34

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Тульский государственный университет»

Кафедра «Технологические системы пищевых и перерабатывающих производств»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторных работ

по дисциплине

«Математические основы надежности технологических машин»

Направления подготовки:

150400 Технологические машины и оборудование

(260600 Пищевая инженерия)

110300 Агроинженерия

Специальности подготовки:

260601 Машины и аппараты пищевых производств

110303 Механизация переработки сельскохозяйственной продукции»

Формы обучения: очная

Тула 2010

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Лабораторная работа № 1-3. АНАЛИЗ ОТКАЗОВ И ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН Лабораторная работа № 1. Классификация отказов технологических машин …………………………………………………………… Лабораторная работа № 2. Расчет количественных показателей надежности восстанавливаемых технологических машин…………… Лабораторная работа № 3. Применение основных моделей теории вероятностей для расчета показателей безотказности машин…….. Лабораторная работа № 4-6. МОДЕЛИрование НАДЕЖНОСТИ ВОССТАНАВЛИВАЕМЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН Лабораторная работа № 4. Моделирование и оценка надежности однопоточных технологических машин……………………………..	3 10 13 17 20 24
Лабораторная работа № 5. Моделирование и оценка надежности неструктурированной многопоточной технологической машины с различными стратегиями обслуживания……………………………. Лабораторная работа № 6. Моделирование и оценка надежности структурированной многопоточной технологической машины с различными стратегиями обслуживания…………………………….
Лабораторная работа № 7-9. МОДЕЛИРОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ РЕЗЕРВИРОВАННЫХ РОТОРНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН Лабораторная работа № 7. Моделирование и оценка надежности дублированной роторной машины («холодный» резерв)…………. Лабораторная работа № 8. Моделирование и оценка надежности восьмипозиционной роторной машины с «горячим» резервом……	26 29

Лабораторная работа № 1

Классификация отказов технологических машин

I. Цель работы:

- ознакомление с основными понятиями теории надежности;

- изучение классификации отказов технологической системы;

- изучение возможных причин возникновения различных видов отказов.

II. Основные теоретические сведения.

1. Теория надежности опирается на совокупность различных понятий, определений, терминов и показателей, которые строго регламентируются в государственных стандартах (ГОСТ). Введем некоторые термины и понятия, используемые в теории надежности.

Система – это технологический объект, предназначенный для выполнения определенных функций. Отдельные части системы (конструктивно обособленные, как правило) называются элементами. Элемент – это объект, представляющий собой простейшую часть системы, отдельные части которой не представляют самостоятельного интереса в рамках конкретного рассмотрения.

При проектировании система (устройство) должна удовлетворять всем техническим требованиям. Эти требования можно разделить на: основные, обеспечивающие выполнение заданных функций; и вспомогательные, связанные с удобством эксплуатации, внешним видом и т.д. и не влияют на возникновение отказа. При построении логической структуры технологической системы (ТС), предназначенной для исследования надежности, для упрощения расчетов имеет смысл принимать во внимание только основные элементы.

С точки зрения теории надежности любой технологической объект (система, устройство, элемент) можно охарактеризовать его качественными свойствами, техническим состоянием и приспособленностью к восстановлению после потери работоспособности (рис. 1).

Надежностью называется свойство ТС выполнять заданные функции, сохраняя во времени значение устанавливаемых эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, хранения и транспортировки. Надежность включает в себя следующие свойства.

Безотказность – свойство ТС непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки.

Свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов называется долговечностью.

Сохраняемость – это свойство ТС непрерывно сохранять исправное и работоспособное состояние в течение и после хранения и транспортирования.

Рис. 1. Основные характеристики ТС

Сохраняемость характеризуется способностью объекта противостоять отрицательному влиянию условий хранения и транспортирования на его безотказность и долговечность. Продолжительное хранение и транспортирование объектов могут снизить их надежность при последующей работе по сравнению с объектами, которые не подвергаются хранению и транспортировке.

Ремонтоспособностью называется свойство объекта, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений и устранению их последствий путем проведения ремонта и технического обслуживания. Данное свойство является очень важным, т.к. оно характеризует степень стандартизации и унификации элементов ТС, удобство их размещения с точки зрения доступности для контроля и ремонта, приспособляемость к регулировочным операциям и т.д.

