Основы теории надежности и диагностика

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Р.Е. Алексеева КАФЕДРА «АВТОМОБИЛЬНЫЙ ТРАНСПОРТ» М.Г. Корчажкин КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО КУРСУ «ОСНОВЫ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ И ДИАГНОСТИКА» НИЖНИЙ НОВГОРОД 2017 г. Автомобиль имеет несколько свойств, определяющих его качества: экологичность, экономичность, эргономичность, надежность, безопасность и др. Надежность – одно из основных свойств автомобиля. Чем ниже надежность, тем выше потери времени на простой автомобилей и расходы на запчасти. Кроме того, недостаточная надежность может приводить к возникновению ДТП. Наука о надежности изучает закономерности возникновения отказа и на их основе разрабатывает мероприятия по предупреждению и устранению отказов. ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ Основные понятия, термины и определения теории надежности представлены в ГОСТ 27.002-89 «Надежность в технике. Основные понятия, термины и определения» [1]. 1.1. Надежность. Свойства надежности Надежность – свойство объекта сохранять во времени значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях эксплуатации. Требуемая функция означает решение того круга задач, для которых техническое изделие предназначено. Нельзя требовать от технического изделия надежности, если использовать его не по назначению или в условиях, не предусмотренных заводом - изготовителем. Показателями, характеризующими способность выполнять требуемые функции, обычно являются кинематические и динамические параметры, показатели усталостной прочности, производительности, скорости, точности функционирования и т.д. Показатели оцениваются параметрами, выход за пределы которых недопустим или нежелателен. Надежность как свойство технических изделий нельзя рассматривать единомоментно, это свойство, определенное во времени. Только с течением времени изменяются показатели, характеризующие надежность. Надежность – комплексное свойство, оцениваемое по четырем показателям: Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки. Долговечность – свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания (ТО) и ремонта. Ремонтопригодность – свойство объекта, характеризующееся приспособленностью к восстановлению и поддержанию работоспособного состояния путем проведения ТО и ремонта. Сохраняемость – свойство объекта сохранять работоспособное (исправное) состояние в течение и после хранения и транспортирования. 2 1.2. Объекты. Виды объектов Объект – техническое изделие определенного целевого назначения, рассмотренного в периоды проектирования, производства, испытания и эксплуатации. Система – объект, состоящий из элементов, взаимодействующих в процессе решения определенного круга задач. Элемент – объект, представляющий собой часть системы, отдельные части которой не представляют самостоятельного интереса в рамках конкретного рассмотрения. Система и элемент вытекают друг из друга (рис 1.1, 1.2). Автомобиль ДВС Тормозная система Рулевое управление Кузов Трансмиссия Рис. 1.1. Система «Автомобиль» В то же время элемент «Двигатель» данной системы, в свою очередь, можно разбить на элементы (рис.1.2). ДВС Система питания КШМ ГРМ ЦПГ Рис.1.2. Система «Двигатель» Элемент и система – понятия не только относительные, но и условные. На рисунке 1.3 представлена та же система «Автомобиль», но состоящая из других элементов. ГОСТ 27.002 определены следующие виды объектов: обслуживаемые и необслуживаемые ремонтируемые и неремонтируемые восстанавливаемые и невосстанавливаемые 3 Автомобиль Механические узлы Пневматические узлы Гидравлические узлы Рис.1.3. Система «Автомобиль» Обслуживаемый – объект, ТО которого предусмотрено нормативнотехнической документацией (НТД) (автомобиль и любая его система). Необслуживаемый – объект, ТО которого не предусмотрено НТД (шатуны, тормозные шланги и т.д.). Ремонтируемый – объект, восстановление которого в случае повреждения или отказа предусмотрено НТД. Неремонтируемые – объект, восстановление которого не предусмотрено НТД (приводные ремни, вкладыши коленчатого вала и т.д.). Восстанавливаемый - объект, восстановление которого в случае повреждения или отказа предусмотрено НТД и возможно в рассматриваемой ситуации. Невосстанавливаемый - объект, восстановление которого в случае повреждения и отказа невозможно или нецелесообразно в рассматриваемой ситуации, невыгодно экономически. 1.3. Виды технических состояний объектов Различают следующие виды технических состояний объектов: Исправное состояние – состояние, при котором объект соответствует всем требованиям НТД. Неисправное состояние - состояние, при котором объект не соответствует хотя бы одному требованию НТД (скол, вмятина и т.