 |
Резервирование как метод повышения надежности сложных машин
|
|
|
|
Лекция 5.
Современные машины, используемые в сельскохозяйственном производстве, представляют собой сложные системы, состоящие из многих десятков, а иногда и сотен механических, электрических, гидравлических и других элементов. Для расчета надежности системы используют структурные схемы. В этих схемах конструкцию машины представляют в виде отдельных ее элементов, каждый из которых характеризуется своим значением вероятности безотказной работы.
Наиболее характерным для конструкции сельскохозяйственных машин и других механических систем является случай, когда отказ одного элемента системы выводит из строя всю систему, то есть имеет место последовательное соединение элементов (рис. 5.1).
Рис. 5.2 Структурная схема технической системы при последовательном соединении n элементов.
Большинство приводов машин и механизмы передач построены по этому принципу. Так при выходе из строя любой шестерни, подшипника, муфты, рычага управления, системы смазки весь привод перестанет функционировать.
Так как вероятность безотказной работы каждого элемента – величина меньшая единицы – то вероятность безотказной работы системы при таком способе соединения будет существенно ниже чем вероятность безотказной работы каждого элемента. По теореме умножения вероятностей, вероятность безотказной работы системы будет равна произведению вероятностей отдельных элементов
. (5.1)
При одинаковой надежности элементов формула примет вид
. (5.2)
Для системы из трех элементов
.
Сложные системы, даже состоящие из элементов высокой надежности, могут обладать низкой надежностью за счет большего числа элементов.
Например, если узел состоит из 50 деталей, вероятностью их безотказной работы Рс = 0,99, то вероятность безотказной работы узла будет равна
|
|
|
Рс (t) = 0,9950» 0,55, при n = 400 – Рс (t)= 0,99400 = 0,018,
т. е. практически узел неработоспособен.
Именно с таким фактом столкнулись создатели первых ЭВМ, когда число элементов превышало миллионы штук, а необходимо было создать работоспособную систему.
Наиболее действенным методом повышения надежности в этом случае будет так называемое резервирование.
Резервирование – применение дополнительных средств и возможностей с целью сохранения работоспособного состояния объекта при отказе одного, или нескольких его элементов.
Резервирование является мощным средством повышения надежности, так как при резервировании надежность машины (агрегата, узла) может быть выше надежности любого входящего в нее элемента.
Рассмотрим теперь основные виды резервирования.
Представим схематически систему, в которой предусмотрены резервные элементы, которые работают одновременно с основными (рис 5.2):
Рис. 5.2 Структурная схема технической системы при постоянном резервировании основного элемента Р1 элементами Р2 Р3 Р4 .
При такой схеме (отказ) основного элемента не нарушает работу всей системы, так как резервные элементы продолжают функционировать.
Очевидно, что вероятность отказа системы снижается, так как она наступает при отказе m элементов. Поэтому вероятность отказа системы, то есть вероятность совместного отказа всех элементов (по теореме умножения) будет равна:
(5.3)
Если элементы системы равно надежны тогда
(5.4)
где m – число элементов системы, включая и основной.
Из этих формул следует, что если Рi < 1 (что всегда бывает на практике), то при m > 1, Рс (t) > Рi, то есть надежность системы выше, чем надежность отдельных элементов.
Для данной схемы резервирования получаем:
Рс (t) = 1 – (1 – 0,9) (1 – 0,8) (1 – 0,85) (1 – 0,92) = 1 – 0,1 · 0,2 · 0,15 · 0,08 = 1 – 0,1 · 0,2 · 0,15 · 0,08 = 1 – 0,00024 = 0,999.
|
|
|
Такое соединение элементов носит название постоянного резервирования, когда резервные элементы участвуют в функционировании объекта наравне с основными.
Отношение числа резервных элементов к числу резервируемых ими основных элементов объекта называют кратностью резервирования
Резервирование, краткость которого равна единице называют дублированием.
Пример. Рассмотрим эффективность постоянного резервирования на примере заднего моста грузового автомобиля, где устанавливаются сдвоенные колеса. При повреждении одной шины с левой или правой стороны работоспособность автомобиля сохраняется.
Его структурная схема будет иметь вид (рис. 5.3):
 |
Рис. 5.3. Структурная схема заднего моста автомобиля со сдвоенными колесами
Вероятность безотказной работы каждого колеса
.
Крайность резервирования равна 1, т. е. дублирование m = 2.
В случае резервирования используя формулы 5.1 и 5.4 получим:
,
без резервирования
.
Примерами постоянного резервирования могут быть конструкции многокатковых ходовых систем гусеничных машин, скребковые транспортеры, грабельные рабочие органы сельскохозяйственных машин, раздельный привод гидравлической системы тормозов легковых автомобилей и др.
Постоянное резервирование предполагает одновременную работу основных и резервных элементов, поэтому их ресурс исчерпывается одновременно при эксплуатации изделия. Это является его недостатком.
