Взаимосвязь проблемы надежности технологических систем и качества продукции в деревообработке Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Новоселов В.Г., Рогожникова И.Т., Полякова Т.В. ВЗАИМОСВЯЗЬ ПРОБЛЕМЫ НАДЕЖНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ И КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ В ДЕРЕВООБРАБОТКЕ

Современное деревообрабатывающее производство представляет собой сложный комплекс систем финансовых, организационно-управленческих и технологических систем.

Структура технологических систем рассматривается в соотношении с конкретными иерархическими уровнями : технологические системы операций, процессов, производств, предприятий. В иерархической техно-

логической системе предприятия элементами приняты технологические подсистемы производств, в них -технологические системы процессов. Нижнему, элементарному уровню подсистем сопоставлена технологическая система операции.

Технологические системы объединяются в зависимости от порядка выполнения операций и процессов в последовательные, параллельные или комбинированные цепи (рис.1).

Рисунок 1 - Структура комбинированной технологической системы

Работоспособным является состояние технологической системы, при котором значение хотя бы одного параметра и (или) показателя качества изготовляемой продукции, производительности, материальных и стоимостных затрат на изготовление продукции соответствуют требованиям, установленным в нормативнотехнической и (или) конструкторской и технологической документации. Любое отклонение от этих требований означает переход в неработоспособное состояние, а само событие является отказом.

Одним из основных показателей надежности технологической системы является вероятность безотказной работы - вероятность того, что в пределах заданной наработки не произойдет отказа технологической системы по параметрам изготовляемой продукции (параметрам производительности, затратам).

Для комбинированной технологической системы вероятность безотказной работы Р(1) определится после разбиения ее на последовательные и параллельные участки

Р{() = П=[р (01(1 - ПЦ+Г[1 - Р (/)]}, (1)

где Р^(1) - вероятность безотказной работы элемента (подсистемы) технологической системы; 1=1..к -элементы последовательных участков технологической системы; 1=к+1...1 - элементы параллельных участков технологической системы.

Технологическая система операции рассматривается [1] как совокупность функционально взаимосвязанных средств технологического оснащения (СТО), предметов производства (ПП) и исполнителей (И) для выполнения в регламентированных условиях производства (РУП) заданных технологических процессов или операций (рис.2).

К предметами производства относятся: материал, заготовка, полуфабрикат и изделие, находящиеся в соответствии с выполняемым технологическим процессом в стадии хранения, транспортирования, формообразования, обработки, сборки, ремонта, контроля и испытаний.

Исполнитель это - человек, осуществляющий в технологической системе трудовую деятельность по непосредственному изменению и (или) определению состояния предметов производства, техническому обслуживанию или ремонту средств технологического оснащения.

К регламентированным условиям производства относятся: регулярность поступления предметов произ-

водства, параметры энергоснабжения, параметры окружающей среды и др.

Рисунок 2 - Структура технологической системы

Понятие средств технологического оснащения ГОСТ не регламентирует. Очевидно, под ними следует понимать оборудование, машины, механизмы, приборы, приспособления, инструменты, используемые в технологическом процессе или операции.

Вероятность безотказной работы элементарной подсистемы - технологической системы операции в работе [2] определена произведением трех вероятностей: Рг(Ь) - вероятность безотказной работы средств

технологического оснащения операции; Р^(Ь) - вероятность соответствия предмета производства установленным требованиям; Рэ(Ь)~ вероятность безошибочной работы исполнителя. Имея в виду возможность отклонения условий производства от установленных требований и влияние их на выполнение технологической системой своих функций, следует учесть также и эту вероятность Р4(Ь)

Р(0 = Р(/)Р2(/)Рз(/)Р4(/). (2)

Вероятность безотказной работы средств технологического оснащения описывается различными законами распределения в зависимости от вида возникающих повреждений: износ, усталость, коррозия или старе-

ние. В общем случае она может быть выражена законом Вейбулла

-[' 1 ‘

Р1(1) = 1 - е ''а ■> , (3)

где а- параметр масштаба, Ь - параметр формы, варьирование которым позволяет описывать различные виды распределений. Вопросы безотказности средств технологического оснащения - машин и оборудования лесного комплекса - подробно рассмотрены в [3].

