CC BY
13
ISSN 1560-3644 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИИ РЕГИОН._ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2021. № 2
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2021. No 2
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ MACTINE BUILDING AND THEORETICAL ENGINEERING
УДК 621.03 DOI: 10.17213/1560-3644-2021-2-41-45
ОБОСНОВАНИЕ КОНЦЕПЦИИ СОЗДАНИЯ ПРАКТИЧЕСКИ
БЕЗОТКАЗНЫХ МАШИН
© 2021 г. С.В. Теплякова
Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону, Россия
JUSTIFICATION OF THE CONCEPT OF CREATING PRACTICALLY
TROUBLE-FREE MACHINES
S.V. Teplyakova
Don State Technical University, Rostov-on-Don, Russia
Теплякова Светлана Викторовна - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Эксплуатация транспортных систем и логистика», Донской государственный технический университет, Ростов-на-Дону, Россия. E-mail: svet-tpl@yandex.ru
Teplyakova Svetlana V. - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department «Operation of Transport Systems and Logistics», Don State Technical University, Rostov-on-Don, Russia. E-mail: svet-tpl@yandex.ru
Для многих сложных изделий ядром качества является надежность. С целью повышения конкурентоспособности машин отечественных производителей необходимо обеспечить высокую степень их надежности. Поэтому в статье для всестороннего анализа проблемы принятую классификацию надежности как сложного свойства машины, состоящего из безотказности, ремонтопригодности, долговечности и сохраняемости, рассмотрели со стороны взаимной зависимости и причинно-следственных связей. Обоснована противоречивость прочностных расчетов, при которых принимаются достаточно большие запасы прочности, теоретически исключающие какие-либо отказы деталей. В действительности показатель надежности при этом существенно не повышается. Машины работают с частыми отказами, а время работы машины между отказами, вышедшая из строя деталь или узел, время восстановления машины носят случайный характер.
Ключевые слова: надежность; ремонтопригодность; долговечность; сохраняемость; отказ; машина; ресурс.
Nowadays, for many complex products, the core of quality is reliability. To increase the competitiveness of domestic manufacturers, it is necessary to increase the indicators in the field of ensuring the reliability of machines. Therefore, in the article for the comprehensive analysis of issues adopted by the classification reliability as a complex machine properties, consisting of reliability, maintainability, durability and persistence, considered from the mutual dependence and causality. The article substantiates the inconsistency of strength calculations, in which sufficiently large reserves of strength are assumed, theoretically excluding any failures ofparts. In fact, the reliability index does not significantly increase. Machines operate with frequent failures, and the machine's operating time between failures, a failed part or assembly, and the machine's recovery time are random.
Keywords: reliability; maintainability; durability; persistence; failure; machine, resource.
Причинно-следственная связь безотказности, ремонтопригодности, долговечности и сохраняемости, в принятом понимании свойства надежности находятся на одном горизонтальном уровне, поэтому и предполагается их независимость друг от друга [1 - 3]. Однако при наступлении неработоспособного состояния детали (узла, машины) необходимо заменить или восстановить данную деталь, другими словами, тре-
буется произвести ремонтные работы с соответствующими затратами. Поэтому безотказность машины располагается на первом месте в качестве первичного свойства (рис. 1), а ремонтопригодность, как следствие, уже вторична.
Длительность эксплуатации, как качество долговечности машины, зависит от эффективности эксплуатации, которая в свою очередь характеризуется величиной удельных суммарных
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2021. No 2
затрат. Удельные суммарные затраты состоят из затрат на производство, обслуживание и эксплуатацию относительно технической производительности и долговечности машины. Другими словами, чем больше затраты на ремонт, тем менее эффективна и долговечна машина. Тогда ремонтопригодность относительно долговечности более первостепенна:
С =
С +З
^д Др
П • Т
тех р
где Сд - себестоимость детали; Зр - затраты на ремонт (восстановление или замену) детали; Птех - техническая производительность; Тр - ресурс детали до списания [4].
В итоге причинно-следственную связь основных трех свойств надежности можно представить не в горизонтальном виде, а в вертикальном (рис. 1). Структурная связь, показанная на разных уровнях, характеризует степень влияния каждого из свойств на надежность машины.
