдет после восстановления работоспособности и наработки t2`. При этом часть наработки, равная t2`– t2`` компенсирует затраты на проведение первого ремонта. Оставшаяся часть наработки t2``` определит доход от использования машины. Рис. 4.2 Модель функционирования с доходами ремонтируемой системы: Do – доход от использования безотказной системы; Dфз, D’ф – то же от ремонтируемой системы; t1, t2, t3, t’2, t’3, t”2, t”3 – периоды наработки; r1, r2, r3 – затраты на ремонт системы; u1, u2 , u3 – убытки от вынужденных простоев в ремонтах; ∆D и ∆D’ – суммарные убытки от ремонтов и простоев системы   Тогда фактический доход в первый период эксплуатации  ;                            (4.17)  в конце второго периода            (4.18)  в конце третьего периода  ,  (4.19)   где  Для оценки надежности машины надо знать, какое влияние на эффективность функционирования окажут экономические затраты и убытки от простоев и восстановлений. Эксплуатация большинства машин является цикличной, но периоды циклов различны. Некоторые машины работают в одну смену, и между сменами имеется резерв времени для технического обслуживания и плановых ремонтов. А в период организованных простоев имеется время на обнаружение и устранение постепенных отказов. Доминирующим фактором последствий отказов данных машин являются затраты на восстановление работоспособности. И наоборот, отказ машин, работающих в жестком графике, приводит к большим убыткам в эксплуатации, поскольку приводит к простоям других машин, входящих в комплекс. Затраты на восстановление малы по сравнению с затратами от простоев. Машины по уровню доминирующих факторов можно разделить на три группы. К первой группе относят машины, эксплуатируемые до предельного состояния в прерывистом режиме, причем период их эксплуатации меньше или соизмерим с периодом ожидания работы. Для этой группы машин показатели качества функционирования равны:                                   (4.20)  Очевидно, сумма наработок до последнего отказа (предельного состояния) является ресурсом, а сумма затрат на ремонты определяет ее ремонтопригодность. Ко второй группе относят машины, эксплуатируемые в режиме близком к непрерывному или в непрерывном, когда ремонты в период эксплуатации не предусматриваются. Доминирующим фактором по оценке последствий отказа является вынужденный простой. Для этой группы уравнение функционирования будет иметь вид                           (4.21)  Первый член уравнения определяет ресурс и наработку на отказ, второй член уравнения можно представить как                       (4.22)  поэтому показатель ремонтопригодности – среднее время восстановления. К третьей группе машин относят машины, эксплуатируемые до предельного состояния в прерывистом режиме, при этом период эксплуатации существенно превышает период ожидания работы. Для этой группы машин отказы приводят к затратам на ремонт ri и от простоев ui. Эффект от эксплуатации определяют доходы в период использования машин в работе. Для этого случая            (4.23)  Первый и последний члены уравнения определяют ресурс, наработку на отказ, и среднюю суммарную стоимость ремонтов. Пользуясь выражениями (4.21), (4.22) можно определить среднее время восстановления и коэффициент готовности. Для обоснования надежности сборочных единиц машин используются те же модели функционирования трех групп. Для сборочных единиц первой группы рекламируется средний ресурс Tp , наработка на отказ Т, средняя суммарная стоимость ремонтов. Для второй группы  –  ресурс Тр,  наработка на отказ Т, среднее время восстановления . Для сборочных единиц машин третьей группы – ресурс τр, наработка на отказ Т, среднее время в восстановления , суммарная стоимость ремонтов. Структурный анализ надежности Структурный анализ используют для раскрытия внутренних связей элементов и изделия в целом, установления закономерностей этих связей и возможностью управления ими для заданных целей. При структурном анализе применяют структурные формулы и структурные схемы надежности машины и их сборочных единиц. Перед расчетом надежности проводится работа по составлению логической схемы расчета. Она проводится в три этапа. На первом этапе описывается работа изделия, рассматривается, как функционирует изделие, какой элемент, как и какую часть времени работает в общем времени работы машины. В результате составляется перечень свойств исправного изделия. На втором этапе описываются возможные отказы всех элементов и изделия в целом. При этом формируется определение отказов, определяется  степень влияния отказа каждого элемента на работоспособность всего изделия. На третьем этапе составляется структурная (логическая) модель безотказной работы изделия. При этом различают два метода структурного анализа сборочных единиц изделия – логический и формализованный. Логический метод используют в тех случаях, когда требуется определить все возможные сочетания появления предельного состояния сборочной единицы по критерию замены базовой