CC BY
51
УДК 502/504 : 611.192 (035)
С. С. ЧИБУХЧЯН, М. Г. СТАКЯН
Государственный инженерный университет Армении (Политехник)
В. В. ПОПОВ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства»
ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ МЕXАНИЧЕСКИX СИСТЕМ
Рассматривается методика оценки надежности машин и оборудования для выполнения сельскохозяйственных работ. Показано,что по сравнению с традиционными методами расчета по отдельным критериям работоспособности новая методика, основанная на интегральной оценке уровня вероятности безотказной работы, точнее характеризует несущую способность и надежность машин, позволяет минимизировать материалоемкость их конструкций. Для указанных машин дана расчетная схема новой методики.
Машина, средства механизации, надежность, вероятность безотказной работы, несущая способность, материалоемкость.
The assessment methodology of machine and equipment reliability designed for fulfilling agricultural works is considered. It is shown that compared with the traditional calculation methods on some workability criteria the new method based on integral estimate of the no-failure operation probability level more definitely characterizes a machine carrying capacity and reliability,allows to minimize material consumption of their structures. There is given an estimation scheme of a new methodology for these machines.
Machine, means of mechanization, reliability, unfailing operation probability, carrying capacity,material consumption.
Современные средства механизации машиностроении расходы на ремонтные
сельскохозяйственных работ и приро- работы достигают уровня 25...30 % основ-
доохранных мероприятий состоят из ных средств, расходуется до 20 % новых
отдельных агрегатов и комплексов взаимос- материалов, а примерно 25 % технологи-
вязанных устройств, механизмов, средств ческого оборудования загружено ремонтно-
управления и узлов различного назначе- восстановительными работами. В этой
ния. Благодаря научно-техническим до- связи целесообразно повысить требования
стижениям XX века повысилась степень к учету и оценке показателей надежности
механизации и автоматизации сельско- этих машин, совершенствовать методы их
хозяйственных работ и процессов перера- расчета, проектирования и технологии
ботки сельскохозяйственных продуктов, изготовления.
снизилась материалоемкость оборудова- Рассмотрим проблему уточнения
ния, повысилась его производительность, методов расчета элементов машин [1, 2].
возросли рабочие скорости и энерговоору- Надежность машин и средств механиза-
жение, что и привело к повышению теп- ции обычно оценивается совместным уче-
ло-, энерго- и механической напряженно- том ряда критериев работоспособности:
сти элементов конструкции. прочности, жесткости, износо-, тепло- и
Низкая надежность комплексов - ос- вибростойкости, точности и др. Для каж-
новная причина простоев, роста расходов дого отдельного класса и вида машин на-
на ремонт и обслуживание, нарушения дежность рассчитывается по конкретной
ритма производственных процессов, а при группе указанных критериев. При этом
непредвиденных случаях - также аварий для каждого критерия сравниваются их
и разрушений. В сельскохозяйственном расчетные и предельные характеристики
- считается, что условие работоспособности обеспечено, если разница расчетных и предельных характеристик удовлетворяет условию У — У11т < 0. Как правило, указанные характеристики являются случайными величинами, подчиняющимися в основном нормальному закону распределения [3]. При средневероятной (медианной) оценке надежности можно записать, что У — УЦт = 0, а при заданном уровне вероятности безотказной работы -
У — Ут = V, (1)
где У, УНт - медианные значения расчетных и предельных характеристик; -квантиль нормального распределения, соответствующийзаданному уровню вероятности неразрушения Р (^); я = ^^ +;
, - соответственно среднеквадратические отклонения разницы (У
УНт ) (У' У 1т ).
Из (1) можно получить [1]:
У — У
11т
У — У
711т 1
ф>
+ ,
(?ш/ У )-
>/( Ч./ У )2 +( У )2
Я — 1
2 - 2 V2
Р С )м = П Р (^).
1=1
2Р=-
СТё~СТа
5-1
4
)1
(4)
где а„,а8
медианные значения расчетного и пре-
(2)
Ч1т / ' 'У
где , = У 1т/У - медианное значение коэффициента безопасности для данного критерия; гчт = ,1т/г = «у/У - коэффициенты вариации характеристик У, У 1т.
Имея значение z из справочной литературы определяют уровень вероятности Р (^) (обычно при г = - 1,282; -1,645; - 2,326; - 3,090 Р(г) = 90; 95; 99; 99,9 % соответственно) [3].