ное же состояние в течение некоторого интервала времени Т исключает необходимость технического обслуживания и, как следствие, не требует соответствующих затрат. Поэтому основной задачей в решении проблем надежности является целесообразное увеличение времени Т - максимального периода безотказности и ремонтопригодности.
В идеале, когда число отказов машин за время Т стремится к нулю, время Т стремится к ресурсу машины. Отсутствие отказа за ресурс Тр обусловливает отсутствие затрат на устранение отказов и ущерба от простоя машин и комплекса машин, если она в него входит.
Наилучшим вариантом, с точки зрения надежности, является безотказная машина [9, 10]. У такой гипотетической машины идеальной надежности все ее детали (для генеральной совокупности конечного объема) откажут приблизительно одновременно, отработав заданное время, соответствующее ресурсу Тр [11]. При этом ресурс детали рассеивания не имеет, но имеет размах
R = -
T
p max
p min
= 1,
Рис. 1. Причинно-следственная связь свойств надежности /
Fig. 1. Causal relationship of reliability properties
Таким образом, можно утверждать, что безотказность является более важным свойством, так как от него зависят два других свойства надежности [5 - 7].
Ремонтопригодность характеризуется конструктивными особенностями машин: легко-съемностью, доступностью, блочностью и определяет некоторые затраты времени и средств на устранение отказа. С помощью технического обслуживания (регулировки, смазки, проверки) обеспечивается расчетное время работы детали [8], отодвигается момент ее отказа, так как машина является восстанавливаемой системой, и ее отказ вызывает затраты на его устранение и приводит к вынужденному простою машины (потеря прибыли от использования машин, увеличение сроков выполнения работ).
Наличие отказов объясняет необходимость формирования системы ремонта (текущего, капитального) и технического обслуживания (в том числе диагностирования, регулировки и т.п.), но при этом создает не разрешаемую на данном этапе проблему запасных частей. Работоспособ-
где R - размах значений времени работы до отказа; Тр max - максимальное значение ресурса; Тр mm - минимальное значение ресурса.
Тогда свойство ремонтопригодности для
этого идеального варианта теряет смысл (рис. 2).
-*->
0
Тр
Т
Рис. 2. Схема распределения отказов при идеальной надежности / Fig. 2. Failure distribution scheme for ideal reliability
Практика определения надежности отечественных машин показывает, что средняя наработка на отказ составляет Т = 20 - 200 ч, за ресурс до капитального ремонта Тр= 8000-10000 ч происходит от 40 до 500 отказов, т.е. десятки -сотни отказов [12]. Фактический ресурс Трф в 1,5 - 2 раза меньше заданного Тр. Неплановый текущий ремонт для устранения отказов настолько большой, что до планового очередь часто не доходит (рис. 3).
ьж—X ХЖ—ХХХХХХ XX ххххххх 0 Трф
-> Т
Рис. 3. Схема распределения отказов при фактической надежности / Fig. 3. Failure distribution scheme for actual reliability
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2021. No 2
После установления базовой группы деталей и увеличения их ресурса до необходимого, средняя наработка на отказ машины значительно возрастает. Разработка рекомендаций для увеличения ресурса второй группы деталей, к которой относятся расходные материалы и запасные части, приводит к минимизации суммарных затрат на устранение отказов. Реализация способов повышения как конструктивной, так и эксплуатационной надежности [13], которые уменьшают рассеивание ресурса деталей, сокращают общее время восстановления машины за счет корректировки номенклатуры и объема запасных частей путем предупредительной замены деталей, снижают время технического обслуживания обоснованным увеличением периодичности выполнения его операций и др. В результате оптимизации средняя наработка на отказ Т = 60 - 600 ч, а отказы будут возникать реже (рис. 4). Фактический ресурс хотя и приблизится к заданному, но будет ниже его.
X X XXX—х-х-
-к
0
V
4
Тр опт Тр
Т
Рис. 4. Схема распределения отказов модернизированной
машины после повышения надежности / Fig. 4. Failure distribution diagram of the upgraded machine after reliability improvement
Таким образом, применение доводки серийной машины не позволяет достигнуть высокого уровня безотказности и для решения этой задачи необходим другой методический подход.
В самых общих чертах такой подход должен предусматривать появление расчётных отказов деталей за пределами заданного ресурса машины. Изучение надежности машин показало, что ресурс деталей может рассеиваться в значительных пределах, т.е. его размах R может составлять от 3 - 5 до 50 - 100 и более. Статистическое распределение ресурса детали или его плотность может по-разному располагаться относительно заданного ресурса машины [14].