детали. Формализованный метод структурного анализа надежности используют как по критерию предельного состояния, так и по критерию отказа сборочной единицы. Определяется степень доступности каждой детали для ее разборки и замены. Надежность изделия характеризуется не только надежностью, но и способом соединения его элементов: последовательным, параллельным и смешанным (табл. 4.2) Из табл. 4.2 видно, что при последовательном соединении элементов отказ любого из них влечет отказ всего изделия. Если отказ каждого элемента является случайным независимым событием и известна вероятность безотказной работы каждого, то вероятность безотказной работы всего изделия будет равна произведению вероятностей составляющих его элементов:                               (4.24) для m последовательно взаимодействующих элементов:                                         (4.25)  Из представленных выражений следует, что при последовательном соединении надежность всего изделия всегда меньше надежности каждого из составляющих его элементов. Если изделие состоит из параллельно соединенных элементов одинакового назначения, его работоспособность будет обеспечена при сохранении работоспособности хотя бы одного элемента. Вероятность безотказной работы такого изделия определяется по теореме вероятностей для совместных событий:      (4.26)  При большом количестве элементов формула получается громоздкой и часто удобнее определить вероятность отказа Q. Вероятность отказа изделия от m параллельно соединенных элементов                                    (4.27)  где qi=1–pi – вероятность отказа i–го элемента. А вероятность безотказной работы изделия:           (4.28)  где  – произведение. Следовательно, вероятность безотказной работы изделия при параллельном соединении его элементов равна или больше надежности любого из её элементов. При смешанном соединении и взаимодействии элементов надежность изделия определяется с использованием зависимостей для последовательного и параллельного соединения (табл. 4.3) Резервирование – одно из средств повышения надежности машин и комплексов. Оно делится на три основных типа: структурное, временное и по параметру. Структурное резервирование осуществляется введением в систему количественных резервных составляющих, избыточных по отношению к необходимой минимальной структуре машин или комплекса, и выполняющих те же функции, что и основные. При отказе одного из элементов резервный выполняет его функции, и работоспособность системы сохраняется. Временное резервирование – это совокупность правил применения изделия и способ повышения его надежности, приводящих к возникновению у изделия избыточного времени. Резервирование по параметру закладывается при проектировании изделия и предусматривает резерв работоспособности по пределу прочности, усталости, износостойкости. Основным считается структурное, постоянное резервирование, когда резервные элементы подключают параллельно основным. Очевидно, что система откажет, если будет иметь место отказ всех, в том числе и резервных, элементов. Вероятность отказа по теореме умножения элементов для всей системы равна:               (4.29)  где –вероятность отказа i-го элемента; n – число элементов в системе. Вероятность безотказной работы                    (4.30)  При резервировании становится возможным создание надежных систем из ненадежных элементов. При равнонадежных элементах                                    (4.31)  При резервировании замещением резервные элементы включаются только при отказе основных. Оно производится автоматически или вручную. Такое резервирование называют также активным. Резервирование переключением на запасной элемент более эффективно, чем постоянное, так как резервный элемент сохраняет свою работоспособность к моменту его включения в работу. Но при этом необходимо устанавливать датчики контроля состояния основного элемента и механизмов включения. Резервирование замещением применяют, когда возможно хотя бы кратковременная остановка работы системы. Схема резервирования замещением приведена на рис. 4.3 Следующий метод резервирования заключается в постоянном подключении резервных элементов, работающих в облегченном режиме до отказа основных элементов. Тогда                       (4.32)  где –вероятность отказа основного элемента; –вероятность отказа резервного элемента, работающего в облегченном режиме. Общее резервирование системы означает, что при отказе любого элемента включается резервная цепь. При отказе машин в комплексе включается в работу исправная резервная машина или цепь машин. Схема общего резервирования имеет вид, представленный на рис. 4.4. Резервирование системы можно решить общим резервированием и раздельным. При общем резервировании: пусть имеется m сетей, из них (m – 1) являются резервными. Pi(t) – вероятность безотказной работы одного элемента в цепи, а Pс(t) – вероятность безотказной работы цепи из n элементов. Надежность всей системы при этом определяется по формуле              (4.33)  Произведя подстановки, получим               (4.34)  При равнонадежных элементах формула надежности системы будет иметь вид                 (4.35)  При раздельном резервировании обеспечивается возможность включения в систему резервного элемента при отказе любого основного в условиях нагруженного резерва (рис. 4.5). Каждый из m включенных в цепь элементов имеет (m – 1) резервных, которые поочередно подключаются при отказе работающих. Рассмотрим i-й элемент из (m – 1) резервных:                               (4.36)  где – вероятность отказа элементов в системе;         (4.37)  Тогда вероятность безотказной работы системы с раздельным резервированием будет:             (4.38)  а при равнонадежных элементах:                   (4.39) Раздельное резервирование усложняет конструкцию системы, поэтому его применяют только для наиболее ответственных элементов. При раздельном резервировании надежность системы выше. Если для нормальной работы изделия необходимо работоспособное состояние n элементов из m параллельно взаимодействующих, то m – n элементов являются резервными. Кратность резервирования h находится из соотношения . На схеме рис. 4.6 представлены методы и способы резервирования. При проектировании конструктор должен иметь информацию о современных методах создания или модернизации машин не только в горной отрасли, но и в общем машиностроении. Из этой информации он использует наиболее прогрессивные конструктивные решения, обеспечивающие наиболее рациональные рабочие процессы машин. Ниже приведены основные способы повышения надежности машин при проектировании.  Применение бесступенчатого регулирования за счет использования гидро –, пневмо – и электроприборов. Введение элементов автоматизации, предохраняющих элементы машин от перегрузок. Применение централизованных смазочных систем, регулировок для компенсации износа быстроизнашивающихся деталей. Внедрение в разработки  высоконадежных элементов, проверенных в заданных режимах работы, стандартизированных и унифицированных. Использование материалов с высокими и стабильными характеристиками по прочности, выносливости, усталости, износу,  методов упрочнения деталей. Эти методы так же повышают прочность, износостойкость, коррозийную стойкость, жаропрочность. Применение конструкций и материалов с высокой и оптимальной жесткостью. Жесткость влияет на вероятность разрушения деталей и конструкций по критериям статической и усталостной прочности, на виброустойчивость. При этом следует в конструкции исключать элементы большой податливости, применять детали, работающие на растяжение и сжатие, а не на изгиб и скручивание, выбирать рациональные формы сечения деталей, уменьшать местные деформации, создавать предварительный натяг в конструкциях. Обеспечение предохранения изделий и их элементов от вредных воздействий (ударные нагрузки, вибрации, запыленность, влажность, низкие и высокие температуры и др.), упрощение сборки машины, ее агрегатов и узлов. Исключение индивидуального подбора и подгонки деталей, обеспечение их полной взаимозаменяемости. Рациональная компоновка оборудования, доступность и удобство для осмотра, регулирования, обслуживания. Кроме этого, необходимо упростить правила эксплуатации, планировать блокировки при неправильном действии обслуживающего машину персонала, снизить объемы и трудоемкость технического обслуживания. Повышать надежность путем резервирования как по количеству так и по параметру, проведением ускоренных испытаний на надежность экспериментальных узлов и применением современных методов расчета конструкции на прочность, выносливость, износостойкость.  Требования к ресурсам деталей Требования разрабатываются с учетом расположения каждой детали в структурной схеме узла, влияния отказа детали на уровень ремонтопригодности машин. Когда деталь расположена в структурной схеме узла последовательно, наработка ее до замены должна быть не менее наработки до замены всего узла, т. е                               (4.40)  где – наработки машины до замены j-й детали, i-го узла; – ранг затрат (средние ремонтные затраты) на замену j-й детали i-го узла при ремонте, определяемый степенью доступности и легкосъемности. В том случае, когда затраты на подготовительно – заключительные операции по замене узла превышают норматив текущего ремонта или равны ему, ни одна деталь этого узла не должна иметь ресурс меньше ресурса самого узла до его замены. Если эти затраты меньше нормативов текущего ремонта, то детали, расположенные параллельно в структурной схеме узла, могут быть заменены при новом текущем ремонте. Средний ресурс детали до замены будет                       (4.41)  где  – коэффициенты использования детали в работе узла и использования узла в рабочих и вспомогательных операциях машины.           