книги / Надежность и диагностика технологических систем

Электромагнитная энергия в виде электромагнитных колебаний воздействует на все пространство вокруг машины и оказывает влияние на работу электронной аппаратуры ТС.

Под воздействием спектра энергий в узлах и деталях машины возникают вредные процессы, ухудшающие ее начальные пара­ метры. Эти процессы связаны со сложными физико-химическими явлениями и приводят к износу, деформациям, коррозии и дру­ гим видам повреждений, в результате чего изменяются вы ход­ ные параметры изделия и может произойти отказ. В общем виде процесс возникновения отказа машины в результате поврежде­ ний показан на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Схема возникновения отказов маш ины в результате повреждений

Повреждение материала изделия — это отклонение его кон­ тролируемых свойств от начальных. Оно связано с выходными параметрами изделия определенной зависимостью. Понятие «по­ вреждение* следует относить к результату воздействия энергий на машину при ее эксплуатации. При этом необходимо не только констатировать факт возникновения повреждения, но и оценить степень этого повреждения. При превышении максимально до­ пустимого значения степени повреждения наступает отказ. Отка­ зы и простои ТС связаны с повреждениями их основных элементов:

1) механической части средств технологического оснащения (станки, роботы, оснастка, режущий и вспомогательный инст­ румент, транспортно-накопительные системы);

2)электронной части СУ (автоматические приводы, их блоки

иэлементы);

3)электроавтоматики (разъемы, реле, выключатели);

4)программного обеспечения (ПО) в системе автоматизиро­ ванного управления (САУ).

Важным направлением при исследовании надежности явля­ ется сбор и классификация множества отказов по обнаруженным сходным признакам и общности причин (физических явлений), вызвавших отказ объекта. Выявление причин и физической сущности отказов является одной из важных и наиболее тру­ доемких задач при разработке методов (и систем) диагностиро­ вания и управления.

Проявления и последствия отказов автоматизированного обо­ рудования выражаются в следующих формах: снижение произ­ водительности (из-за частых сбоев и остановов); нарушение такта и ритма; ухудшение качества выпускаемой продукции; потеря точности; выход параметров за допустимые пределы; неправиль­ ное функционирование узлов, механизмов, элементов СУ (повы­ шенный уровень шума, вибраций, тепловыделений); различные сбои; полное прекращение функционирования.

Опыт эксплуатации станков с ЧПУ в нашей стране и за рубежом показывает, что исполнительные устройства и приводы отказы­ вают в 40...50 % случаев, около 30 % неисправностей обусловлено несовершенством СУ, 15... 20 % — неполадками в измерительных системах. При этом на электронные и электрические устройства приходится почти половина отказов, а на механические узлы — около 30 % . Однако следует иметь в виду, что время восстанов­ ления механических узлов составляет до 90 % от суммарного, т.е. в несколько раз превышает время восстановления электрон­ ных и электрических узлов.

К основным видам дефектов ПР, приводящим к отказам, от­ носятся: погрешности сборки; износ сопряжений (зазоры, повы­ шенные силы трения); погрешности изготовления и настройки узлов пневмогидроаппаратуры; нарушение заданного (оптималь­ ного) закона движения рабочих органов; недостаточное демпфиро­ вание и жесткость выходных звеньев; недостаточная мощность приводов; неуравновешенность деталей и узлов манипулятора, роторов электродвигателей, схватов; недостаточное усилие за­ жима детали в схвате.

Вид и степень повреждения материала влияют на выходные параметры изделия и, следовательно, определяют его надежность. Рассмотрим примеры функциональных связей между степенью повреждения U и выходным параметром У (рис. 2.4). Наиболее типична линейная зависимость (рис. 2.4, а), когда U и У связаны

передаточным отношением (назовем его «коэффициентом влия­ ния» Кв). Например, при износе сопряжения на величину U за­ зор А, как правило, пропорционально увеличивается на эту вели­ чину, т.е. А = U. В этом случае коэффициент влияния Кв = 1.

Рис. 2.4. Влияние видов повреждений U деталей на вы ходны е параметры У маш ины:

а — линейная зависимость; б — нелинейная зависимость; в, г — квази­ линейные зависимости; д — зависимость с запаздыванием

Нелинейная зависимость между У и U может быть проиллю­ стрирована на примере возникновения динамических нагру­ зок Рд при наличии зазоров в сопряжении в результате его изно­ са (рис. 2.4, б). Здесь сила соударения двух упругих тел (зубьев шестерен) нелинейно зависит от величины зазора (при этом Кв > 1).