Эти теоретические вопросы рассмотрены на примере, близком к реальному: заданный ресурс до списания машины Тр= 20000 ч, срок службы 10 лет, годовая наработка машины 2000 ч, размах ресурса деталей R = 10 и R = 100, плотности распределения полностью находятся до, а также и после заданного ресурса машины (рис. 5).
Для определения вероятности отказа построены плотности распределения трехпарамет-рического закона Вейбулла для выборки и генеральной совокупности конечного объема.
10
Рис. 5. Кривые плотностей распределения вероятности отказа для выборки (1) и генеральной совокупности объёма (2) трехпараметрического закона Вейбулла / Fig. 5. Density curves of the failure probability distribution for the sample (1) and the general population
of the finite volume (2) of the three-parameter Weibull law
Вероятность наступления отказа представляет собой площадь под кривой распределения -для выборки Qв и совокупности деталей Qc. Заштрихованная область соответствует вероятности наступления отказа до заданного ресурса. При этом на рисунке хорошо видно, что вероятность отказа по данной совокупности много выше вероятности отказа по выборке.
В целях повышения ресурса машины необходимо сдвинуть вправо кривую плотностей распределения ряда деталей, при этом левая часть ветви кривых лишь незначительно заходит за значения заданного ресурса машины (рис. 6). В пределе левые ветви стремятся к нулю, так как обычно для аппроксимации экспериментальных данных используют кривые с пределами 0, + да и -да, +да - это логнормальный, нормальный, Вей-булла с двумя параметрами и другие подобные законы (рис. 6).
ЛТР)'
С Т
^с ^р min
Т
J-n
Рис. 6. Экстраполяция кривой распределения Вейбулла в область «ноль» отказов / Fig. 6. Extrapolation of the Weibull distribution curve to the «zero» bounce area
Применение этих законов для деталей машин некорректно. Это объясняется тем, что прочность детали ограничена снизу имеющимся контролем материала и готовой детали, а также работой машины (хотя могут быть нагружены не
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2021. No 2
все детали) при сходе ее с конвейера. Нагружен-ность ограничена сверху мощностью двигателя, инерционностью масс, скоростью работы, а также из-за наличия ограничительных элементов (предохранительных клапанов, муфт предельного момента и т.п.). Следствием этого является ограничение снизу и сверху ресурса детали.
Таким образом, обосновано принципиальное положение - наличие ограничения (сдвига) снизу ресурса деталей и получение расчетом величин сдвига трехпараметрического распределения Вейбулла, можно утверждать, что примерно за 80 - 90 % заданного ресурса до списания машины расчетных отказов не произойдет.
0,99
103
0,99
104 10" а
106
102
103
ю4 б
105
106
Рис. 7. Распределение выборок ресурса и их генеральных совокупностей с размахами R=20 (а) и R=50 (б) / Fig. 7. Distribution of resource samples and their general aggregates with ranges R=20 (a) and R=50 (б)
На рис. 7 видно, что часть кривых распределения ресурса деталей находится справа от заданного ресурса до заданного ресурса до списания машины. Например, при размахе R = 20 правая ветвь заканчивается около 90 тыс. ч (90 лет) и R = 50 около 200 тыс. ч (200 лет). Очевидно, что получение экспериментальных данных в эксплуатации для статистической обработки и подтверждения расчетной кривой распределения ресурса детали - эта нереальная задача. Поэтому возможно получить лишь начальный участок левой ветви путем эксплуатационных наблюдений (испытаний) представительной партии не менее 30 машин за 8 - 10 тыс.ч.
Для увеличения безотказного ресурса с 80 - 90 до 95 - 99 % (если это экономически оправдано) необходимо сместить вправо кривые распределении ресурса выбранных деталей или только точку сдвига за счет отсева в запасные части небольшой группы деталей (0,5 - 1 %) с минимальной прочностью.
Однако несколько деталей (чаще с износо-выми отказами), ресурс которых экономически невыгодно увеличивать, могут отказывать, не влияя на безотказность машин. Такие детали будут заменяться по наработке или по состоянию. Могут быть и очень редкие случайные отказы деталей, причину которых невозможно объяснить и установить имеющимися средствами.
