Основи теорії надійності і технічної діагностики конспект лекцій Маріуполь 2018
Конспект лекцій призначений для самостійної роботи студентів, які навчаються за спеціальністю 220301 - Автоматизація технологічних процесів і виробництв.
Загальна характеристика надійності як науки
Поява техніки і її широке застосування в виробничих процесах зробило актуальним питання про її ефективності. Ефективність використання машин пов'язана з їх здатністю безперервно і якісно виконувати покладені на них функції. Однак через поломки або несправності знижується якість роботи машин, виникають вимушені простої в їх роботі, виникає потреба в ремонтах для відновлення працездатності і необхідних технічних характеристик машин.
Перераховані обставини привели до появи поняття надійності машин та інших технічних засобів. Поняття надійності пов'язано зі здатністю технічного засобу виконувати покладені на нього функції протягом необхідного часу і з необхідною якістю. З перших кроків розвитку техніки стояло завдання зробити технічний пристрій таким, щоб воно працювало надійно. З розвитком і ускладненням техніки ускладнювалася і розвивалася проблема її надійності. Для вирішення її потрібна була розробка наукових основ нового наукового напрямку - науки про надійність.
Надійність характеризує якість технічного засобу. Якість - сукупність властивостей, що визначають придатність виробу до використання за призначенням і його споживчі властивості. Надійність - комплексне властивість технічного об'єкта, яке складається в його здатності виконувати задані функції, зберігаючи свої основні характеристики в встановлених межах. Надійність охоплює безвідмовність, довговічність, ремонтопридатність і збереженість.
Вивчення надійності як якісного показника, що характеризує технічний пристрій, призвело до появи науки "Надійність". Предмет дослідження науки - вивчення причин, що викликають відмови об'єктів, визначення закономірностей, яким вони підкоряються, розробка способів кількісного виміру надійності, методів розрахунку і випробувань, розробка шляхів і засобів підвищення надійності.
Розрізняють загальну теорію надійності та прикладні теорії надійності. Загальна теорія надійності має три складові:
1. Математична теорія надійності. Визначає математичні закономірності, яким підкоряються відмови і методи кількісного виміру надійності, а також інженерні розрахунки показників надійності.
2. Статистична теорія надійності. Обробка статистичної інформації про надійність. Статистичні характеристики надійності та закономірності відмов.
3. Фізична теорія надійності. Дослідження фізико-хімічних процесів, фізичних причин відмов, впливу старіння і міцності матеріалів на надійність.
Прикладні теорії надійності розробляються в конкретній галузі техніки стосовно об'єктів цієї області. Наприклад, існує теорія надійності систем управління, теорія надійності електронних пристроїв, теорія надійності машин і ін.
Надійність пов'язана з ефективністю (наприклад, з економічною ефективністю) техніки. Недостатня надійність технічного засобу має наслідком:
зниження продуктивності через простої внаслідок поломок,
зниження якості результатів використання технічного засобу через погіршення його технічних характеристик внаслідок несправностей,
витрати на ремонти технічного засобу,
втрата регулярності отримання результату (наприклад, зниження регулярності перевезень для транспортних засобів),
зниження рівня безпеки використання технічного засобу.
З надійністю безпосередньо пов'язана діагностика. Діагностика - вчення про методи і принципи розпізнавання хвороб і постановки діагноза.Техніческая діагностика - розглядає питання, пов'язані з оцінкою дійсного стану технічних систем. Завданням діагностики є виявлення і запобігання виникають відмов технічних засобів з метою підвищення їх загальної надійності.
Процес технічної діагностики передбачає наявність об'єкта діагностики, засобів діагностики і людини-оператора. В процесі діагностики виконуються вимірювальні, контрольні та логічні операції. Ці операції виконуються оператором з використанням засобів діагностики з метою визначення дійсного стану технічного засобу. Результати оцінки використовуються для прийняття рішення про подальше використання технічного засобу.
Основні поняття надійності
Надійність використовує поняття об'єкта. Об'єктом дослідження надійності (як науки) є ту чи іншу технічний засіб: окрема деталь, вузол машини, агрегат, машина в цілому, виріб і ін.
Об'єкт характеризується якістю. Надійність є складовим показником якості об'єкта. Чим вище надійність об'єкта, тим вище його якість.
Працездатний об'єкт - об'єкт, який може виконувати покладені на нього функції в умовах експлуатації, визначених для даного об'єкта. Працездатний об'єкт знаходиться в працездатному стані.
Працездатний стан - стан об'єкта, при якому значення всіх параметрів, що характеризують здатність виконувати задані функції, відповідають нормативно-технічної і (або) конструкторської (проектної) документації.
Непрацездатний стан - стан об'єкта, при якому значення хоча б одного параметра, що характеризує його здатність виконувати задані функції, не відповідає нормативно-технічної і (або) конструкторської (проектної) документації.
Відмова - перехід об'єкта з працездатного стану в непрацездатний.
Відновлення - повернення об'єкту працездатного стану. Відновлення здійснюється шляхом ремонту об'єкта.
Н
Чисельна оцінка надійності - ймовірність Pнахожденія об'єкта в працездатному стані в даний момент часу t. Ця ймовірність з плином часу змінюється за певним законуP (t) (рис. 1). Імовірність працездатного состояніяPоб'екта пов'язана з ймовірністю отказаQ
Життєвий цикл об'єкта
Об'єкт характеризується життєвим циклом. Життєвий цикл об'єкта складається з ряду стадій: проектування об'єкта, виготовлення об'єкта, експлуатація об'єкта. Кожна з цих стадій життєвого циклу впливає на надійність виробу.