Наиболее распространена линейная зависимость вида U = kt, характерная для многих случаев установившегося износа. Если процесс протекает интенсивно и на него действуют многие фак­ торы, то линейная зависимость соблюдается приближенно. Типо­ вой пример — износ резца из твердого сплава Т15К6 при обра­ ботке стали 40Х (рис. 2.4, в). Здесь степень повреждения U оцени­ вается шириной фаски износа h по задней грани. Износ зависит от скорости резания V.

Примером монотонных зависимостей может служить износ U, связанный со старением смазок из-за их окисления (рис. 2.4, г). Поглощение объема кислорода W, характеризующего степень ста­ рения масла и, соответственно, износ U, протекает со значительно меньшей скоростью при наличии специальных присадок.

Особо опасны процессы с запаздыванием начала поврежде­ ния (рис. 2.4, д). Они характерны при образовании усталостных трещин и разрушений. Исследования возникновения и разви­ тия трещин показали, что в начальный период работы конст­ рукции (при f0 < t) они не обнаруживаются (не проявляются), а затем развиваются интенсивно по экспоненциальному закону:

L(*) =0 при* <*0;

осе& при*>*0,

где L — длина трещины; е — экспонента (е =2,718); *0 — порог чувствительности (случайная величина); а и |3 — параметры за­ кона.

Когда в процессах с запаздыванием начала повреждения время до начала процесса (порог чувствительности) является основным периодом эксплуатации изделия, а сам процесс протекает с боль­ шой интенсивностью, то такое явление воспринимается обычно как спонтанный (самопроизвольно возникающий) процесс. На­ пример, хрупкое разрушение металлов, схватывание при тре­ нии и др. носят лавинообразный характер и возникают после накопления внутренних повреждений или при неблагоприятном сочетании возмущающих воздействий.

Возникновение микротрещин и их несвоевременное обнару­ жение могут привести к тяжелейшим последствиям (известно, что в 1986 г. американский космический корабль «Спейс шаттл» (орбитальная ступень «Челленджер») с семью космонавтами на

66 2. Физические основы теории надежности

борту взорвался при запуске из-за невыявленной своевременно микротрещины).

Основная причина низкой надежности (поломок) реж ущ их инструментов с напаянными пластинами — это микротрещины, вызванные большими температурами и внутренними напряже­ ниями в процессе напайки.

По степени последействия процессы, происходящие в машине и влияющие на его технические характеристики, могут быть об­ ратимыми и необратимыми (см. рис. 2.1). Обратимые процессы временно изменяют параметры деталей, узлов и всей системы в некотором диапазоне без тенденции прогрессивного ухудш е­ ния. Типовые примеры таких процессов — упругие и тепловые деформации узлов и деталей машин (станков).

Необратимые процессы приводят к прогрессивному ухудш е­ нию технических характеристик машины с течением времени. Наиболее характерными необратимыми процессами в машинах являются старение, изнашивание, коррозия, усталость, перерас­ пределение внутренних напряжений и коробление деталей. Необ­ ратимые процессы приводят к отказам и снижают общий уровень надежности машин.

Повреждения деталей и сопряжений могут быть допустимы ­ ми и недопустимыми. Для оценки работоспособности детали не­ обходимо установить характер повреждений, из-за которых она выходит из строя. С учетом вида повреждений деталей отказы соответственно можно разбить на две группы: допустимые (по характеру, а не по величине повреждения), возникающие при нормальных условиях эксплуатации; недопустимые, которые но­ сят аварийный характер. Разрушению или деформации может подвергаться как тело детали, так и ее поверхность, находящаяся во взаимодействии с поверхностью другой детали.

К допустимым повреждениям относятся некоторые виды из­ носа, усталость поверхностных слоев, коробление (остаточные деформации). Недопустимые повреждения — это различные по­ ломки деталей, возникающие в результате недостаточной стати­ ческой, динамической или усталостной прочности, тепловые тре­ щины, появляющиеся в результате нагрева, в ряде случаев — коррозия. Повреждения элементов машины приводят к отказам, когда степень повреждений превышает предельно допустимый уровень.

Тепловая или упругая деформация изделия, которая может привести к отказу, не является процессом старения, так как при снятии внешних нагрузок, вызвавших данную деформацию, из­ делие приобретает исходные характеристики.

Классификация процессов по скорости протекания во вре­ мени. По скорости протекания все процессы, действующие на оборудование ТС, делятся на три группы: быстропротекающие, средней скорости, медленные. Быстропротекающие процессы имеют периодичность изменения, измеряемую обычно долями секунды. Эти процессы заканчиваются в пределах цикла работы станка и вновь возникают при следующем. Они обусловлены дина­ мическими факторами, под которыми понимаются кратковре­ менные воздействия специфических видов энергии на элементы ТС при ее функционировании. Например, мгновенное возник­ новение значительных механических сил при снятии стружки вызывает ударные нагрузки и колебания в ТС.