В результате обобщения изложенных теоретических положений появилась возможность сформулировать концепцию создания практически безотказных машин, состоящую в следующем: экономически обоснованный минимальный ресурс каждой детали должен быть больше заданного ресурса машины.
Исключением из этого правила являются только некоторые детали с преждевременными отказами, причины возникновения которых установить невозможно из-за отсутствия соответствующих методов и средств. Кроме того, допустимы плановые замены отдельных деталей с низким ресурсом (увеличение их ресурса невозможно или нецелесообразно); отказы таких деталей не влияют на безотказность машины.
На основе обобщения накопленного опыта по обеспечению надежности машин впервые сформулированы принципы создания практически безотказных машин [15]. Эти принципы составили теоретическую основу методологии системного поэтапного обеспечения надежности на всех трех стадиях жизненного цикла машины.
В результате создания практически безотказных машин в несколько десятков раз снижаются затраты на ремонт, не требуется создавать ремонтопригодную конструкцию (исключения составляют отдельные детали для замены по наработке или состоянию), упрощается система диагностирования, резко сокращается потребность в запасных частях, их хранении и транспортировании, уменьшается количество ремонтных баз, передвижных средств ремонта, ремонтный персонал. В итоге интегральный показатель надежности (удельные суммарные затраты на единицу продукции машины) может снизится в 3 - 6 раз.
Т
р
Т
р
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2021. No 2
Литература
1. Касьянов В.Е., Теплякова С.В. Методы обеспечения безотказности деталей машин // Интернет-журн. Науковедение. 2013. № 3 (16). С. 139.
2. Касьянов В.Е., ДерюшевВ.В., Теплякова С.В., Роговенко Т.Н., Щулькин Л.П. Обоснование предельной безотказности модернизированных деталей машин за назначенный ресурс // Достижения и проблемы современной науки: материалы XIV междунар. науч.-практ. конф. СПб.: Изд-во науч. журн. «Globus», 2016. С. 63 - 66.
3. Teplyakova S.V., Kotesova A.A., Popov S.I., Kotesov AA. The transition from the sample data to the total aggregate of the final volume and the analysis of this transition laws // Iop conference series: materials science and engineering. 2020. Р. 042054.
4. Касьянов В.Е., Теплякова С.В. Методика и результаты расчета экономического эффекта при обеспечении абсолютной безотказности детали экскаватора: сб. Междунар. науч.-практ. конф.: Инструменты и механизмы современного инновационного развития. 2016. С. 71 - 77.
5. Касьянов В.Е., Теплякова С.В. Обеспечение абсолютной безотказности деталей за заданный ресурс // Научное обозрение. 2014. № 9-3. С. 902 - 907.
6. Касьянов В.Е., Демченко Д.Б., Косенко Е.Е., Теплякова С.В. Метод оптимизации надежности машин с применением интегрального показателя // Безопасность техногенных и природных систем. 2020. № 1. С. 23 - 31.
7. Теплякова С.В., Котесова АА., Недолужко А.И., Евсеев Д.З. Обоснование полной безотказности // Качество в производственных и социально-экономических системах: c6. науч. тр. 7-й Междунар. науч.-техн. конф. 2019. С. 228 - 230.
8. Касьянов В.Е., Теплякова С.В., Котесов АА. Применение генеральной совокупности конечного объема вместо выборочных данных в расчетах усталостного ресурса деталей машин // Научное обозрение. 2014. № 9-2. С. 395 - 398.
9. Теплякова С.В., Солодовский И.М. Особенности капитально-восстановительного ремонта подъемно-транспортных машин // Актуальные проблемы науки и техники. 2020. Материалы национальной науч.-практ. конф. 2020. С. 1221 - 1222.
10. Теплякова С.В. Анализ принципов обеспечения абсолютной безотказности деталей машин // Вестн. Донецкой академии автомобильного транспорта. 2015. № 1. С. 65 - 70.
11. Теплякова С.В., Котесова А.А., Николаев Н.Н. Моделирование интегрального показателя качества автомобиля // Вестн. Донского гос. техн. ун-та. 2020. Т. 20. № 2. С. 150 - 154.
