Животкевич И.Н., Смирнов А.П. Надежность технических изделий - файл n1.doc

Животкевич И.Н., Смирнов А.П. Надежность технических изделий
скачать (1198.9 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc3994kb.15.05.2011 21:14скачать

n1.doc

1   ...   15   16   17   18   19   20   21   22   23
Глава 13.

Обеспечение надежности на стадии эксплуатации

13.1. Особенности выполнения работ по обеспечению надежности технических изделий на стадии эксплуатации
Под эксплуатацией понимается стадия жизненного цикла ТИ, на которой реализуется, поддерживается и восстанавливается его качество. Эксплуатация ТИ включает в себя использование ТИ по назначению, транспортирование, хранение, техническое обслуживание и ремонт.
На этой стадии в работах по обеспечению надежности принимают участие потребитель ТИ (заказчик), предприятие - изготовитель ТИ со своими смежниками, предприятие - разработчик ТИ со своими смежниками.
Основной задачей потребителя по обеспечению надежности ТИ на стадии эксплуатации является выполнение требований, установленных в соответствующей нормативно-технической документации. К этим требованиям относятся обеспечение применения по назначению, обеспечение условий хранения и транспортирования ТИ, своевременное проведение технического обслуживания ТИ в объеме предусмотренных требований и проведение, в случае необходимости, текущего ремонта ТИ. Потребитель должен обеспечить привлечение ко всем работам с ТИ персонала, изучившего требования нормативно-технической документации и способного выполнить необходимые работы.
Потребитель должен периодически, если это предусмотрено в документации, информировать о техническом состоянии ТИ изготовителя или разработчика ТИ. Эта информация используется при выполнении работ по оценке показателей надежности по результатам эксплуатации.
Объем работ, выполняемый предприятиями - изготовителем и разработчиком ТИ на стадии эксплуатации, по своим задачам и времени проведения можно разделить на два временных интервала: 1-ый этап - работы по обеспечению надежности в течение гарантийного срока; 2-ой этап - работы по обеспечению надежности в течение назначенного срока службы, включая работы по его продлению.
Предприятие - изготовитель на этапе эксплуатации в течение гарантийного срока производит поставку запасных частей потребителю, восстановление работоспособности ТИ в случае возникновения отказов, а также, в случае необходимости выпускает и реализует соответствующие бюллетени по изменению конструкции ТИ или уточнению эксплуатационной документации, проводит работы по оценке показателей надежности.
Предприятие - разработчик ТИ в течение гарантийного срока, в случае необходимости, готовит решения о выпуске бюллетеней на изменение конструкции или эксплуатационной документации, проводит работы по оценке показателей надежности.
При выполнении работ по сбору, обработке и проведению расчетных оценок показателей надежности по материалам эксплуатации применяются математические методы, рассмотренные в предыдущих главах и реализованные в соответствующих методиках на конкретный вид техники.
В процессе эксплуатации происходит старение ТИ, которое определяется процессами физического старения материалов, а также совместным воздействием различного вида внешних и внутренних нагрузок как механических, так и климатических. Эти процессы и воздействия вызывают накопление повреждений, развитие дефектов, необратимые изменения свойств материалов и, как следствие этого, постепенное снижение функциональной способности составных частей и комплектующих элементов, что в последствии приводит к выходу из строя ТИ в целом и достижению им своего предельного состояния.
На этапе эксплуатации отказы ТИ возникают по многим причинам. Учитывая, что сложные технические ТИ имеют в своем составе достаточно большое количество различных составных частей, то и процессы, приводящие к возникновению отказов, очень разнообразны. Отказы могут возникать вследствие:
- влияния внешних и внутренних нагрузок, их сочетания и комплексного воздействия;
- старения материалов;
- износа;
- коррозии и т.д.
Вопросы физики возникновения отказов достаточно подробно рассмотрены в специальных работах, посвященных исследованиям физических закономерностей возникновения и развития процессов, приводящих к отказам различных ТИ [29, 90, 91] и др.
В связи с тем, что на стадии разработки для многих типов ТИ невозможно определить предельное состояние ТИ и время его возникновения, то с целью обеспечения принудительного заблаговременного прекращения эксплуатации устанавливаются значения назначенного срока службы и другие виды назначенных показателей.
Назначенный срок службы или назначенный ресурс по наработке является наиболее продолжительным временным интервалом, определяющим возможный срок эксплуатации любого ТИ. При эксплуатации в течение этого периода времени на ТИ проводятся различные виды технического обслуживания и текущий ремонт, предусматривающий замену отказавших составных частей или выработавших свой назначенный срок из комплектов запасных частей. Технология этих работ предусматривается в эксплуатационной документации.