Техническое состояние ТС характеризуется исправностью или неисправностью, работоспособностью или неработоспособностью, а также предельным состоянием. Исправным состоянием (исправностью) ТС называется такое ее состояние, при котором она соответствует всем требованиям, установленным нормативно-технической документацией (НТД). Если ТС находится в состоянии, при котором она способна выполнить заданные функции, сохраняя значения всех заданных параметров в пределах, установленных НТД, то она находится в работоспособном состоянии. Неработоспособным состоянием ТС называется состояние, при котором значение хотя бы одного заданного параметра, не соответствует установленным требованием НТД. При длительной эксплуатации ТС может достигнуть предельного состояния, при котором ее дальнейшая эксплуатация должна быть прекращена вследствие каких-либо причин (неустранимое нарушение требований безопасности и др.)

Исходя из возможности дальнейшего использования после отказа и приспособленности к восстановлению, все ТС классифицируют (рис. 2).

Рис. 2. Классификация объектов ТС.

Восстанавливаемой ТС называется такая ТС, работоспособность которой в случае возникновения отказа подлежит восстановлению. Если же восстановление работоспособности ТС при ее отказе признается нецелесообразным или неосуществимым, то система называется невосстанавливаемой.

Ремонтируемой ТС называется система, неисправность или работоспособность которой в случае возникновения отказа или повреждения подлежат восстановлению. В противном случае, объект называется неремонтируемым (электролампочки). Неремонтируемое устройство всегда является и невосстанавливаемым; ремонтируемое устройство может быть как восстанавливаемым, так и невосстанавливаемым все зависит от существующей системы технического обслуживания и ремонта, конкретной ситуации в момент отказа. Например, в условии эксплуатации телевизоров, отказавший кинескоп является изделием не восстанавливаемым; но на ремонтном заводе – уже восстанавливаемым.

2. Повреждения и отказы. Повреждением называется событие, заключающееся в нарушении исправности ТС или ее составных частей из-за влияния внешних условий, превышающих уровни, установленные НТД. Повреждение может быть существенным и явиться причиной отказа и несущественным, при котором работоспособность ТС сохраняется.

Отказ – это случайное событие, заключающееся в нарушении работоспособности ТС под влиянием ряда случайных факторов. Критерием отказа являются признаки выхода хотя бы одного заданного параметра за установленный допуск. Критерии отказа должны указываться в НТД на объект. Причинами отказа могут быть просчеты, допущенные при конструировании, дефекты производства, нарушения правил и норм эксплуатации, повреждения, а также естественные процессы изнашивания и старения.

Признаки отказа или повреждения проявляют непосредственные или косвенные воздействия на органы чувств наблюдателя (оператора) явлений, характерных для неработоспособного состояния объекта, или процессов с ними связанных. К последствиям отказа или повреждения относятся явления и события, возникшие после отказа или повреждения и в непосредственной причинной связи с ним.

Отказы объектов ТС классифицируются по различным признакам (табл.).

Таблица. Классификация отказов

Признаки отказа	Вид отказа	Характеристика отказа
Характер изменения параметра до момента возникновения отказа	Внезапный	Не связан с длительностью использования машины. Возникает в результате неблагоприятных факторов и случайных внешних воздействий. Скачкообразное изменение значений одного или нескольких параметров ТС (трещины, возникающие в результате подачи смазки, возникновение перегрузок, прокол колеса).
	Постепенный	Постепенное изменение одного или нескольких параметров за счет медленного, постепенного ухудше- ния качества ТС. Чем больше эксплуатируется, тем выше вероятность возникновения (износ, коррозия).
Связь с отказами других элементов (узлов, устройств)	Независимый (первичный)	Отказ не обусловлен повреждениями или отклонениями других элементов (узлов)
	Зависимый (вторичный)	Отказ обусловлен повреждениями или отказами других элементов (узлов, устройств) (из-за пробоя конденсатора может сгореть другой элемент)
Возможность использования элемента после отказа	Полный	Полная потеря работоспособности, исключающая использование ТС по назначению
	Частичный	Дальнейшее использование системы возможно, но с меньшей эффективностью
Характер проявления отказа	Сбой	Самоустраняющийся отказ, приводящий к кратковременному нарушению работоспособности
	Перемежающийся	Многократно возникающий сбой одного и того же характера (то возникающий, то исчезающий), связанный с обратными случайными изменениями режимов работы и параметров устройства (снижение чувствительности прибора может произойти из-за случайного резкого уменьшения напряжения питания)
	Устойчивый (окончательный)	Отказ, устраняемый только в результате проведения восстановительных работ, является следствием необратимых процессов в деталях и материалах
Причина возникновения отказа	Конструкционный	Возникает вследствие нарушения установленных правил и норм конструирования
	Производственный	Возникает из-за нарушения или несовершенства технологического процесса изготовления или ремонта
	Эксплуатационный	Возникает вследствие нарушения установленных правил и условий эксплуатации ТС
Время возникновения отказа	Период приработки	Обусловлен скрытыми производственными дефектами, не выявленными в процессе контроля
	Период норм эксплуатации	Обусловлен несовершенством конструкции, скрытыми производственными дефектами и эксплуатационными нагрузками
	Период старения	Обусловлен процессами старения и износа материалов и элементов ТС
Возможности обнаружения отказа	Очевидные (явные)
	Скрытые (неявные)

3. Изучение возможных причин возникновения различных видов отказов, на примере автомата упаковки отпрессованных бульонных кубиков в фольгу, являющегося сложной ТС.