Поскольку для нормальной работы машины необходимо одновременно обеспечить условие (2) для каждого критерия работоспособности, согласно правилу умножнения вероятностей независимых событий, уровень надежности машины рассчитывается так [1,2]:
(3)
Рассмотрим расчеты по основным критериям работоспособности для сельскохозяйственных машин [4].
1. Критерий прочности. Является первостепенным из всех критериев работоспособности. Аналогично (2), для оценки вероятности безотказной работы по данному критерию получим:
дельного напряжений, вызванных внешней нагрузкой Р в опасном сечении элемента конструкции; V,,, vg - их коэффициенты вариации; , - медианный коэффициент запаса прочности;
(5)
где <УК - медианный предел выносливости, полученный согласно испытаниям на усталость или из справочной литературы с учетом влияния ряда факторов (масштабный эффект, концентрация напряжений, состояние рабочих поверхностей, влияние среды, вид нагружения и др.); Кь = ¡^N^N7 - коэффициент долговечности; т - показатель кривой усталости материала конструкции; М-£= 60п(, Ма = 5 • 10б - суммарное и базовое числа циклов; - медианное значение максимально-
го напряжения в опасном сечении, вызванного нагрузкой рт«.
Поскольку режимы нагружения машин - это временные функции, которые могут меняться случайно или детермини-рованно, быть непрерывными, дискретными или постоянными, величину Ртах в общем случае рассчитывают как эквивалентную:
Р = Р • К
'Э 1 тах
где Кр - коэффициент режима, значения которого зависят от типовых режимов нагружения: тяжелого (Т), среднего равновероятного (СР), среднего нормального (СН) и легкого (Л) [1, 2].
Обоснованный учет коэффициентов вариации может значительно повысить точность прочностных расчетов. Если для пределов выносливости их значения меняются в пределах уо = 0,06...0,09, то для ^тах в зависимости от вида режима нагружения V = 0,06...0,25, что должно быть
"шах
учетно в расчетах.
Учет критерия прочности по традиционной схеме основан на расчетах проверочных, проектных и по несущей способности:
о = Р/А<[о], А>Р/[о], Р>А\р\, (6)
где [о] = ак/,у - допускаемое напряжение; Р и А -соответственно силовой фактор и геометрический параметр конструкции (основывается на детерминированном подходе к величинам [а] и запаса прочности я = 1,5...3,0, которые в подавляющем большенстве случаев приводят к завышению значений А и, следовательно, к нерациональному использованию материала).
Опыт показывает, что при расчетах, согласно (6), материалоемкость конструкции завышена на 10.15 %, в отдельных случаях - до 20 %, что может ограничить объемы выпуска указанных машин при
1
их сериином производстве.
Критерий износостойкости. Спектр процессов, вызывающих износ рабочих поверхностей деталеИ, в основном связан с условиями работы пар трения: контактная усталость, фреттинг-коррозия, качество смазки, наличие абразивных частиц и тепловых явлений в зоне контакта, макро- и микрогеометрия контактных поверхностей и др. Поэтому в расчетах на надежность используются интегральные характеристики трения и износа - линей-ний износ Ж и его интенсивность I: Ж = Ы, (7)
где I = к/1, h - толщина изношенного слоя; I - путь трения; V - относительная скорость контактных поверхностей; £ - время.
Оценку надежности можно выполнить двумя методами:
а) по изменению линейных параметров изношенной детали, нарушающих ее степень точности, а при больших значениях - также и прочность;
б) по изменению взаимосвязи деталей пар трения за счет увеличения зазоров в соединении, окружного шага зубчатых колес, шага цепи в цепных передачах, которые вызывают допольнительные динамические нагрузки, шум, вибрацию, потери герметичности и мощности.
Рассматривая разницу предварительной й0 и предельной йк величин износа и, согласно условию (к0 — кК) < 0 , получают:
7 — 1 (8)
s = K lVt - меди
где я =а/1У! - медианный коэффициент безопасности при износе; А = (к0 — кК); VI = 1 ; Vд = 5Д/Д;
-i
st +sf
к-
Величину I при землянных работах рассчитывают так:
I = Крт / п/НКСх, (9)
где К - коэффициент пропорциональности; р - давление в контакте; / - коэффициент трения; ЫИС - число Роквелла; т,п,х - показатели, зависящие от режима трения.
Соответственно для 5 можно записать:
s=4
s2 + s2 + s2
лр Т ^f Т HRC •
2. Критерий теплостойкости.