Установление назначенных показателей производится, главным образом, исходя из требований обеспечения безопасности эксплуатации изделия.
Одной из основных задач по обеспечению надежности, решаемых на стадии эксплуатации сложных технических ТИ, является определение возможности продления назначенного срока службы и отдельных видов назначенных ресурсов и формирование мероприятий, необходимых для этого. Возможность и целесообразность продления назначенного срока службы ТИ определяется исходя из выполнения соответствующих критериев. В качестве критериев для принятия решения о продлении назначенного срока службы и ресурсов применяются:
- ожидаемый уровень показателей безотказности ТИ в течение продлеваемого периода времени;
- сохранение ТИ в течение продлеваемого периода времени характеристик по безопасности эксплуатации;
- экономические затраты на выполнение мероприятий, необходимых для продления назначенного срока службы.
Работы по продлению назначенного срока службы и определение необходимых для этого мероприятий целесообразно начинать с момента начала эксплуатации первых серийных ТИ. В настоящее время для проведения этих работ по многим типам ТИ разработано методическое обеспечение (методы ускоренных испытаний) и создано необходимое испытательное оборудование. Раннее начало работ позволяет к моменту возникновения необходимости в продлении уже иметь сформированные технические мероприятия. Кроме этого, положительным моментом раннего начала работ является то обстоятельство, что пока идет серийное производство, существует и соответствующая кооперация предприятий для выполнения этих работ.
В связи с тем что на стадии разработки не всегда представляется возможным определить время эксплуатации, по истечении которого ТИ должны быть подвергнуты среднему или капитальному ремонту, а также объемы этих ремонтов, одной из задач при продлении назначенного срока службы является также определение временных точек для проведения необходимого вида ремонта и определение объема этого ремонта.
Должно быть показано, что после выполнения n1 вида ремонтных работ на конкретный объект может быть установлен новый назначенный срок службы в размере t1. Если будет выполнен ремонт с проведением n2 вида ремонтных работ, то может быть установлен новый назначенный срок службы в размере t2.
Под ремонтом понимается комплекс операций по восстановлению исправности и работоспособности ТИ и восстановлению ресурсов ТИ или их составных частей. При продлении сроков эксплуатации на ТИ могут проводиться следующие виды ремонтов:
средний ремонт - ремонт, выполняемый для восстановления исправности и частичного восстановления ресурсов ТИ с заменой или восстановлением работоспособности составных частей ограниченной номенклатуры и контролем технического состояния составных частей;
капитальный ремонт - ремонт, выполняемый для восстановления исправности и полного или близкого к полному восстановлению ресурса ТИ с заменой или восстановлением работоспособности любых составных частей ТИ, включая базовую.
В ремонт входят операции по контролю технического состояния, разборке ТИ, дефектации, восстановлению работоспособности деталей, сборок, составных частей и т.д. Ремонт может выполняться заменой или восстановлением отдельных деталей или составных частей. Ремонт любого вида сопровождается установлением определенных гарантий и новых назначенных показателей на последующий период эксплуатации.
Для проведения ремонта ТИ на начальном этапе серийного производства на основе конструкторской и технологической документации должна быть разработана ремонтная документация. В процессе выполнения работ по продлению назначенного срока службы эта документация уточняется в части конкретного объема ремонта, необходимого для обеспечения требуемого назначенного срока службы после ремонта.
По некоторым типам ТИ, по истечении первоначально установленного назначенного срока службы, работы по его продлению не проводятся, но эксплуатация ТИ потребителем продолжается. Метод эксплуатации ТИ с восстановлением их работоспособности без разработки каких-либо специальных мероприятий по обеспечению дальнейшей эксплуатации и без отправки ТИ в ремонтные органы или на предприятие - изготовитель называется эксплуатацией по техническому состоянию. Указанный вид эксплуатации предусматривает, в случае возникновения отказа, восстановление работоспособности ТИ либо с применением имеющихся у потребителя запасных частей, либо с привлечением для восстановления специалистов предприятия - изготовителя или ремонтного органа. По этому методу практически эксплуатируется основная масса бытовых машин, бытовой радиоаппаратуры и др. виды техники.