На стадії проектування об'єкта закладаються основи його надійності. На надійність об'єкта впливають: вибір матеріалів (міцність матеріалів, зносостійкість матеріалів), запаси міцності деталей і конструкції в цілому, зручність складання та розбирання (визначає трудомісткість наступних ремонтів), механічна та теплова напруженість конструктивних елементів, резервування найважливіших або найменш надійних елементів і інші заходи .
На стадії виготовлення надійність визначається: вибором технології виробництва, дотриманням технологічних допусків, якістю обробки поверхонь, що сполучаються, якістю використовуваних матеріалів, ретельністю складання та регулювання.
На стадії проектування і виготовлення визначаються конструктивно-технологічні чинники, що впливають на надійність об'єкта. Дія цих факторів виявляється на стадії експлуатації об'єкта. Крім того, на цій стадії життєвого циклу об'єкта на його надійність впливають і експлуатаційних факторів.
Експлуатація робить вирішальний вплив на надійність об'єктів, особливо складних. Надійність об'єкта при експлуатації забезпечується шляхом:
- дотримання умов і режимів експлуатації (мастило, навантажувальні режими, температурні режими і ін.),
- проведення періодичних технічних обслуговувань з метою виявлення і усунення виникаючих неполадок і підтримки об'єкта в працездатному стані,
- систематична діагностика стану об'єкта, виявлення і попередження відмов, зниження шкідливих наслідків відмов,
- проведення профілактичних відновлювальних ремонтів.
Основною причиною зниження надійності в процесі експлуатації являеются знос і старіння компонентів об'єкта. Знос призводить до зміни розмірів, порушення працездатності (через погіршення умов змащення, наприклад), поломок, зниження міцності і т.д. Старіння призводить до зміни фізико-механічних властивостей матеріалів, що тягне поломки або відмови.
Надійність об'єкта на стадії експлуатації можна ілюструвати графіком типової залежності інтенсивності відмов об'єкта від часу експлуатації, представленому на рис. 2.
На рис. 2 показано: 1 - інтенсивність відмов λ (t), 2 - крива старіння, tп - період підробітки, tн - нормальна робота, tи - період зносу. У період підробітки надійність, в першу чергу, визначається конструктивно-технологічними факторами, що веде до підвищеної інтенсивності відмов. У міру виявлення і усунення цих чинників надійність об'єкта наводиться до номінального рівня, який зберігається в тривалому періодеtн нормальної експлуатації.
Протягом експлуатації в об'єкті накопичуються прояви зносу і втоми, інтенсивність яких зростає зі збільшенням терміну експлуатації об'єкта (зростаюча крива 2 на рис. 2). Настає період tи інтенсивного зносу об'єкта, який закінчується його приходом в граничний стан і зняттям з експлуатації.
Щорічні витрати на експлуатацію характеризуються графіками на рис. 3, де 1 - сумарні витрати, 2 - витрати на ремонт, 3 - витрати на амортизацію. З графіків видно, що існує оптимальний термін експлуатації об'єкта, при якому сумарні витрати на експлуатацію мінімальні. П
Підтримка надійності об'єкта при експлуатації
Підтримання необхідного рівня надійності технічних об'єктів в процесі експлуатації здійснюється шляхом проведення комплексу організаційно-технічних заходів. Сюди входять періодичні технічні обслуговування, профілактичні та відновлювальні ремонти. Періодичні технічні обслуговування спрямовані на своєчасні регулювання, усунення причин відмов, раннє виявлення відмов.
У періодичні технічні обслуговування проводяться у встановлені терміни і в установленому обсязі: технічні огляди (щоденні), щотижневе, щомісячне, сезонне і ін. Технічне обслуговування (регламент). Завданням будь-якого ТО є перевірка контрольованих параметрів, регулювання в разі необхідності, виявлення і усунення несправностей, заміна елементів, передбачена експлуатаційної документації.
Порядок виконання нескладних робіт визначається інструкціями з технічного обслуговування, а порядок виконання складних робіт - технологічними картами.
В процесі технічних обслуговувань зазвичай здійснюється і діагностика стану експлуатованого об'єкта (в тому чи іншому обсязі). Діагностика полягає в контролі стану об'єкта з метою виявлення і попередження відмов. Здійснюється діагностика за допомогою діагностичних засобів контролю, які можуть бути вбудованими і зовнішніми. Засоби дозволяють здійснювати безперервний контроль. За допомогою зовнішніх засобів здійснюється періодичний контроль.
В результаті діагностики виявляються відхилення параметрів об'єкта і причини цих відхилень. Визначається конкретне місце несправності. Вирішується задача прогнозування стану об'єкта і приймається рішення про його подальшу експлуатацію.
Про
Для відновлення показників надійності об'єкта при їх зниженні проводяться профілактичні та відновлювальні ремонти. Відновлювальні ремонти служать для відновлення працездатності об'єкта після відмови і підтримки заданого рівня його надійності шляхом заміни деталей і вузлів, які втратили свій рівень надійності або відмовили.
Кількість ремонтів визначається економічною доцільністю. Типова залежність ймовірності безвідмовної роботи об'єкта, що ремонтується від часу експлуатації показана на рис. 4. На малюнку прийняті наступні позначення: P- ймовірність безвідмовної роботи об'єкта, Pmin- мінімально допустимий рівень надійності, N- число замінних при ремонті елементів об'єкта.
Черговий ремонт не дозволяє досягти початкового рівня надійності об'єкта та термін експлуатації об'єкта після цього ремонту буде менше, ніж після попереднього ремонту. Таким чином, ефективність кожного наступного ремонту знижується, що спричиняє необхідність обмеження загальної кількості ремонтів об'єкта.