Наряду с постоянным резервированием очень часто в сельскохозяйственной техники применяется резервирование замещением.
Это резервирование, при котором функции основного элемента передаются резервному только после отказа основного элемента.
При таком резервировании ресурс резервного элемента не расходуется и следует ожидать, что вероятность безотказной работы системы будет выше, чем при постоянном резервировании. Но это будет в том случае, если время на установку резервного элемента будет весьма незначительно по сравнению со временем работы элемента до отказа или в случае наличия специального устройства для включения резерва (что часто применяется в радиоэлектронных системах).
|
|
|
Если время на установку резервного элемента достаточно большое, то эффективность этого способа резервирования снижается.
К резервированию замещением можно отнести не только установку и наличие резервных элементов (ручного тормоза, запасных колес, лап культиваторов, теребильных лап и других быстроизнашивающихся элементов с.-х. машин), но и все виды регулировок, с помощью которых восстанавливается первоначальный зазор сопряжения, а следовательно и работоспособность узла или агрегата.
Примером резервирования замещением может также служить перестановка венца маховика, звездочек, зубчатых колес и других элементов, когда используются поверхности деталей, ранее не контактировавшиеся при резервирование износостойкости.
Кроме разновидностей резервирования по методу включения в работу (постоянное, замещением), на практике применяют общее резервирование и раздельное резервирование.
Общее резервирование – это резервирование объекта в целом.
Раздельное резервирование – резервирование отдельных элементов объекта или их группы.
Физическая модель общего резервирования такова, что при отказе элемента основной системы (машины) она заменяется полностью резервной системой (машиной).
Считаем что все элементы системы равнонадежны, то формула для расчета вероятности безотказной работы технической системы построенной по принципу общего резервирования имеет вид:
. (5.5)
где n – число элементов в системе;
m – число систем, включая и основную.
Рi – вероятность безотказной работы одного элемента,
Физическая модель раздельного резервирования такова, что вместо того, чтобы держать в резерве (m – 1) машин (систем) на случай отказа основной машины (системы), в резерве держат (m – 1) n элементов и при отказе элемента основной машины его заменяют резервным.
В этом случае вероятность безотказной работы технической системы построенной по принципу раздельного резервирования определяют по формуле
. (5.6)
Для того, чтобы определить эффективность этих систем рассмотрим пример.
|
|
|
Пример. Имеется система, состоящая из n = 4 элементов и имеющая m = 3 резервных систем. Вероятность безотказной работы элементов одинакова и равна Рi = 0,9.
Определить какое резервирование следует применять:
;
,
а эта же система без резервирования
.
Следует отметить, что раздельное резервирование несмотря на высокий уровень безотказности приводит к усложнению всей системы, что снижает эффект от его применения.
На практике часто применяют смешанное резервирование, сочетание различных видов резервирования в одном и том же объекте.
Наибольшее распространение этот метод повышения надежности получил в радиоэлектронных системах, космических объектах и других системах, связанных с жизнью и безопасностью людей.
Для механических систем метод резервирования в чистом виде применяется сравнительно редко, так как для механических систем характерны взаимосвязанные структуры, где надежность отдельных элементов нельзя считать независимым событием.
Примерами чистого резервирования, кроме названного ранее, могут быть резервирование привода в системе управления крылом самолета, наличие в гидросистемах у золотниковых систем управления двойных и даже тройных золотников (буйеров), в технологических автоматизированных линиях применяется установка дублирующих агрегатов и оборудования или создаются параллельные технологические потоки (одновременное решение задач производительности и надежности).
Однако для механических систем и изделий с.-х. техники более характерно применение принципа избыточности в виде резервирования по выходному параметру (своеобразного вида постоянного резервирования).
То есть идут по пути создания запасов прочности, мощности, износостойкости, жесткости, виброустойчивости, теплостойкости и т. п., что приводит к повышению запасов надежности изделия в целом.
При создании надежных механических систем принцип избыточности проявляется в том, что ресурс изделия устанавливается намного ниже среднего значения наработки до отказа.
Техника, поступающая в сельскохозяйственное производство, обладает определенным уровнем надежности, заложенным при ее конструировании и изготовлении. Этот первоначальный уровень надежности эквивалентен определенному объему работ (наработке), который выполнит машина в процессе эксплуатации. Длительность периода эксплуатации до предельного состояния (доремонтный ресурс), а, следовательно, и величина полезной работы (суммарная доремонтная наработка) зависит от скорости снижения ее уровня надежности.
В идеальном случае скорость снижения уровня надежности должна быть минимальной, а наработка машины за доремонтный ресурс максимальной.
|
|
|
Чтобы в реальных условиях эксплуатации результаты были близки к этому идеальному случаю, необходимо выполнение определенных требований, составляющих систему эксплуатационных мероприятий по поддержанию надежности с.-х. техники.
