книги / Надежность и диагностика технологических систем

мента до общей оценки станка или системы в целом. Например, «точность обработки» — это важнейший (интегрированный) выходной параметр станков (и ТП в целом), который характе­ ризует их общий технический уровень и технологические воз­ можности. Установлены пять классов точности станков: Н — нормальной точности; П — повышенной; В — высокой; А — особо высокой; С — сверхвысокой.

В ТЗ на проектирование объекта задаются технические тре­ бования (TTf) к выходным параметрам yt. Величины ТТ,- явля­ ются границами допустимых диапазонов изменения выходных параметров yt, Требуемые соотношения между ytи ТТ; называют условиями работоспособности. Они могут быть односторонними неравенствами или же иметь вид двусторонних ограничений..

Условия работоспособности:

•yt < ТТ; — односторонние ограничения;

•ук> ТТ; — односторонние ограничения;

•ТТ1 <yt <ТТ" — двусторонние ограничения.

Внутренние параметры станка формируют параметры каче­ ства изготовляемых деталей:

•точность размера (линейные и диаметральные размеры де­ талей);

•точность формы (оценивается по величине отклонений — некруглости, нецилиндричности, непрямолинейности, неплоскостности);

•точность расположения поверхностей (несоосность, непараллельность, неперпендикулярность);

•шероховатость поверхности и физико-механические харак­ теристики поверхностного слоя.

Важная задача при создании надежных конструкций — оп­ ределение оптимальной структуры и параметров объекта. Тер­ мин «оптимальный» означает наилучший, самый эффективный (с точки зрения выбранного, установленного, научного крите­ рия). При проектировании для поиска оптимальных вариантов структур и параметров применяют моделирование процессов

и объектов.

Моделирование — метод исследования сложных агрегатов, си­ стем или процессов на их моделях или на реальных установках с применением методов теории подобия при постановке и обра­ ботке эксперимента.

Моделирование производственных процессов — это исследо­ вание производственных процессов путем создания моделей, отра­ жающих структуру процессов, характеристики объектов и по­ токи информации. Моделирование — эффективный инструмент исследования и познания, использование которого позволяет:

•исследовать объекты и процессы на стадии их разработки;

•исследовать объект, не изготовляя его и не проводя дорого­ стоящих натурных испытаний;

•определять оптимальную структуру и параметры систем, объектов, ТП;

•исследовать параметры объектов, варьировать параметра­ ми, определять степень влияния отдельных параметров на рабо­ тоспособность и другие показатели;

•определять рациональные (оптимальные) схемы и способы управления объектами.

•резко сократить сроки на разработку и изготовление.

•оценивать различные варианты проектных решений и вы­ бирать наилучшие;

•значительно повысить эффективность процесса создания машин, их качество и надежность;

•автоматизировать процесс проектирования, превратить его из утомительного, рутинного в творческий, придать ему иссле­ довательский характер, активизировать мышление и повысить интеллектуальный уровень проектировщика.

Моделирование на ЭВМ — это построение ММ, разработка алгоритма и программы, создание машинной модели и исследова­ ние ее на ЭВМ. В ЭВМ осуществляется процесс счета дискретных чисел («нулей» и «единиц»). Решение задач сводится к последова­ тельному выполнению ряда арифметических и логических опера­ ций над числами по заданной программе в соответствии с ММ.

Математическая модель — это адекватное описание объекта

спомощью различных математических методов, это совокупность математических выражений (формул, матриц, множеств) и отно­ шений между ними, отражающая некоторые свойства техниче­ ского объекта или процесса. ММ дает, однако, лишь приближенное описание объекта (процесса). Поэтому ММ проверяют на адек­ ватность (т.е. соответствие, степень приближения) реальному объекту.

Реализация математических моделей на ЭВМ . Окончательное формирование составляющих ММ происходит при ее реализации

на ЭВМ в несколько этапов: 1) выбор метода решения уравнения ММ; 2) анализ математического обеспечения конкретной ЭВМ на предмет пригодности прикладных программ для решения дан­ ной ММ; 3) приведение ММ к виду, удобному для решения на ЭВМ выбранными методами; 4) разработка алгоритма решения; 5) выбор языка программирования; 6) составление программы; 7) отладка программы; 8) создание машинной модели.

Принятие решений на начальных стадиях проектирования машин и повышение схемной надежности. Под сложной техно­ логической системой будем понимать объект, предназначенный для выполнения заданных функций, который может быть рас­ членен на элементы, каждый из которых также выполняет опреде­ ленные функции и находится во взаимодействии с другими эле­ ментами. Примерами сложных технических (технологических) систем являются комплексы оборудования ГПС, ГПМ, ГАУ, РТК. Отдельные элементы, входящие в эти автоматизированные ком­ плексы, можно тоже рассматривать как сложные ТС (например, станки с ЧПУ, роботы). На начальном этапе проектирования при расчленении сложной системы на отдельные элементы (см. рис. 2.8), для каждого из которых можно отдельно определить вероятность безотказной работы, для расчета ее надежности широко используют структурные схемы. В этих схемах каждый i-й элемент характеризуется значением Р* — вероятностью его безотказной работы. Требуется определить вероятность безот­ казной работы P(t) всей системы. Такие расчеты называют рас­ четом схемной надежности.