Стабильное соответствие предмета производства установленным требованиям к размерно-качественным характеристикам сырья и полуфабрикатов обеспечивается надлежащей сортировкой и входным контролем. Его вероятность определяется относительно стабильной интенсивностью отклонений от заданных требований Л2 как для экспоненциального закона распределения

Р (г) = 1 - е~чг. (4)

Безошибочная работа исполнителя (человека-оператора) в технологической системе характеризуется функцией его надежности в непрерывной временной области [4] с меняющейся в зависимости от напряженности и продолжительности труда интенсивностью появления ошибок Аз(С). Ее вероятность определяется по формуле

г

-^ Аз (г ")^г

Рз(г) = 1 -е 0 . (5)

Вероятность соответствия установленным требованиям условий производства, влияющих на выполнение технологической системой своих функций, Р4(Ь), как и соответствие предмета производства установленным требованиям к размерно-качественным характеристикам сырья и полуфабрикатов, определяется экспоненциальным законом распределения аналогично (3).

Отказы технологических систем по характеру нарушения работоспособности подразделяются на функциональные и параметрические. Функциональным является отказ, в результате которого наступает прекращение ее функционирования, не предусмотренное регламентированными условиями производства или в конструкторской документации, например, вследствие поломки инструмента. Признаком функционального отказа являются также факты превышения сроков запланированных перерывов в работе: регламентированного

времени смены инструмента, установки заготовки, заданных перерывов на отдых персонала и т.д. Отказ технологической системы, в результате которого сохраняется ее функционирование, но происходит выход одного или нескольких параметров за пределы установленные в нормативно-технической и (или) конструкторской и технологической документации. В зависимости от того, какие параметры нарушены, различают отказы и, соответственно, наступившие неработоспособные состояния: по производительности; по пара-

метрам продукции; по затратам.

Таким образом, с точки зрения проявления отказов вероятность безотказной работы технологической системы может быть определена как вероятность совмещения состояний безотказности по всем критериям

Р(г)=Рф(г)Рп(г)Ркт(г), (6)

где Рф(Ь), Ря(£), Pк(t), Pз(t) - соответственно вероятность безотказной работы по критериям: функционирования, производительности, качества изготовляемой продукции и затрат на изготовление.

Вероятность безотказной работы технологической системы по функциональным отказам определяется коэффициентами безопасности (запасов прочности) л(С), характеризующими способность ее элементов сопротивляться повреждающему воздействию факторов технологического процесса, из условия

Рф (г)=Р(п(г) >1}. (7)

Эти отказы для деревообрабатывающего оборудования достаточно изучены и описаны, например [3].

Критериями отказов технологических систем операций и процессов по производительности по ГОСТ 27.204-83 [5] являются: прекращение функционирования на время, превышающее допустимое (функциональ-

ный отказ - Рф(С)) или снижение производительности ниже уровня, установленного в нормативнотехнической или конструкторско-технологической документации (параметрический отказ - Рп(С)).

Вероятность безотказной работы технологической системы по параметрам снижения производительности ниже установленного уровня может оцениваться по критерию соответствующей скорости подачи заготовки в станок из условия

Рп(г)=Р{и(г)>ишп}, (8)

где и(С), иЮ1п - конкретная реализация скорости подачи и ее минимально допустимое по производительности значение.

Надежность технологической системы по параметрам качества изготовляемой продукции в соответствии с ГОСТ 27.202-83 [6] оценивается показателем «точность». Вероятность безотказной работы по нему

РТ (0 = Р(хиш < х(0 < (9)

где х(С), хтах - фактическое, минимальное и максимальное предельное значения исполняемого раз-

мера детали.

Другие количественные критерии, характеризующие непосредственно саму продукцию, ГОСТом не конкретизированы. Нами дополнительно использован важнейший критерий качества, широко применяемый в деревообработке, - «шероховатость обработанной поверхности». Вероятность безотказной работы по нему

Рш(г)=РШг)<Кша}, (10)

где Я2(С), Rzmax - фактическое и максимально допустимое значение параметра шероховатости.

Таким образом, вероятность безотказной работы технологической системы по параметрам качества может быть выражена

Рк(г) = Рт(/)Рш(). (11)

Граф возможных переходов из работоспособного состояния технологической системы в неработоспособное приведен на рис. 3.

Рисунок 3 - Граф переходов технологической системы из работоспособного состояния в неработоспособное

Вершины графа соответствуют работоспособным состояниям отдельных элементов системы по соответствующим критериям. Дуги графа соответствуют вероятным путям перехода из одного состояния в другое. Здесь Q(t) - вероятность отказа технологической системы. Поскольку отказ любого элемента системы может иметь то или иное проявление, то с учетом (1) и (2) получим

p(t) = Т\4=Т\щФ a iP (tp (.01 (12)

i1 i1

Принимая нормальный закон распределения наработки до отказа по каждому из принятых критериев (-Ti)2

1 t

P(t) = 1-= f e 2<Jt" dt,

где Т1 - средняя наработка до отказа; Gt - ее среднеквадратическое отклонение.