д.). Работоспособное состояние – состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции, соответствуют требованиям НТД. Неработоспособное состояние – состояние объекта, при котором значение хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять требуемые функции, не соответствует НТД. Предельное состояние – состояние, при котором дальнейшая эксплуатация объекта недопустима, невозможна или его восстановление до работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно. 4 Объект может перейти в предельное состояние, даже оставаясь работоспособным, если его эксплуатация нецелесообразна по экономическим причинам или это изделие «морально устарело». 1.4. События смены технических состояний объектов Событиями смены технических состояний объектов являются: повреждение, отказ, исчерпание ресурса, восстановление и ремонт (рис.1.4). Исправное 1 Работоспособное (неисправное) 5 4 3 2 Неработоспособное (непредельное) 3 Предельное Рис.1.4. События смены технических состояний объектов Повреждение – событие, заключающееся в нарушении исправного состояния объекта при сохранении его работоспособности. Отказ - событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта. Исчерпание ресурса – переход объекта в предельное состояние. Восстановление – переход объекта из неисправного состояния в исправное. Ремонт – комплекс операций по восстановлению работоспособного или исправного состояния ресурса объекта в целом. 1.5. Классификация отказов Отказы технических изделий классифицируются по следующим признакам: 1. По трудоемкости устранения: а) легко устраняемый отказ – на устранение которого требуется менее 2 чел./ч трудоемкости; б) средне устраняемый отказ – от 2 до 4 чел./ч; в) трудно устраняемый отказ – более 4 чел./ч. 5 2. По характеру возникновения: а) внезапный – отказ, обусловленный скачкообразным изменением одного или нескольких параметров объекта; б) постепенный – отказ, возникший из-за постепенного изменения одного или нескольких параметров. 3. По причине возникновения: а) конструкционный – обусловлен ошибками или недостатками при конструировании; б) производственный – вызван нарушениями технологии изготовления; в) эксплуатационный – вызван нарушением правил эксплуатации; г) деградационный – вызван естественными процессами старения, усталости, коррозии, износа при соблюдении норм проектирования и эксплуатации. 4. По зависимости: а) зависимый – вызван отказами других элементов; б) независимый – не зависит от отказов других элементов. 5. По характеру обнаружения: а) явный – обнаруживается визуально или штатными методами контроля; б) скрытый – не обнаруживается визуально или штатными методами контроля, но выявляется при ТО или специализированными методами диагностики. Сбой – временный, самоустраняемый отказ. 1.6. Временные понятия Наработка – объем или продолжительность работы объекта. Наработка может быть величиной непрерывной и измеряться в единицах времени, пробега, а может быть величиной целочисленной и измеряться числом циклов, запусков, оборотов. Для автомобиля и его узлов наработку измеряют в единицах пробега. Существуют два вида наработки: 1. Наработка до отказа – наработка между началом эксплуатации и появлением первого отказа (рис.1.5). 2. Наработка на отказ – между окончанием восстановления объекта до работоспособного состояния и появления следующего отказа. Наработкой количественно оценивается безотказность объекта. Время восстановления – время восстановления объекта до работоспособного состояния (время устранения отказа). Время восстановления оценивает ремонтопригодность объекта. Ресурс – суммируется наработка объекта от начала эксплуатации или ее возобновления после ремонта до перехода в предыдущее состояние. Для автомобилей различают доремонтный, послеремонтный, полный ресурс (рис. 1.5). 6 Полный ресурс Доремонтный ресурс Наработка до отказа Начало эксплуатации Время восстановления Наработка на отказ Моменты отказов Остаточный ресурс Контроль технического состояния Время восстановления Предельное состояние (капремонт) Послеремонтный ресурс Предельное состояние (списание) Рис.1.5 Временные понятия Срок службы – календарная продолжительность эксплуатации до перехода объекта в предыдущее состояние. В отличии от ресурса срок службы всегда измеряется в единицах времени. Ресурс и срок службы оценивают долговечность. Срок сохраняемости – календарная продолжительность хранения или транспортировки, в течение которой сохраняет работоспособное или исправное состояние. Все временные понятия относятся к конкретному объекту. Об их значении можно говорить лишь тогда, когда событие произошло, в противном случае об этих величинах можно говорить с долей вероятностей. ГЛАВА 2. ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ И СИСТЕМ Для количественной оценки надежности используются показатели: единичные показатели, которые оценивают одно из свойств надежности, и комплексные показатели, которые оценивают несколько свойств. 