Наиболее важен (и опасен) случай, когда отказ одного эле­ мента выводит из строя всю систему, как это имеет место при последовательном соединении элементов (например, в электри­ ческих цепях). При этом отдельные элементы ТС не обязательно могут быть соединены последовательно. Однако каждый из этих элементов принимает участие в выполнении общей технологи­ ческой задачи.

На начальном этапе проектирования делается выбор структуры и расчет схемной надежности системы. Автоматизированные ТС относятся к сложным системам, на большое число выходных па­ раметров которых устанавливаются нормативы, обусловливаю­ щие надежность. Структура ТС относится к связанной — отказ ее элементов является зависимым событием и влияет на функ­ ционирование всей системы (рис. 7.8). При последовательном

соединении отказ даже одного элемента приводит к отказу всей системы. Вероятность безотказной работы системы из шести основных элементов ТС равна произведению вероятности без­ отказной работы всех ее элементов:

P(t) = P1P2P3Pi P5Pe =UPi-

Рис. 7.8. Основные элементы структуры технологической системы металлообработки; P i ,..., Р$ — вероятности безотказной работы элементов системы

При одинаковой надежности элементов P(t) = P f. Серьезный недостаток последовательного соединения — низкая надежность всей системы (при достаточно высокой надежности отдельных элементов). Например, при значении вероятности безотказной работы каждого элемента Р* = 0,99 надежность всей системы равна:

P(t) = Pf =0,996 =0,93,

а при значении вероятности безотказной работы каждого эле­ мента Pi = 0,9 надежность равна:

==0,9® =0,53.

При таком уровне надежности система практически нерабо­ тоспособна.

Реальные ТС имеют сотни элементов, которые в разной степе­ ни влияют на надежность. Если рассчитать надежность ТС из 50 элементов с вероятностью безотказной работы каждого элемен­ та Pt= 0,99, то вероятность безотказной работы системы

Ш>, =0,99“ =0,55.

Система неработоспособна, хотя надежность каждого элемента высокая. Эти простейшие примеры показывают, насколько акту­ альна проблема надежности при создании сложных ТС.

При внезапных отказах вероятность безотказной работы отдель­ ных элементов пбдчиняется экспоненциальному закону:

Р ,= е -Х>‘ ; P2=e-X*, .... Р„ = е“*"'.

Тогда вероятность безотказной работы всей системы P(t) можно рассчитать по формуле

i=1

Таким образом, вероятность безотказной работы сложной тех­ нической системы также подчиняется экспоненциальному закону с параметром

Х-о —

£=1

Избыточность и резервирование. Избыточность — наиболее эффективный метод повышения надежности сложных ТС. На ста­ дии проектирования систем предусматривается создание запаса по основным параметрам, обусловливающим надежность: проч­ ности, жесткости, износостойкости, виброустойчивости, тепло­ стойкости. В результате избыточности достижение предельных значений доминирующих параметров при работе изделия отда­ ляется во времени. Наступление отказа как бы искусственно «сдвигается» во времени, т.е. в конструкции на стадии проекти­ рования заранее закладывается завышенная наработка на отказ. При создании надежных систем принцип избыточности прояв­ ляется в том, что ресурс изделия устанавливается намного ниже среднего срока службы до отказа. Недоиспользование потенциаль­ ной долговечности изделия дает гарантию его безотказной работы.

Частным случаем избыточности является резервирование, т.е. создание и включение в схему ТС дублирующих элементов. При выходе из строя (или отказе) одного из элементов дублер выпол­ няет его функции, и узел продолжает нормально функциониро­ вать. Резервирование значительно повышает надежность систем.

Есть два вида резервирования — с нагруженными и ненагруженными резервными элементами (рис. 7.9). При нагруженном резервировании резервные элементы постоянно присоединены к основным и находятся в одинаковом с ними режиме работы (рис. 7.9, а). В этом случае отказ системы — это сложное событие, которое будет иметь место при условии отказа всех элементов. Вероятность появления одновременно всех отказов F(t) равна (по теореме умножения) произведению:

F(t) = Fi‘F2 ,...,Fn = П2').

Рис. 7.9. Виды резервирования элементов:

а — с нагруженным резервным элементом; б — с ненагруженным резервным элементом

Вероятность безотказной работы P(t) равна:

Если вероятность безотказной работы каждого элемента Рг = 0,9 и п = 3, то с учетом формулы (7.1) получим

Р(0 = [1 - П(1-Р,)] = [1-11(1-0,9)] = [1-(0,1)3] = 0,999.