Квалификации обслуживающего персонала
Квалификация обслуживающего персонала (обкатка) определяется качество подготовки машины к работе, ее техническое состояние, а так же качество текущего ремонта и технического обслуживания.
Квалифицированный специалист совершает меньше ошибок, связанных с неправильной регулировкой, смазкой, приложением излишних физических усилий и др. Высокая квалификация позволяет значительно быстрее обнаружить и устранить отказы, возникшие в процессе работы машин. Чем выше квалификация механизаторов и ремонтных рабочих, тем меньше вероятность несоблюдения ими правил технической эксплуатации.
Строгое соблюдение инструкций по эксплуатации с.-х. техники.
В инструкции по эксплуатации, прилагаемой заводом-изготовителем к каждой машине, приведены основные рекомендации по технической эксплуатации. Эти рекомендации установлены в результате тщательных исследований, и несоблюдение их значительно снижает долговечность и безотказность машины, а порой может привести и к авариям. Особое внимание следует уделять рекомендациям по применению топлив, смазочных материалов и жидкостей гидросистем.
Несоблюдение этих требований является наиболее распространенным нарушением и приводит к отказам элементов машины и выходу ее из строя. При замене масел необходимо тщательно промывать и очищать соответствующие сборочные единицы и удалять абразивные частицы и продукты износа.
Соблюдение нормативных режимов работы машины.
Перегрузка элементов машин, неправильные регулировки зазоров, нарушение температурных режимов резко повышает интенсивность изнашивания деталей. Наиболее неблагоприятные условия возникают при пуске двигателя и включении элементов трансмиссии в условиях низких температур. Поэтому для обеспечения нормальных условий эксплуатации машин в зимнее время необходимо устраивать крытые отапливаемые стоянки или открытые площадки оборудовать системами воздушного или другого подогрева, применение антифризов и др.
Форсирующее воздействие на износ элементов машины оказывают не только абсолютные величины нагрузки, но и неравномерность проявления силовых, температурных и скоростных режимов, которая вызывается неравномерностью удельного сопротивления почвы, различием расположения корнеклубнеплодов в земле по длине рядка и глубине их залегания, неравномерностью поступления в машину обрабатываемого продукта (хлебной массы в молотильный барабан комбайна). Снижение неравномерности рабочих режимов машины в этих условиях может быть достигнуто благодаря совершенствованию агротехники возделывания растений, улучшению структуры почвы и правильному маневрированию скоростными и силовыми режимами работы.
Качество и количество выполнения операций технического обслуживания машин.
Наиболее высокого уровня надежности добиваются хозяйства, в которых организованы стационарные пункты технического обслуживания, созданы звенья мастеров-наладчиков и широко используется необходимое моечное, смазочное, регулировочное и контрольно-диагностическое оборудование.
Периодичность проведения технических обслуживаний должна строго соблюдаться независимо от загрузки их различными сельскохозяйственными работами. Формой учета и контроля периодичности ТО может служить жетонная система по израсходованному топливу, которая успешно применяется во многих хозяйствах.
Соблюдение правил транспортировки и хранения машин.
Особенно важно для сельскохозяйственной техники, которые основную часть календарного времени находятся в состоянии хранения.
Существуют следующие способы хранения: в закрытых помещениях, под навесами и на открытых, специально оборудованных площадках. При закрытом хранении коррозия деталей проявляется незначительно, во время как при хранении на открытых площадках или под навесами она в 15 раз больше (0,44 мм/год против 0,03 мм/год).
Различают кратковременное и длительное хранение с.-х. техники. При кратковременном хранении продолжительность нерабочего периода от 10 дней до 2 месяцев. Длительное хранение, если перерыв в использовании > 2 месяцев. Подготовка к кратковременному хранению должна производиться непосредственно после окончания работ, а к длительному – не позднее 10 дней с момента окончания эксплуатации.
Организация хранения, правила постановки, техники на хранение и периодичности контроля за ее состоянием регламентированы ГОСТ 1151–71 «Техника, используемая в сельском хозяйстве. Правила хранения».
Диагностики технического состояния и прогнозирование надежности машин.
Диагностика служит для оценки технического состояния изделия в целом и отдельных его элементов безразборочными методами.
Целью диагностики является определение потребности в проведении запланированных регулировочных или ремонтных операций, прогнозирование изменения технического состояния машины и определение момента возникновения отказа или неисправности.
Проведение диагностики позволяет сократить расходы на техническое обслуживание и ремонт сельскохозяйственной техники.
Сбор, обработки и анализа информации о надежности сельскохозяйственных машин
Оперативная информация о числе и характере отказов с.-х. техники в условиях эксплуатации позволит установить причины отказов, подготовить необходимые запасные части, скорректировать периодичность проведения операций технического обслуживания.
Все это позволит обеспечить высокий уровень эксплуатационной надежности, особенно в период важнейших сельскохозяйственных работ.
|
|
|