2.1. Показатели безотказности невосстанавливаемого объекта Невосстанавливаемые объекты в случае отказа заменяются новыми. Обозначим: t – текущая наработка объекта, τ – время жизни объекта. Для любого t существует такая вероятность F того, что τ не превысит t F (τ < t ) , где F (t ) - вероятность отказа [10]. P(t ) = 1 − F (t ) - вероятность безотказной работы [10]. Типичные кривые вероятности отказа и безотказной работы приведены на рис. 2.1. 7 Р(t) Вероятность отказа до наработки tmin F(t) F(t) мала 1 Резкое снижение вероятности безотказной работы Р(t) После tmax вероятность безотказной работы мала tmin t tmax Рис. 2.1. Вероятность отказ и вероятность безотказной работы Вероятность отказов и безотказной работы могут быть определены на основе экспертных данных. m(t ) n(t ) P(t ) = F (t ) = (1) ; , N N где n(t) – число изделий, отказавших к наработке t; m(t) – число изделий, работоспособных к наработке t; N – общее число изделий на начало эксплуатации. Так как автомобиль и его агрегаты работают во времени непрерывно, то существует непрерывная плотность вероятности отказа (рис.2.2.) данных элементов. dF f (t ) = (2) . dt Зная соответствующие изменения плотности распределения f(t), можно определить вероятность отказа F(t) и безотказной работы P(t) [4]. t F (t ) = ∫ f (t ) dt ; (3) P (t ) = ∞ ∫ f ( t ) dt . (4) t Средняя наработка до отказа – математическое ожидание наработки до первого отказа объекта. T1 ( t ) = ∞ ∫ f ( t ) dt . (5) Из опытных данных средняя наработка до отказа определяется: 1 T1 ( t ) = N 8 N ∑τ , i =1 i (6) где N – общее число объекта; τ i - наработка до первого отказа любого из объектов. f(t) Максимальное количество отказов Число отказов объектов растет Число отказов возрастает медленно Снижение числа отказов (многие объекты уже отказали) После tmax число отказов мало (в работе остались самые стойкие объекты) P(t) F(t) tmin T t tmax Рис. 2.2. Плотность вероятности отказа Наработка до отказа, кроме среднего, оценивается дисперсией D, коэффициентом вариации ν, средне квадратичным отклонением σ. Интенсивность отказов λ(t) – условная плотность вероятности отказа, определяемая из условия, что к требуемой наработке t отказа не было. λ (t ) = f (t ) P(t ) . (7) Опытные данные [3] показывают, что для автомобиля и его элементов λ(t) имеет корытообразный вид (рис.2.3). λ(t) I II III t Рис.2.3. Интенсивность отказов элементов автомобилей Анализ графика показывает, что эксплуатация многих элементов автомобилей проходит в 3 этапа: I – период приработки. Здесь имеют место приработочные отказы, которые вызваны недостатками при конструировании или производстве. Носят внезапный характер; 9 II – период нормальной работы. Интенсивность отказов стабилизируется и увеличивается незначительно. Отказы в основном внезапные, но бывают и постепенные. Причины отказов – эксплуатационные; III – период старения. Интенсивность отказов резко увеличивается. По проявлению отказы в основном постепенные, по характеру деградационные. Этот период определяет долговечность изделия. По опытным данным интенсивность определяется: λˆ (t ) = ∆n , ∆t ⋅ m(t ) (8) где ∆n - число отказов на интервале наработки ∆ t ; m(t) - число изделий не отказавших к наработке ∆ t . Гамма-процентная наработка до отказа Тγ – наработка, в течение которой отказа не будет с вероятностью γ, выраженной в процентах. Для изделий автомобилестроения γ=80-95, для узлов и агрегатов, влияющих на БД γ ≥ 90%. Определяется Тγ согласно рис. 2.4. По Тγ определяют время проведения ТО [2]. Р(t) 1 γ Tγ t Рис.2.4. Определение гамма-процентной наработки до отказа 2.2. Показатели безотказности восстанавливаемых объектов Восстанавливаемый элемент после отказа ремонтируется и продолжается его эксплуатация. Схематично работу такого объекта можно изобразить согласно рис. 2.5. t1 tв1 t2 tв2 t вi 10 Моменты списание отказов Рис.2.5. Работа восстанавливаемого объекта t, км - время восстановления; t1 - наработка до отказа; t 2 , t 3 - наработка на отказ Обычно время восстановления много меньше времени наработки объекта между отказами t >> tв. Если принять время восстановления за ноль, то получаем поток отказов (рис.2.6). t, км t1 t2 t3 tх списание Рис.2.6. Поток отказов Для восстанавливаемых объектов применимы показатели безотказности для невосстанавливаемых объектов: F (t ) ; P(t ) ; f (t ) и другие. Для восстанавливаемых объектов чаще используется средняя наработка на отказ, которая определяется из экспериментальных данных: 1 k T = ⋅ ∑ti , k i=1 (9) где k – число отказов; t i - наработка между i и (i+1) отказом. Ведущая функция отказов – накопленное число отказов к наработке t [3]. k Ω(t ) = ∑ F i(t ) . (10) i =1 Формирование ведущих функций потоков отказов представлено на рис. 2.7. Рис.2.7. Формирование ведущей функции потока отказов Аналитически ведущая функция потока отказов определена не для всех законов распределения. Для экспоненциального закона распределения Ω(t ) = t T , (11) 11 где Т – средняя наработка на отказ. Для нормального закона Ω (t ) = ∞ ∑F k =1 k (t ) = ∞ ∑ Ф( t − k ⋅T σk k =1 где k – число отказов; σ- среднее отклонение; Ф(z) – нормированная функция для Z = ), (12) t − k ⋅T σk При достаточно большой наработке и конечной дисперсии для любого закона распределения ведущая функция может быть приблизительно определена t σ2 1 Ω (t ) ≈ + − . 