У функционирующих ТС динамические факторы могут про­ являться в самых разнообразных формах: упругие отжатия эле­ ментов ТС в процессе резания; переходные процессы в автомати­ ческих приводах; перераспределение сил трения при движении рабочих органов и неравномерность их перемещения; силы инер­ ции движущихся механизмов; виброакустические колебания; ав­ токолебания и др.

Быстропротекающие процессы возникают в результате слож­ ных физических взаимодействий, которые имеют место при рабо­ те станка. Например, устойчивые колебания в металлорежущих станках обусловлены колебаниями сил резания из-за периодиче­ ского изменения величины сечения среза, изменения сил трения между сходящей стружкой и инструментом, возникновения и ска­ лывания нароста на инструменте и другими причинами.

Процессы средней скорости связаны с периодом непрерыв­ ной работы станка. Их длительность измеряется обычно в мину­ тах или часах. Они приводят к монотонному изменению началь­ ных параметров станка. К этой группе относятся как обратимые процессы (изменение температуры станка и его отдельных эле­ ментов, изменение температуры и влажности окружающей среды), так и необратимые (например, износ режущего инструмента). Процессы средней скорости (например, тепловые деформации) характеризуются случайными величинами и функциями, что

Рис. 2.5. Алгоритм возникновения отказа

У металлообрабатывающего станка важным выходным пара­ метром является точность. Поэтому мы будем оперировать в даль­ нейшем термином отказ по точности обработки (параметриче­ ский отказ). Потеря станком точности происходит в результате воздействия различных видов энергии, вызывающих в элемен­ тах ТС сложные физико-химические явления (или вредные про­ цессы). Эти процессы являются стохастическими (случайными), поэтому отказы по точности обработки подчиняются закономер­ ностям случайных величин. Возмущающие воздействия (спектр энергий и вредных процессов), направленные на оборудование, снижают его начальную точность и приводят к параметрическим отказам.

Для выявления причин потери оборудованием точности и воз­ никновения отказов необходимо проанализировать весь процесс обработки в определенной последовательности: воздействие энер­ гии (возмущающие воздействия) — вредные процессы — измене­ ние состояния или положения элементов ТС (станка, приспособ­

70 2. Физические основы теории надежности

ления, инструмента, заготовки) — погрешности ТС (ее механиче­ ской и электронной части) — параметры качества обрабатывае­ мых поверхностей — показатели работоспособности (надежности). На основе такого системного (комплексного) подхода рассмот­ рим укрупненную блок-схему формирования параметрического отказа оборудования (на примере станка с ЧПУ). Схема отражает физическую сущность и общие закономерности возникновения отказов (рис. 2.6).

При работе станка спектр энергий вызывает вредные процессы, приводящие к изменению состояния ТС, начальных значений погрешностей, которые передаются на обрабатываемые поверх­ ности заготовки и снижают параметры качества.

Параметры точности обработки связаны математическими за­ висимостями с показателями надежности, которые изменяются во времени с учетом результатов обработки. Когда численные значения показателей надежности (по установленным парамет­ рам) станут ниже допустимого уровня, произойдет отказ по «точ­ ности обработки». Используя АСД в качестве обратной связи, можно осуществлять управление точностью, не допуская отказа, и тем самым повышать надежность и стабильность выполнения ТП.

Несмотря на большое разнообразие станков с ЧПУ, можно оп­ ределить общую закономерность и специфику формирования отказа (рис. 2.7). Реальная траектория режущего инструмента (например, резца) отличается от запрограммированной из-за ком ­ плекса погрешностей: Дн и — наладки и смены инструмента; Дп — позиционирования; Д3 — заготовки; Ди>р — износа резца. Эти погрешности возникают до начала процесса резания (пери­ од Т0) и обусловливают зону рассеивания а0положения верши­ ны резца Р на заготовке относительно запрограммированной точки 1 — центра допуска на обработку 8.

В период формообразования Тф(т.е. при снятии стружки) воз­ никают погрешности: геометрические Дг; от быстропротекающих процессов Д$; от упругих Ду и тепловых Д* деформаций. Из-за ука­ занных погрешностей вершина резца смещается вначале в точку 2, а затем — в точки 3, 5, 4 или 6 из-за износа Utрезца и зоны рас­ сеивания Е/р. Когда вершина резца достигнет границы допуска на обработку +8Т, произойдет отказ по параметру «точность раз­ мера» .