12. Котесова А.А., Котесов А.А., Котова С.В., Уджуху А.З. Аналитическое определение параметров распределения вейбулла для совокупности конечного объема по твердости стали // Новые технологии. 2012. № 4. С. 56 - 61.
13. Теплякова С.В., Котесова А.А., Копылов Ф.С., Крымский В.С. Определение параметров закона Вейбулла // Научная жизнь. 2019. № 2. С. 14 - 18.
14. Теплякова С.В. Метод графо-аналитического определения параметров закона Вейбулла // Научное обозрение. 2014. № 11-2. С. 485 - 487.
15. Касьянов В.Е., Теплякова С.В. Теоретические основы обеспечения абсолютной безотказности деталей за их заданный ресурс // Современный науч. вестн. 2015. Т. 1. № 2. С. 59 - 70.
References
1. Kasyanov V.E., Teplyakova S.V. Methods of ensuring the reliability of machine parts // Online journal of Science Studies. 2013. 3 (16). 139 p.
2. Kasyanov V.E., Deryushev V.V., Teplyakova S.V., Rogovenko T.N., Shchulkin L.P. Substantiation of the ultimate reliability of modernized machine parts for the assigned resource // In the collection: achievements and problems of modern science. 2016. Pp. 63 - 66.
3. Teplyakova S.V., Kotesova A.A., Popov S.I., Kotesov A.A. The transition from the sample data to the total aggregate of the final volume and the analysis of this transition laws // In the collection: iop conference series: materials science and engineering. 2020. 042054 р.
4. Kasyanov V.E., Teplyakova S.V. The Methodology and results of calculating the economic impact while providing absolute reliability of parts excavator // In the collection of the International Scientific and Practical Conference: Tools and Mechanisms of modern innovative Development. 2016. Pp. 71 - 77.
5. Kasyanov V.E., Teplyakova S.V. Ensuring absolute reliability ofparts for a given resource. 2014. No. 9-3. Pp. 902 - 907.
6. Kasyanov V.E., Demchenko D.B., Kosenko E.E., Teplyakova S.V. Method of optimizing the reliability of machines using an integral indicator // Safety of man-made and natural systems. 2020. No. 1. Pp. 23 - 31.
7. Teplyakova S.V., Kotesova A.A., Nedoluzhko A.I., Evseev D.Z. Justification of complete failure-free operation // In the collection: quality in production and socio-economic systems. Collection of scientific papers of the 7th International Scientific and Technical Conference. 2019. Pp. 228 - 230.
8. Kasyanov V.E., Teplyakova S.V., Kotesov A.A. Application of the general set offinite volume instead of sample data in calculations of the fatigue life of machine parts // Nauchnoe obozrenie. 2014. No. 9-2. Pp. 395 - 398.
9. Teplyakova S.V., Solodovsky I.M. Osobennosti kapitalno-restoratsionnogo remontam hoisting and transport machines // Actual problems of science and technology. 2020. Materials of the national scientific and practical conference. 2020. Pp. 1221 - 1222.
10. Teplyakova S.V. Analysis of the principles of ensuring absolute reliability of machine parts // Bulletin of the Donetsk Academy of Automobile Transport. 2015. No. 1. Pp. 65 - 70.
11. Teplyakova S.V., Kotesova A.A., Nikolaev N.N. Modeling of the integral indicator of car quality // Vestnik of Don State Technical University. 2020. Vol. 20, no. 2. Pp. 150 - 154.
12. Kotesova A.A., Kotesov A.A., Kotova S.V., Ujuhu A.Z. Analytical determination of the parameters of the Weibull distribution for the aggregate of the final volume by the hardness of steel //New technologies. 2012. No. 4. Pp. 56 - 61.
13. Teplyakova S.V., Kotesova A.A., Kopylov F.S., Krymsky V.S. Determining the parameters of the Weibull law // Nauchnaya zhizn. 2019. No. 2. Pp. 14 - 18.
14. Teplyakova S.V. The method of graph-analytical determination of the parameters of the Weibull law // Nauchnoe obozrenie 2014. No. 11-2. Pp. 485 - 487.
15. Kasyanov V.E., Teplyakova S.V. Theoretical foundations of ensuring absolute reliability ofparts for their specified resource // Modern Scientific Bulletin. 2015. Vol. 1, no. 2. Pp. 59 - 70.
Поступила в редакцию /Received 01 марта 2021 г. /March 01, 2021