2 T 2T 2 (13) При этом ведущая функция потока отказов должна удовлетворять следующему условию: t t − 1 ≤ Ω (t ) ≤ . T T (14) Ω позволяет определить количество запчастей или время проведения ТО. Параметр потока отказов µ (t ) - относительное число отказов, приходящееся на единицу времени или наработки [11]. µ (t ) = dΩ(t ) dt . (15) На практике часто используется усредненный параметр потока отказов µ (t ) = Ω (t 2 ) − Ω (t1 ) . t 2 − t1 (16) Для экспоненциального закона распределения µ (t ) = 1 . T (17) Для нормального закона распределения ∞ − 1 µ (t ) = ∑ ⋅e σ ⋅ 2 π k k −1 t − kT 2σ . (18) Параметр потока отказов изменяется в зависимости от времени года (рис.2.8). 12 Рис.2.8. Изменение параметра потока отказов в зависимости от сезона года 2.3. Показатели ремонтопригодности Вероятность восстановления PB(tB) – вероятность того, что время восстановления объекта до работоспособного состояния не превышает заданного значения [3]. Процесс восстановления представляет собой Пуассоновский поток, поэтому PB может быть определена: (λ BtB ) k PB ( t B ) = ⋅ e λBtB k! , (19) где λ B - интенсивность восстановления; k – число восстановлений или отказов; PB определяется из условия, что в начальный момент времени tB=0 объект был полностью неработоспособен: tВ = 0 ⇒ PВ(0) = 0. Среднее время восстановления ТВ – математическое ожидание времени восстановления. Из опытных данных ТВ определяется: 1 k T B = ⋅ ∑ t Bi , (20) k i =1 где t Bi - время на восстановление после i-го отказа. Кроме этого ТВ оценивается дисперсией DВ, С.К.О. σВ, коэффициентом вариации νВ. Интенсивность восстановления λ B ( t B ) - условная плотность вероятности восстановления, определяемая при условии, что к данному моменту времени, восстановление объекта до работоспособного состояния завершено не было. λ B (t B ) = f B (t B ) , 1 − PB (t B ) (21) где fB – плотность вероятности восстановления. 13 Гамма-процентное время восстановления T B γ - время, к которому восстановление объекта до работоспособного состояния будет завершено с вероятностью γ, выраженной в %. Определение T B γ на рис. 2.9. Для оценки ремонтопригодности часто используется понятие трудоемкости восстановления – трудозатраты, затраченные на восстановление объекта до работоспособного состояния и выраженные в человеко-часах. Средняя трудоемкость восстановления – математическое ожидание трудоемкости восстановления. Определяется, как: 1 k WB = ⋅ ∑ω Bi , k i=1 (22) где ωВi - трудоемкость восстановления после i-го отказа. Рв(tв) fв(tв) fв(tв) Рв(tв) 2 3 1 γ 1 tв min Tвγ tв max tв Рис.2.9. Определение гамма-процентного времени восстановления: 1 – восстановление начинается, но к моменту времени tв min не заканчивается; 2 – интервал времени, на котором восстановление завершается; 3 – в основном, восстановление не затягивается дольше tв max . Для комплексной оценки ремонтопригодности используются удельные показатели: удельное время восстановления [ч/1000 км]; удельная трудоемкость восстановления (табл.2.1) [чел.-ч/1000 км]; удельная стоимость восстановления [руб/1000 км]. Таблица 2.1 Нормативы трудоемкости ТР некоторых автомобилей (для I категории условий эксплуатации, базовой модели, умеренного климата, при пробеге автомобиля 50-70% от нормативного до капремонта) Марка, модель Удельная трудоемкость ТР, чел.-ч/1000км 1. ВАЗ – 2101 - 07 2,8 2. ГАЗ – 31105 3 3. ПАЗ – 3205 5,3 4. ЛиАЗ – 5256 6,8 5. ГАЗ – 3307 3,9 6. КАМАЗ – 5320 8,5 14 2.4. Показатели долговечности Средний ресурс Тр – математическое ожидание ресурса. Гамма-процентный ресурс Трγ – суммарная наработка, по истечении которой объект не достигнет предельного состояния с вероятностью γ, выраженную в %. Назначенный ресурс Трн – суммарная наработка, по истечении которой объект должен быть выведен из эксплуатации независимо от его технического состояния (табл.2.2). Средний срок службы Тср – математическое ожидание срока службы. Гамма-процентный срок службы Тсγ – календарная продолжительность эксплуатации, в течение которой объект не достигнет предельного состояния с вероятностью γ в %. Назначенный срок службы Тсн – календарный срок эксплуатации, по истечении которого объект должен быть выведен из эксплуатации, независимо от его технического состояния. Таблица 2.2 Нормы пробега подвижного состава и основных агрегатов до капитального ремонта (списания) для I категории условий эксплуатации, базовой модели, умеренного климата. АвтомоПередняя Задний Рулевой Модель ПС ДВС КПП биль ось мост механизм ВАЗ – 2101 - 07 125 125 125 125 125 125 ГАЗ – 3110 300 200 250 300 300 300 ПАЗ – 3205 320 180 180 180 180 150 ЛиАЗ – 5256 380 200 200 210 300 200 ГАЗ – 3307 250 200 250 250 250 250 Гарантийная наработка – наработка, в течение которой заводизготовитель гарантирует работоспособное состояние объекта и в случае возникновения отказа обязуется устранить его при условии соблюдения всех требований эксплуатации. Гарантийный срок службы – календарная продолжительность эксплуатации, в течение которой завод-изготовитель гарантирует работоспособное состояние объекта и в случае возникновения отказа обязуется устранить его при условии соблюдения всех требований эксплуатации. 