Требования к показателям ремонтопригодности сборочных единиц Данные требования формируются при проведении структурного анализа надежности машины на этапе разработки технического задания на проектирование. Они обоснованы критериями предельного состояния машины. В последующем требования уточняются с учетом комплексных показателей надежности машины – коэффициентов готовности Кг и технического использования КТИ Коэффициент готовности обычно принимается равным 0,9 ÷ 0,99. Тогда средняя оперативная продолжительность восстановления  после отказов,                     (4.42)  где – средний ресурс машины. А при КТИ = 0,8÷0,95 средняя объединенная оперативная продолжительность ремонтов и техобслуживаний будет равна:                    (4.43)  Разность этих выражений (4.43) и (4.42) есть величина средней оперативной продолжительности плановых ремонтов и техобслуживаний. Таким образом, с помощью структурного анализа на этапе проектирования можно обосновать основные показатели ремонтопригодности машины. Коэффициенты доступности и помех сборочной единицы могут быть получены с помощью матрицы:                   (4.44)  где  – коэффициент доступности сборочной единицы;  – коэффициент помех; – номер заменяемой детали в матрице узла; – общий массив деталей в матрице узла.           Методология расчета безотказности узлов Расчет показателей безотказности возможен, если известны: функциональная схема машины узла, сведения о работоспособности их составных частей. При этом определяется вероятность безотказной работы в течение определенной наработки. Узел может находиться только в двух состояниях – работоспособном или неработоспособном. Каждая деталь узла может находиться только в этих двух состояниях. Но может быть несколько вариантов неработоспособного состояния в зависимости от числа видов отказов деталей и их влияния на функциональные возможности узла. Цель расчета безотказности: • определить, достижима ли требуемая надежность при выбранной конструкции и технологии; • распределить значения показателей безотказности по составным частям узла; • сравнить различные варианты конструкции по надежности; • выяснить необходимость и возможность резервирования различных видов. В горном машиностроении в основном проектируются механические системы и машины, в которых не известны их характеристики. Поэтому в начале выбирается модель функционирования системы. Модель должна учитывать надежность в зависимости от основных определяющих факторов и быть по возможности не сложной, учитывать связь нагрузок с состоянием системы. Для вновь проектируемых механических систем нельзя рассчитать показатели надежности пока не будет известно конструктивное оформление узла и его элементов (зубчатых колес, валов и т. д.). Для оценки надежности новых узлов и устройств необходимы лабораторные испытания составных элементов и стендовые испытания узлов и агрегатов. Второй путь получения оценок надежности при проектировании  –  расчет элементов системы с учетом вероятностных распределений внешних нагрузок и несущей способности элементов. Но почти всегда в конструкции появляются детали, размеры которых не могут быть увеличены вследствие ряда ограничений. Эти детали и лимитируют надежность узла, и вероятностные расчеты следует начинать с них. Резервирование данных элементов следует производить по параметру.           Методы определения расчетных нагрузок по показателям  долговечности Расчетные нагрузки, принимаемые по критерию прочности конструкций или устойчивости, имеют статистическую природу. Если заданы показатели долговечности, то одним из признаков их предельного состояния является разрушение узлов или опрокидывание вследствие перегрузок. Перегрузка машины при ее нормальной эксплуатации может появиться, когда машина используется в предельном режиме ее технической характеристики. Всякая дополнительная нагрузка при этом приводит к статической перегрузке машины. Уровень и частота появления перезагрузок различны. Однако достаточно одной перегрузки, превышающей запас прочности, чтобы машина достигала своего предельного состояния. Вероятность достижения такого признака предельного состояния за заданный период можно определить на стадии проектирования путем вычисления всех случаев работы машины на предельном режиме, допустимой технической характеристикой машины. Общее число случаев появления предельной нагрузки принимают по режиму эксплуатации новой машины:                                    (4.45)  где – средний ресурс машины; nц  – среднее число появлений предельной нагрузки за время технологического цикла машины;  m – среднее число технологических циклов за единицу времени. Появление хоты бы одной перегрузки определяется по формуле                                        (4.46)  где  – искомое значение расчетной перегрузки. Коэффициент перегрузки по условию неразрушения  принимается с учетом неравенства:                                  (4.47)  где  –отношение расчетной предельной нагрузки к ее поминальному значению;  f(Кп)  – расчетная, допустимая, частость появления предельной перегрузки. Поскольку предельная перегрузка имеет статистическое распределение, то частость ее появления зависит от закона распределения, и частости модального  появления нагрузки.           