1, 2, 4 – толкатель; 3 – прижим; 5 – нож; 6 – датчик метки; 7 – захват; 8 - ТЭН

Внезапный отказ: сбой программного обеспечения. Многие современные машины-автоматы работают на базе Windows CE, сбои в работе, которой происходят довольно часто; многие производители устанавливают собственное программное обеспечение, перепрошивку которого периодически осуществляют.

Постепенный отказ: затупление ножа для обрезания фольги. Износ материала, из которого изготавливают современные машины пищевых и перерабатывающих производств, вследствие коррозии, невозможен. Это объясняется тем, что рабочие узлы и механизмы современных машин, в том числе и те, которые соприкасающиеся с продуктом, изготовлены из пищевой стали, не дающей реакций с солью, сахаром и другими компонентами смеси.

Независимый отказ: обрыв фольги, в которую завертываются бульонные кубики. То, что фольга – это однослойный материал, является ошибочным мнением. Фольга состоит из 5 слоев: пищевая основа – алюминиевая фольга – дизайн-слой – клеевая основа – парафин. Некоторые компании используют для упаковки бульонных кубиков более дешевые упаковочные материалы – пластиковые (Ириски Малибу). Использование других типов упаковочных материалов на рассматриваемой машине – не допускается, так как приведет к поломке машины.

Зависимый отказ: в результате износа подшипников (подшипник исчерпал свой ресурс, воздействие внешних факторов, например, попал мусор) коленчатый вал сошел со своей оси. Коленчатый вал – основа любой современной технологической машины, для которой характерны высокая надежность и долговечность. Являясь передающим звеном машины, он служит для передачи движения всем узлам и механизмам.

Полный отказ: поломка муфты, передающей движение от двигателя на коленчатый вал.

Частичный отказ: сгорание ТЭНа, обеспечивающего нагрев клейкого материала для получения прочного шва в процессе заклеивания фольги. При этом, одна поверхность фольги хоть и приклеивается к другой, но прочность склеивания невысока. Это приведет к тому, что в дальнейшем на последующих операциях технологического процесса довольно часто начинает происходить развертывание фольги. Это приводит к снижению эффективности машины (падает производительность, потеря качества, появляется необходимость дополнительного задействования операторов к процессу извлекания бракованных изделий из общей массы и др.).

Отказ типа сбой: потеря дизайна фольги, в которую упакованы кубики, из-за засорения захвата. Кубик имеет 6 граней. Машина, завертывающая кубики, работает так, чтобы каждая грань кубика имела строго определенный рисунок. Для этого захваты, имеющие строго установленный шаг, протягивают фольгу таким образом, чтобы произошло соответствие требуемому дизайну. Если захват по каким либо причинам не сработал (например, засорился), то дизайн каждой грани кубика нарушается. Упакованный не правильным образом кубик движется дальше к датчикам. Датчик по соответствующим меткам фиксирует сбой и, поэтому, направляет сигнал на захваты. В свою очередь захваты фольги самовосстанавливают требуемые параметры работы и продолжают протягивать фольгу по строго установленному шагу. Дизайн фольги, обертывающей каждую грань кубика, восстанавливается.

Перемежающийся отказ: датчик может не ловить метку фольги. Если датчик не может ловить метку, то это обусловлено не плохой работой машины, а, прежде всего, некачественными материалами упаковки.

Устойчивый (окончательный) отказ: внутренняя поломка, подшипник.

Конструкционный отказ: за счет того, что крошки пыли, образующиеся после прессования кубиков, заполняют все пустоты между лентой подачи кубиков в машину завертывания и направляющей ее движения, что приводит к тому к неточной подаче кубиков на завертывание (смещение по высоте за счет налипания порошковой пыли под лентой) и кубики крошатся при подаче к заверточному устройству.