2.5. Показатели сохраняемости Средний срок сохранности – математическое ожидание срока сохранности. Кроме среднего, срок сохранности оценивается Dс; σс; υс. Гамма-процентный срок сохранности – срок хранения, достигаемый объектом с вероятностью γ, выраженной в %. 15 Назначенный срок хранения – календарная продолжительность хранения, по истечении которой хранение должно быть прекращено независимо от состояния объекта. Показатели сохранности являются важными для запчастей, в частности резинотехнических изделий и ГСМ. Срок хранения шин в РФ 3-5 лет. 2.6. Комплексные показатели надежности Коэффициент готовности КГ – вероятность того, что объект окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, за исключением плановых периодов простоя, в течение которых эксплуатация не предусмотрена [4]. Плановый период простоя: ТО, хранение и транспортирование. KГ = Т Т + ТВ , (23) где Т – средняя наработка на отказ; ТВ – среднее время восстановления. Коэффициент оперативной готовности КОГ – вероятность того, что объект окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, за исключением планового периода простоя, и, начиная с данного момента времени, объект будет работать безотказно в течение заданной наработки. Т K OГ = K Г ⋅ P(t ) = ⋅ P(t ) , (24) Т + ТВ где t – наработка, в течении которой объект будет работать безотказно; P(t) – вероятность безотказной работы в течение наработки t. Коэффициент технического использования КТИ – отношение суммарного времени нахождения в работоспособном состоянии объекта за определенный период эксплуатации к суммарному времени нахождения в работоспособном состоянии и простоя, обусловленного проведением ТО и ремонта за тот же период эксплуатации. K ТИ = t раб t раб + t В + tТО = t раб tЭ , (25) где tЭ – время периода эксплуатации; tраб – время работоспособного состояния за время tЭ; tВ – время восстановления за время tЭ. Коэффициент сохранения эффективности КСЭ – отношение показателя эффективного использования объекта по назначению за определенный период эксплуатации к номинальному показателю эффективности, определенному при условии, что за этот период отказов не было [4]. 16 ГЛАВА 3. ОБРАБОТКА И АНАЛИЗ ИНФОРМАЦИИ ПО НАДЕЖНОСТИ 3.1. Система сбора информации по надежности Информация о надежности, на основании которой принимается решение, должна быть объективна, т.е. отвечать следующим требованиям [7]: 1. Достоверность- информация должна собираться квалифицированными рабочими, организующими сбор только фактического материала и не принимать в рассмотрение домыслы и догадки. 2. Полнота – должен быть собран материал о всех отказах, произошедших за период. 3. Однородность - должна собираться информация об одинаковых изделиях, эксплуатируемых в одинаковых условиях. На практике это означает, что автомобили должны быть одной марки, модификации и комплектации, как минимум одного года выпуска, одинакового применения, при одинаковых условиях эксплуатации, хранения, а также управляться водителем одинаковой квалификации. 4. Объемность – должно быть собрано необходимое количество информации, так как, чем больше отказов, тем объективнее результаты их анализа. На объем информации влияет длительность ее сбора, но с течением времени на изделие начинает оказывать влияние процессы усталости, коррозии, под действием которой надежность снижается. Информация об отказах такого изделия не может быть объективна. Основными источниками информации по надежности являются: 1) на этапе проектирования и подготовки изделия к производству информацию получают из результатов испытания опытных образцов, а также информацию об аналогичных изделиях; 2) при массовом производстве – специально организованная подконтрольная эксплуатация; 3) информация может быть получена из обычной эксплуатации. Из первичной документации АТП. Такая информация не является объективной. Чтобы она стала объективной, необходимо использовать методику подконтрольной эксплуатации; 4) в период гарантийной эксплуатации на завод-изготовитель приходит рекламация от владельцев – эта информация очень важна для завода, но не является объективной, так как часто владелец самостоятельно устраняет дефекты и отказы. По информации из рекламаций анализ надежности заводомизготовителем не предоставляется. 3.2. Испытания. Виды испытаний Основные виды испытаний [8] автомобилей представлены на рис. 3.1. 