Обеспечение заданного ресурса по критерию прочности При всем разнообразии деталей, используемых в механических, гидромеханических, пневмомеханических и электромеханических передачах вероятностный расчет прочности целесообразно выполнять для деталей, определяющих размеры трансмиссий. Обычно идет проверка при ограничении конструкции по размерам и массе. Для обоснования использования вероятностных расчетов прочности учитывают изменяемость параметров деталей или конструкции от механических характеристик материалов, возможность отклонения площадей, опасных сечений и т. д. Характеристики прочности могут быть неслучайными и случайными. Например, изменяемость свойств конструкционных материалов может быть для стали , для алюминиевых сплавов ; где γ– коэффициент вариации. Если характеристики прочности изменяются случайным образом, то необходимы вероятностные расчеты. Большими запасами прочности являются такие, при которых соблюдается условие                 (4.48)  где  – выборочные средние отклонения совокупного параметра прочности нагрузок и напряжений;  – выборочные среднеквадратичные отклонения совокупного параметра прочности и нагрузки. При детерминированных расчетах рассматриваются следующие два вида отказов по критериям прочности. 1. Мгновенное разрушение детали в опасном сечении из-за превышения нагрузкой предела прочности. 2. Постепенное накопление повреждения, приводящего к зарождению и накоплению микротрещин и последующему разрушению конструкции. Напряжения при этом превышают пределы выносливости материала. Для обеспечения заданного ресурса при отказах первого вида расчеты на прочность ведут при фиксированных нагрузках с определением запаса прочности или коэффициента безопасности:                           (4.49)  где nб ; nτ – коэффициенты запаса прочности; [σ]и [τ]–допустимые нормальное и касательное напряжения; σ и τ  – расчетные напряжения; k – коэффициент безопасности; Qр и Qд – расчетная и действительная нагрузки. При отказах второго вида расчет ведут на усталость при регулярной переменной нагрузке:                                (4.50)  где ns – коэффициент запаса; S1д – предел выносливости детали; Sа и Sm – амплитуда и среднее значение цикла переменной нагрузки; ψσд – коэффициент влияния ассиметрии цикла детали. При вероятностных расчетах рассматривают три вида ресурсных отказов деталей и конструкций по критерию прочности. 1. Статическое и повторно – статическое разрушение от приложения одного или нескольких десятков циклов нагружений. 2. Малоцикловые усталостные разрушения, которые происходят от приложения N циклов нагружений от 102 до 105. 3. Многоцикловые усталостные разрушения, которые происходят при числе циклов . В соответствие с видами отказов ведутся свои расчеты на долговечность.           Расчет надежности изнашиваемых устройств при проектировании Отказы из-за износа в современных машинах могут достигать   80÷90 % общего количества отказов [6]. Они возникают при износе поверхности до предельного состояния при значительном изменении коэффициента трения, уменьшения или резкого увеличения, вплоть до схватывания и заедания в фрикционной паре. Явления, происходящие в парах трения, влияют на безотказность и долговечность сопряженных деталей. Трение и изнашивание зависит от многих факторов: состояния изнашиваемых поверхностей, наличия смазочного материала или другой промежуточной среды, нагрузок (давлений), характера взаимных перемещений (скорость, амплитуда перемещения, фиксация перемещений и т. д.), допустимого предела износа. Определяющими среди этих факторов являются – давление сопряженных трущихся поверхностей и скорость их относительного перемещения. Состояние контактирующих поверхностей также является важной характеристикой развития изнашивания. Неоднородность макро- и микрогеометрии сопряженных поверхностей приводит к дискретному характеру фактического их контакта. Контакт происходит не по всей площади, а по отдельным пятнам контакта, образующими фрикционные связи. Для прогнозирования надежности изнашиваемых устройств, требуется оценка безотказности и долговечности. Безотказность пары трения обеспечивается сохранением условий работы при расчетном коэффициенте трения. Для антифрикционных пар опасно только увеличение коэффициента трения, для фрикционных пар – как увеличение, так и уменьшение. Уменьшение происходит при попадании  смазочного материала в зону трения. Следовательно, безотказность должна обеспечиваться защитой пар трения специальными устройствами. Долговечность изнашиваемых пар обеспечивается наступлением предельного износа при наработке не менее расчетной. Методика прогнозирования износа предусматривает последовательное определение: • предельно допустимого износа; • изменение износа в зависимости от наработки или интенсивности изнашивания и границ возможного рассеивания износа; • пути трения до наступления износа; • ресурса в единицах наработки.