На этапе конструирования деталей, узлов и механизмов машин не всегда можно в полном объеме учесть многие факторы, которые влияют на надежность ТС. Так, при проектировании и конструировании машины для завертывания кубиков в фольгу не было учтено следующее. После прессования бульонных кубиков образуется некоторое количество пыли. В свою очередь, пыль начинает забиваться во все поры, зазоры и др. аналогичные пустоты, сопряженных с продуктом рабочих плоскостей. При этом и заполняются пустоты между лентой подачи кубиков в машину и направляющей ее движения. Это приводит к неточной подаче кубиков на завертывание, и кубики крошатся при подаче.

В дальнейшем, конструируя новые аналогичные машины, указанный недостаток проектировщиками и конструкторами был устранен. Направляющая под лентой была выполнена с отверстиями. А чтобы с такой направляющей крошки пыли не падали на нижнюю ленту был выполнен наклоненный под углом отсекатель, благодаря которому крошки удаляются в область, удаленную от движущихся рабочих органов машины.

Производственный отказ: использование не предназначенного упаковочного материала. Так, если вместо 5-ти слойной фольги использовать пластмассовую упаковочную фольгу, то машина сломается. Это обусловлено тем, что при расчете параметров узлов и механизмов машин проводятся высокоточные расчеты для конкретных изделий, материалов и т.п., обладающих определенными физико-механическими свойствами. При использовании же изделий, материалов и т.п. с параметрами, значения которых выходят за установленные пределы, может произойти поломка узлов и механизмов машин.

Эксплуатационный отказ: поломка машины, обусловленная тем, что, например, установили скорость рабочих органов машины, значение которой превышает, установленное в правилах и режимах эксплуатации. Двигатель не выдержал нагрузку – машина сломалась.

Таким образом, понятие надежности является основным понятием, охватывающим все стороны технической эксплуатации элементов, узлов, блоков и систем. Для современных машин-автоматов пищевых и перерабатывающих производств, в том числе и для рассматриваемой машины, характерно наличие большого количества датчиков, которые предупреждают возникновение отказов и способствуют надежному и долговечному функционированию ТС.

III. Условия проведения работы.

Для проведения работы студентам предоставляются методические указания, и преподаватель знакомит их с понятиями теории надежности и отказами элементов систем с примером на конкретной технологической системе.

IV. Проведение лабораторной работы.

Выполнение работы заключается в изучении основных теоретических сведений (п. II) и обсуждении различных видов отказов конкретной системы.

Порядок выполнения работы.

Подробно изучить основные теоретические сведения и выявить возможные причины возникновения различных видов отказов по заданию:

№ вар.	Назначение машины	Тип машины	№ вар.	Назначение машины	Тип машины
1	Комбинированная теплообменная установка (сливки)	А1-ОТВ	11	Преддефекатор (свеклосахарное производство)	ПР-3
2	Взбивальная машина (крем, зефир, тесто)	МВ-35	12	Аппарат для нагревания (зерно)	БПЗ
3	Фильтр зернистый (молоко)	Ф-01М	13	Пекарная печь (хлебобулочные изделия)	ФТЛ-2
4	Варочный котел (пюре)	Д9-41А	14	Гомогенизатор (молоко)	А1-ОГМ-2,5
5	Паровая сушилка (овощи и фрукты)	СПК	15	Шариковая мельница (какао тертое)	Nova 2000
6	Резальная машина (свекла)	СЦБ-16М	16	Молотковая дробилка (ягоды и яблоки)	ЛЕ-6
7	Просеиватель (мука и сахар-песок)	А1-ХКМ	17	Воздушный сепаратор (зерно)	Р3-БАБ
8	Отсадочная машина (печенье и пряники)	ФПЛ-1	18	Тестоделительная машина (тесто из пшеничной муки)	А2-ХПО/5
9	Сепаратор- молокоочиститель	ОМ-1А	19	Сепаратор- сливкоотделитель	Г9-ОСП-3М
10	Заверточная машина (куски сахара)	А2-ПЗР	20	Дозатор весовой (мука, сахар, соль)	6.139АД-10-ВД

V. Содержание и оформление отчета.

Отчет должен содержать:

- название и цель работы;

- иерархическая структура и характеристики различных видов отказов ТС;

- выводы по работе.

Библиографический список

1. Бредихин С.А., Космодемьянский Ю.В., Юрин В.Н. Технология и техника переработки молока. М.: Колос, 2003. 400 с.

2. Драгилев А.И., Дроздов B.C. Технологическое оборудование предприятий перерабатывающих отраслей АПК. М.: Колос, 2001. 352 с.

3. Машины и аппараты пищевых производств. В 2 кн. Под ред акад. РАСХН В.А. Панфилова. М.: Высш. шк., 2001.