17 Испытания Дорожные Стендовые Специальные дорожные Полигонные Эксплуатационные Рис.3.1. Виды испытаний Стендовые испытания проводятся в лабораториях на специальных стендах. Они проводятся на автомобилях целиком или с отдельными узлами, деталями. Дорожные эксплуатационные испытания проводятся в реальных условиях эксплуатации. К ним относится подконтрольная эксплуатация. Специальные дорожные испытания проводятся на пассивную безопасность. Полигонные – испытания, проводящиеся на специальных трассах, имитирующих любые дорожные условия. В РФ полигонные испытания проводят на полигонах московского института НАМИ, в состав которого входят: кольцевая скоростная бетонная дорога, прямая дорога для динамических испытаний, кольцевая грунтовая дорога, дорога с булыжным покрытием и специальные испытательные дороги: дорога со сменными неровностями, дорога типа «бельгийская мостовая», дорога типа «стиральная доска». В зависимости от исследуемого свойства надежности различают испытания на долговечность, безотказность, ремонтопригодность и сохранность. Кроме того, различают нормальные и ускоренные испытания. 1. Нормальные – испытания, методы и условия проведения которых максимально приближены к реальным условиям эксплуатации. 2. Ускоренные - испытания, методы и условия проведения которых позволяют определить показатели в более короткие сроки. 3.3. Основные этапы исследования надежности изделий Процесс исследования надежности [9] можно условно разделить на несколько этапов (рис.3.2). I этап Сбор первичной информации II этап Обработка данных III этап Анализ и разработка мероприятий по повышению надежности IV этап Внедрение мероприятий по повышению надежности Рис.3.2. Основные этапы исследования надежности технических систем 18 Рассмотрим подробнее процесс исследования надежности технических систем. I этап Сбор информации по надежности проводится согласно методикам, разработанным для подконтрольной эксплуатации объектов. II этап Обработку информации проводят в несколько шагов: 1) комплектование выборки на основе собранных данных по надежности; информация должна отвечать требованиям параграфа 3.1; 2) предварительная обработка данных по надежности. На этом шаге отбрасывают резко выделяющиеся значения (правило трех σ) и проверяют выборку на наличие тренда (отклонение средней величины). Если тренд обнаружен, то выборку разбивают на несколько частей и переходят к шагу 1; 3) обработка данных по надежности. На этом шаге определяются точечные показатели (n, f, H, σ, D, υ), а также статистические показатели: f, ω, λ, P, F. Построение гистограммы; 4) выдвижение гипотезы о теоретическом законе распределения и проверка соответствия выбранного закона и статического распределения (по критерию Пирсона); 5) расчет показателей надежности с использованием формул выбранного закона распределения. III этап Анализ данных, полученных после обработки, заключается в оценке надежности любой детали. При этом оценивается влияние отказов этой детали на работоспособность всего изделия. Детали лимитируются по безотказности, по ресурсу, по трудоемкости обслуживания и стоимости запчастей. Для анализа используется несколько методик. ГЛАВА 4. НАДЕЖНОСТЬ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ 4.1. Структурные схемы надежности Автомобиль и его агрегаты есть сложные системы, любая из которых состоит из множества элементов. Работоспособность любого элемента непосредственно влияет на работоспособность всей системы [3]. Структурная схема надежности (модель надежности) – модель, установленная взаимосвязь между элементами и их влияние на работоспособность всей системы. Последовательная схема надежности (рис.4.1) – техническая система, для нормального функционирования которой необходимо исправное (работоспособное) состояние всех ее элементов. Параллельная схема надежности (рис.4.1) – если в случае отказа одного элемента система остается работоспособной (другой элемент выполняет функции отказавшего). 19 Модели надежности Последовательная Параллельная Смешанная 1 1 2 2 1 2 б а 3 в Рис.4.1. Структурные схемы надежности Для определения структурной схемы надежности необходимо правильно определить функциональное назначение каждого элемента и влияние на работоспособность всей системы. Для примера рассмотрим системы, состоящие из двух водопроводных кранов (рис. 4.2). Постоянно открыты Модели надежности Кран 1 Кран 2 Вода Вода 1 2 Кран 2 Кран 1 Вода Вода 1 2 Постоянно закрыты Рис.4.2. Схемы систем и модели надежности 4.2. Структурная схема надежности системы с последовательным соединением элементов Модель надежности такой системы – рис. 4.1,а. Вероятность безотказной работы любого элемента к заданной наработке t составляет Pi , тогда вероятность безотказной работы всей системы: P = P1 ⋅ P2 n => P = ∏ Pi , (26) i =1 где n – число элементов. Вероятность отказа F = 1 − P = 1 − P1 ⋅ P2 = 1 − (1 − F1 ) ⋅ (1 − F2 ) ; n F = 1 − ∏ (1 − Fi ) . (27) i =1 Примером последовательной системы является автомобиль, если его элементами считают двигатель, трансмиссию, рулевое управление и т.