Уравнение теплового баланса при устано-
вившемся режиме работы машины можно
записать так:
Pt"Pm, Рг = (1-л)Р,
(10)
где P, Pf - мощность машины и ее тепловая потеря; Роте - тепловая мощность, отводимая в окружающую среду; г! - кпд машины; Kt>A - соответственно коэффициент и площадь теплопередачи машины; V - часть теплоты, отводимая к фундаменту; t1,t0 -температура машины и окружающей среды.
Оценку надежности по теплостойкости выполняют согласно условию (tp - tmax )< 0, где t,t - соответственно
у p max J ' ^ р7 max
рабочая и максимально допустимая температуры для данного класса машины (обычно для нормального режима смазки при жидкостном трении tmax = 80.100 0С).
Из уравнений (10) можно определить рабочую температуру t :
Ji-л)^ кА i+v)+v
Поскольку величины Г), Р, ются случайными, то медианное значение
г, +Т
Обычно t - постоянная величина,
max
которая задается для каждого класса машины, тогда V. = 0, и поэтому
max
z = _£zl,
V,
где 5 = ^ах/ 1Р ; vt = 5У^; 5, =
Особенностью и преимуществом данной методики является совместный учет разнохарактерных критериев работоспособности по единому принципу: вычислить вероятность безотказной работы по каждому критерию и на этой основе выполнить интегральную оценку надежности механической системы в целом и за весь срок ее службы. Учет показателей рассеяния основных расчетных параметров позволяет повысить достоверность выполненных расчетов и достичь минимальной материалоемкости конструкций, а также прогнозировать возможный объем ожидаемых ремонтно-восстановительных работ. Уточнение указанных показателей (дисперсия циклических долговечностей, статистические параметры кривой усталости, мера индивидуального рассеяния данных вокруг центра распределения и др.) при испытаниях на коррозионную усталость валов и их соединений, моделирующих режимы работы средств меха-низаций в условиях атмосферных воздействий, показали, что при большой долговечности (^>107 циклов) длительные пределы выносливости можно повысить на 110.125 %, а срок службы - в 1,8-3,6 раза [5].
1. Решетов Д. Н.,Иванов А. С., Фадеев
В. З. Надежность машин - М.: Высшая школа, 1988. - 238 с.
2. Проников А. С. Параметрическая надежность машин - М.: Изд-во МГТУ имени Баумана, 2003. - 536 с.
3. Степнов М. Н., Шаврин А. В. Статистические методы обработки результатов механических испытаний: справочник. -М.: Машиностроение, 2007. - 400 с.
4. Детали машин и основы конструирования: учебник / М. Н. Ерохин[и др.]; под ред. М.Н. Ерохина. - М.: КолосС, 2005. - 462 с.
5. Стакян М. Г., Миракян Г. Г., Марга-рян Э. А. Математическое моделирование
процесса коррозионного усталостного разрушения // Вестник Инженерной академии Армении (ВИАА). - 2010. - № 2. -Т. 7. - С. 194-200.
Материал поступил в редакцию 15.05.12. Чибухчян Сурен Смеилович, кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой «Наземные транспортные системы» Тел. 8-374-93-22-35-04
Стакян Мигран Григорьевич, доктор
технических наук, профессор кафедры
«Механика»
Тел. 8 (374) 52-03-48
Попов Валентин Валентинович, доктор технических наук, профессор кафедры «Тракторы и автомобили» Тел. 8 (499) 976-07-44
УДК 502/504 : 631.3.004.67-631.145 Г. И. БОНДАРЕВА
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В. П. Горячкина»
В. Н. ОРЛОВ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства»
ОБОСНОВАНИЕ ОБЪЕМА ИНФОРМАЦИИ
ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ РАБОЧИХ ЭЛЕМЕНТОВ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
При обосновании объема необходимой информации и проведении наблюдений для изучения случайных величин предложена процедура определения минимального числа объектов наблюдений, при которой вначале устанавливаются оценки среднеарифметической величины изучаемого показателя и его дисперсия, а затем подсчитывается коэффициент вариации.
Информация,дисперсия,коэффициент вариации, наблюдения, наработка.
When substantiating a volume of the necessary information and carrying out observations for studying random varieties there is proposed a determination procedure of the minimal number of observation objects under which at first arithmetic mean value estimates of the indicator under study and its dispersion are established and then the coefficient of dispersion is calculated.
Information, dispersion, coefficient of variation, observations, volume of information and operating time.
При проведении экспериментальных опытным путем. Для определения вели-исследований возникает необходимость чин параметров технического состояния выбора теоретического закона распреде- элементов машин и оборудования с доста-ления случайной величины, найденной точной точностью перед проведением