Вероятность безотказной работы повысилась сразу на три по­ рядка. С использованием принципа резервирования возможно создание надежных систем из «ненадежных» элементов.

При ненагруженном резервировании резервные цепи (эле­ менты) находятся в отключенном состоянии и включаются лишь в случае отказа основной цепи (рис. 7.9, б). В этом случае надо вначале обнаружить отказ, а затем включить резерв.

Итак, использование избыточности и резервирования — эф­ фективный способ повышения надежности проектируемых систем. Его следует применять уже на начальном этапе проектирования — на этапе принятия проектных решений (этап «Техническое пред­ ложение»).

Выбор структуры. При проектировании систем важно найти рациональные места расположения (установки) и соединения отдельных элементов. Это во многом будет определять надеж­ ность функционирования системы при эксплуатации. Рассмот­ рим несколько примеров. В технических системах важное зна­ чение имеет место расположения фильтров для очистки смазки (рис. 7.10).

При засорении сетки фильтра 1 (вариант А) масло будет про­ ходить через фильтр 2 и отказа не произойдет. При разрыве сетки фильтра 1 грязное масло будет очищаться в фильтре 2 и отказа

Повышение износостойкости. Надежность и долговечность из­ делий зависят от износостойкости деталей, которая обусловли­ вается физико-механическими свойствами, состоянием и каче­ ством обработанных поверхностей. Например, износостойкость трущихся поверхностей деталей зависит от величины Rz. При оптимальном значении Rzom (рис. 7.12, а) износ U поверхности минимален (Umin). При значениях шероховатости, отличных от оптимального (т.е. левее или правее точки Rzom), износ увели­ чивается итах.

Рис. 7.12. Влияние величины шероховатости поверхностей Rz на износ U трущихся пар:

а — при оптимальном Rzom; б — при Rzmax; в — при Rzmin

При грубо обработанной поверхности (рис. 7.12, б) износ уве­ личивается (UmBX); при очень гладкой поверхности (рис. 7.12, в) смазка не удерживается на поверхности и износ также протека­ ет интенсивно.

Применение смазки может снизить износ в 1000 раз. Однако со временем смазка теряет свои свойства из-за поглощения W кислорода (т.е. стареет). Поглощение кислорода (и износ U) протекает менее интенсивно при наличии в масле специальных противоизносных присадок (см. рис. 2.4, г).

В качестве смазочных материалов в машинах применяются жидкие минеральные масла, густые (консистентные), а в ряде случаев и твердые смазки. Наиболее эффективны минеральные масла. Они хорошо подходят для смазки ответственных быстро­ ходных сопряжений и позволяют легче осуществлять централи­ зованную смазку.

Износостойкость зависит от свойств сопряженных материалов и от условий работы сопряжения. Выбранные материалы должны гарантировать, что на поверхности трения не возникнут недо­ пустимые виды изнашивания, например молекулярное схваты­ вание, которое приводит к задирам. Так, при трении однородных материалов в условиях несовершенной смазки для предотвра­ щения молекулярного схватывания необходимо, чтобы их твер­ дость отличалась не меньше чем на 10 единиц по Бринелю.

Для повышения износостойкости и твердости поверхностного слоя есть много способов: цементация, нитроцементация, азоти­ рование, ионное азотирование, карбонитрация, лазерное легиро­ вание, электронно-искровое легирование, алитирование, плазмен­ ное напыление, специальные покрытия, упрочнение поверхности механическими способами (накатка роликами, дробеструйка).

Повышение качества обрабатываемых поверхностей. Высо­ кое качество и твердость поверхности обрабатываемых деталей, получаемые на этапе изготовления, создают основу надежности будущего изделия. От погрешностей обработки зависят дости­ гаемые квалитеты точности (рис. 7.13, а) и относительная себе­ стоимость обработки (рис. 7.13, б). Однако следует иметь в виду, что повышение точности обработки требует дополнительных затрат (выполнения большего числа переходов и операций, дополнитель­ ного оборудования и средств контроля). Все это автоматически приводит к увеличению себестоимости изготовления деталей.

Качество изделий зависит от применяемых методов (техноло­ гии) изготовления и технического уровня производства. В Центре ультразвуковых технологий при СЗТУ (Санкт-Петербург) под ру­ ководством профессора Ю.В. Холопова разработан уникальный метод БУФО поверхности металлов. Выпускаются малогабарит-

Рис. 7.13. Зависимость квалитетов точности поверхностей деталей (а) и себестоимости (б) от погрешности обработки

ные комплекты для безабразивной финишной обработки, которые, являясь приставками к типовым станкам, фактически превраща­ ют их в многооперационные. БУФО дает возможность получить поверхность с шероховатостью Ra = 0,025...0,1 мкм (это 10-12 класс), при этом повышается усталостная прочность изделий.