д. 20 4.3. Структурная схема надежности системы с параллельным соединением элементов Пример такой системы на рис. 4.1,б. Вероятность отказа системы с параллельным соединением элементов n F = F1 ⋅ F2 => F = ∏ Fi . (28) i =1 Вероятность безотказной работы системы: P = 1 − F = 1 − F1 ⋅ F2 = 1 − (1 − P1 ) ⋅ (1 − P2 ) ; n (29) P = 1 − ∏ (1 − Pi ) . i =1 На практике часто встречается система с частичным резервированием, в которой параллельно соединены более двух элементов (рис.4.3). Такая система остается работоспособной даже при выходе из строя нескольких элементов. 1 Надежность такой системы: n P = ∑ Cnk ⋅ P1k ⋅ F1n−k , k= j (30) k где Cn - число сочетаний; P1k - вероятность безотказной работы любого элемента; F1n − k - вероятность отказа любого элемента; n - число элементов; j - число работоспособных элементов, при котором система остается работоспособной. 2 3 4 Рис.4.3. Система с частичным резервированием 4.4. Резервирование Резервирование – это способ обеспечения надежности путем использования дополнительных средств или возможностей, избыточных по отношению к минимально необходимым для выполнения требуемых функций. В теории резервирования используют понятия: Основной элемент – элемент системы, способный выполнять требуемые функции без использования резерва. Резервируемый элемент – элемент, для которого в системе предусмотрено резервирование. Резервный элемент – элемент системы, выполняющий функции основного в случае отказа последнего. Виды резервных элементов: Нагруженный резерв – резервный элемент или группа элементов, работающих в режиме основного (2 контура торможения). 21 Ненагруженный резерв – резервный элемент или группа элементов, остающихся в ненагруженном состоянии до момента отказа основного элемента (запасное колесо). Рассмотрим основные виды резервирования (рис.4.4). Резервирование Общее Смешанное Постоянное Замещением Раздельное Рис.4.4. Виды резервирования Общее – резервирование, при котором резервируется весь объект целиком (тормозная система – главная резервируется стояночной). Постоянное – резервирование, при котором все резервные элементы находятся в нагруженном состоянии (сдвоенные задние колеса на грузовиках). Замещением – резервирование, при котором резервный элемент выполняет функции основного только после отказа последнего (запасное колесо). Раздельное – резервирование, при котором резервируются отдельные детали или группы деталей в системе (трансмиссия 4х4). Смешанное – резервирование, при котором сочетаются различные виды резервирования. ГЛАВА 5. ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА 5.1. Содержание технической диагностики Для принятия эффективного решения в процессе управления технической эксплуатацией автомобиля необходима объективная информация о техническом состоянии любого автомобиля в конкретный момент времени. Эта задача решается с помощью технического контроля [4]. Технический контроль – проверка соответствующего изделия к установленным техническим требованиям. Изначально преобладали субъективные методы контроля технического состояния автомобиля, к которым относятся технические осмотры автомобилей квалифицированным специалистами-механиками. Однако современная техника становится все сложнее, поэтому ужесточились требования к объективности информации о техническом состоянии автомобилей. В связи с этим возникла и начала развиваться техническая диагностика. Необходимо различать следующие понятия: Техническая диагностика – отрасль знаний, исследующая техническое состояние объекта и методы их определения. Техническое диагностирование – процесс определения технического состояния с заданной точностью. 22 Диагностика качественно отличается от традиционных методов технического осмотра: − во-первых, возможностью получения объективной информации, что достигается методами инструментального контроля; − во-вторых, возможностью получения выходных характеристик объекта (мощность, экономичность, тормозные качества и т.д.). Важнейшим требованием, предъявляемым к технической диагностике, является возможность определить технические состояния узла без его разборки, так как это связано с большими трудозатратами, а также с сокращением ресурса узла после разборки-сборки (рис.5.1). у(t) 2 1 упред ∆Тр унач tР-С tпред t Рис.5.1. Снижение остаточного ресурса узла после разборки-сборки: 1 – кривая изменения параметра технического состояния объекта без его разборки; 2 – кривая изменения параметра технического состояния объекта после его разборкисборки; tР-С – наработка, при которой проводится разборка-сборка объекта для контроля технического состояния; ∆Тр – сокращение ресурса объекта после его разборки-сборки В качестве примера параметра технического состояния можно привести свободный ход сцепления, суммарный угловой люфт и т.д. На изменение параметра технического состояния могут оказать влияние износы, регулировка и т.