В статьях [7,8] разработаны методы расчета средней наработки до отказа по принятым показателям качества продукции, основанные на детерминированных зависимостях положений теории резания профессора А.Л.Бершадского, и работ по исследованию износостойкости инструмента А.В.Моисеева, изложенным в [9]. Они описывают зависимости «дрейфа» центров распределений параметров, характеризующих принятые критерии, и позволяющие определить средние наработки до отказов и их дисперсии.

По параметру точность средняя наработка до отказа составит

Т - 16,7d

T1T * — — — — ?

Га п1к(е -е°)

где d - допускаемое смещение центра распределения фактических размеров обработанной детали от начальной размерной настройки; уА - интенсивность изнашивания лезвия инструмента; n - частота вращения инструмента; 1К - длина дуги контакта лезвия инструмента с заготовкой; г0 - относительная остаточная деформация древесины под поверхностью резания; e - вспомогательная величина

$т(а +в/2)

е =----------,

sm(fi/2)

где а - задний угол лезвия; в - угол заострения.

По параметру «шероховатость поверхности»

T *-------l6,l___Rz

2т

1 kr а пл]nD р Rzo

р

где к - показатель экспоненты описывающей, изменение шероховатости поверхности обработки в зависимости от износа инструмента; П - припуск на обработку; Пр - диаметр окружности резания; Rzo , Rzшax - шероховатость при обработке соответственно острым и затупленным инструментом.

Приведенные зависимости позволяют, используя эмпирическую информацию и физические методы расчета определять показатели надежности технологических систем на стадии проектирования процессов обработки и принимать обоснованные решения по ее повышению.

ЛИТЕРАТУРА

1. ГОСТ 27.004-85. Надежность в технике. Системы технологические. Термины и определения. [Текст] . Взамен ГОСТ 22954-78; введ. 1986-07-01. М.: Госстандарт России: изд-во стандартов, 2002. 9 с.

2. Новоселов В.Г. Надежность технологических систем в деревообработке.

[Текст]/В.Г.Новоселов//Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXI века: труды между-

народного евразийского симпозиума, Екатеринбург, 20-21 сентября, 2006 г./ Урал.гос.лесотехн.ун-т. -Екатеринбург, 2006. С. 98-103.

3. Амалицкий В.В. Надежность машин и оборудования лесного комплекса: Учебник для студентов специальности 170400 [Текст]/ В.В.Амалицкий, В.Г.Бондарь, А.М.Волобаев, А.С.Воякин. - М. : МГУЛ, 2002.

279 с.

4. Диллон Б. , Сингх Ч. Инженерные методы обеспечения надежности систем : Пер. с англ. [Текст]/

Б.Диллон, Ч.Сингх. - М. : Мир, 1984. 318 с.

5. ГОСТ 27.204-83. Надежность в технике. Технологические системы. Технические требования к методам оценки надежности по параметрам производительности. [Текст]. Введ. 1985-01-01. М.: Изд-во стандартов, 1984. 37 с.

6. ГОСТ 27.202-83. Надежность в технике. Технологические системы. Методы оценки надежности по параметрам качества изготовляемой продукции. [Текст]. Введ. 1984-07-01. М.: Изд-во стандартов, 1984.

50 с.

7. Новоселов В.Г. Физический метод расчета надежности технологической системы деревообработки по параметру качества продукции «точность» [Текст]/В.Г.Новоселов, И.Т.Глебов // Надежность и качество: материалы международного симпозиума, Пенза, 25-31 мая 2006 г./ Пензенский гос.техн.ун-т. - Пенза, 2006. - С. 276-278

8. Новоселов В.Г. Расчет безотказности технологической системы деревообработки по параметру качества продукции «шероховатость поверхности [Текст]/ В.Г.Новоселов// Изв. Санкт-Петербургской гос. лесотехн. акад. - СПб, 2006. - Вып. 3. - С. 178-184.

9. Глебов И.Т. Справочник по резанию древесины [Текст]/И.Т.Глебов, В.Г.Новоселов, Л.Г. Швам -Урал.гос.лесотехн.акад. Екатеринбург, 1999. - 190 с.