д. 5.2. Параметры диагностирования Параметры – качественная мера, оценивающая свойство элемента, явления или процесса. Предельное значение параметра – показатель, при достижении которого объект должен прекратить эксплуатацию. Структурные параметры – качественная мера определения свойства структуры объекта. Структурой являются: форма, размер, частота поверхности, т.е. параметры, оценивающие реальное геометрическое и физико-химическое состояние объекта. Для оценки технического состояния узла или агрегата необходимо определить значение структурного параметра и сравнить его с нормативным. Обычно для этого требуется разборка узла. 23 Диагностические параметры – качественная мера, оценивающая свойства объектов по косвенным признакам (давление в конце такта сжатия). Связь между структурными и диагностическими параметрами [4] на рис. 5.2. Y1 Y1 S1 S1 S2 Y1 S3 Y2 S1 Y1 Y2 S1 S2 Рис.5.2. Возможные связи между структурными Y и диагностическими S параметрами К диагностическим параметрам предъявляются следующие требования [4]: 1. Однозначность – любое значение диагностического параметра должно соответствовать одному значению структурного параметра в интервале оценки технического состояния. 2. Стабильность – малая дисперсия диагностического параметра при многочисленных измерениях в одинаковых условиях. На объектах, имеющих одно и тоже значение структурного параметра. 3. Чувствительность – величина приращения диагностического параметра при изменении структурного должна быть много больше нуля. 4. Информативность – характеризует достоверность диагноза о техническом состоянии объекта, сделанного при помощи диагностического параметра. Для назначения диагностических параметров сложных объектов при оценке структурных строят структурно-следственные связи (рис.5.3). Цилиндропоршневая группа 2 1 5 3 4 Структурные параметры цилиндр 1 Возможные отказы Диагностические параметры износ поршень 2 износ 3 кольцо 4 5 износ Расход масла на угар, компрессия, содержание продуктов износа в масле з а л е г а н и е Рис.5.3. Структурно-следственные связи цилиндропоршневой группы двигателя: 1 – внутренний диаметр цилиндра; 2 – диаметр поршня; 3 – размер канавки под кольцо; 4 – зазор в стыке кольца; 5 – упругость кольца 24 5.3. Процесс технического диагностирования Обычно процесс технического диагностирования включает 3 этапа: 1. Функционирование объекта на заданных режимах или тестовое воздействие на него. Различают: функциональное диагностирование – проводится при работе автомобиля, элемента или узла на заданных скоростных, нагрузочных или тепловых режимах; тестовое диагностирование – проводится при помощи внешних приводных устройств. 2. Улавливание и преобразование с помощью датчиков выходных сигналов, характеризующих диагностические параметры и их изменения. 3. Постановка диагноза о работоспособности объекта путем сопоставления полученного диагностического параметра с номинальным. Если оценивается работоспособность объекта, то ставиться диагноз: исправен или неисправен. Если система сложная и оценивается по нескольким диагностическим параметрам, то составляются диагностические матрицы (табл.5.1). Таблица 5.1 Диагностический параметр S1 S2 S3 S4 Пример диагностической матрицы Вид неисправности А1 А2 1 1 1 1 1 А3 1 “1” означает возможность неисправности системы при выходе диагностического параметра за номинальное значение. “0” означает невозможность неисправности системы при выходе диагностического параметра за номинальное значение. Существуют более сложные матрицы, где вместо “0” и “1” используются вероятности отказа. 5.4. Методы и средства диагностирования Методы диагностирования характеризуются способом диагностирования и физической сущностью диагностируемого параметра (рис. 5.4). 25 Методы диагностирования По выходным параметрам эксплуатационных свойств 1 2 3 4 По геометрическим параметрам 5 По параметрам сопутствующих процессов 6 7 8 9 Рис.5.4. Классификация методов диагностирования: 1 – тяговые - экономические показатели (мощность, крутящий момент, и т.д.); 2 – тормозные характеристики (замедление, усиление на педали); 3 – ходовые характеристики (максимальная скорость, ускорение); 4 – экологические характеристики (содержание выбросов, шумность); 5 – свободный ход, люфт, зазор; 6 – герметичность рабочих объемов; 7 – циклические характеристики (характеристики вибрации); 8 – тепловые характеристики (температура жидкостей и деталей); 9 – содержание вредных примесей в масле. Средствами диагностирования являются стенды и приборы для определения диагностических параметров технических изделий (рис.5.5). Средства диагностирования встроенные (бортовые) внешние устанавливаемые на автомобиль переносные стационарные передвижные Рис.5.5. Классификация средств диагностирования Примером переносных средств диагностирования является мотор-тестер для определения технического состояния элементов электронной системы управления двигателем. В качестве примера стационарного средства диагностирования можно привести стенд для определения тормозных свойств автомобиля, а также мощностной стенд. Передвижным является прибор для проверки света фар. 26