Основная ответственность при эксплуатации ТИ по техническому состоянию ложится на потребителя. Следует отметить, что в эксплуатации реальное техническое состояние большинства ТИ может быть определено только при использовании его по назначению. При проведении контроля в процессе технического обслуживания ТИ его техническое состояние определяется в том объеме, который предусмотрен инструкцией по эксплуатации, то есть с проектной полнотой контроля. При этом часть, как правило, высоконадежных составных частей ТИ контролю не подлежат. К этим составным частям часто относят базовую составную часть (например, корпус), элементы одноразового действия (например, различные типы пиросредств) и другие.
Но, как показывает опыт эксплуатации, и по этим составным частям в течение определенного времени могут возникать отказы, которые проявляются при использовании ТИ по назначению и могут привести к серьезным последствиям. С целью исключения появления таких отказов, особенно по составным частям, определяющим безопасность применения ТИ, при переходе на эксплуатацию по техническому состоянию необходимо введение в качестве дополнительного вида технического обслуживания операций по контролю технического состояния составных частей, работоспособность которых в течение первоначально установленных назначенных показателей не проверялась, что связано с привлечением дополнительных средств или устройств для проведения этого контроля. Применение этих средств определяется по согласованию с разработчиком ТИ.
13.2. Работы по продлению назначенного срока службы технических изделий
Как показывает опыт эксплуатации сложных технических ТИ, они сохраняют свои основные технические характеристики в течение некоторого периода времени сверх первоначально установленного назначенного срока службы. Определение этого периода времени и мероприятий, которые должны быть выполнены на каждом изделии, является основной целью работ, выполняемых предприятием - разработчиком совместно с потребителем и изготовителем ТИ.
Работы по продлению назначенного срока службы или ресурса по способам их выполнения можно разделить на следующие направления:
- продление назначенных показателей для ТИ на основании материалов их эксплуатации;
- продление назначенных показателей на основе результатов специально спланированных исследований, с применением методов ускоренной выработки ресурсов и срока службы.
Выбор направления работ по увеличению назначенных показателей определяется потребителем по согласованию с разработчиком ТИ, исходя из конструктивного исполнения ТИ и его функционального назначения.
По первому направлению работы могут проводиться как с привлечением материалов о результатах эксплуатации всех ТИ, находящихся в эксплуатации, так и по результатам эксплуатации специально отобранной, так называемой, группы лидерных ТИ, выделенной из общего количества. При этом эксплуатация лидерных ТИ осуществляется по специальной "Программе эксплуатационных испытаний лидерных ТИ", в которой должен быть указан порядок работ с каждым лидерным ТИ и порядок ускоренной выработки каждого вида назначенных показателей. В программе также указывается, что ТИ проходят подконтрольную эксплуатацию как в течение первоначально установленных значений назначенных показателей, так и в течение дополнительных значений, на которые планируется увеличить предыдущие значения этих показателей. Как правило, в состав лидерной группы включаются серийные ТИ первых годов выпуска.
При выполнении работ по этому направлению наиболее критичными по продолжительности будут работы по оценке возможности увеличения назначенного срока службы, так как по остальным видам назначенных показателей решения об их увеличении могут быть приняты до истечения назначенного срока службы по результатам специально организованной работы по ускоренной проверке этих показателей. Например, если на изделие установлен назначенный срок службы, равный 10 годам, и назначенный ресурс по наработке, равный 50 000 часов, то в случае непрерывной работы этого ТИ назначенный ресурс по наработке может быть выработан в течение 5-7 лет. По результатам этих работ может быть определена возможность увеличения назначенного ресурса по наработке в пределах первоначально установленного назначенного срока службы.
Эксплуатационные испытания лидерных ТИ проводятся потребителем совместно с предприятиями - разработчиком и изготовителем. В процессе этих испытаний на месте эксплуатации проверяется соответствие времени выполнения и объема технического обслуживания установленным требованиям, а также фиксируются отмеченные отклонения, нарушения условий эксплуатации, возникшие отказы и неисправности, принятые меры по их устранению, вырабатываются мероприятия по совершенствованию системы эксплуатации и по продлению назначенного срока службы. В процессе эксплуатационных испытаний проверяется сохранение ТИ своих характеристик на всех этапах эксплуатации, если иное не оговорено в программе испытаний.
По материалам эксплуатационных испытаний, с привлечением имеющихся статистических данных по всему парку ТИ, периодически по этапам продления потребителем или предприятием-разработчиком производится оценка показателей безотказности ТИ, определяется динамика изменения показателей по сроку службы ТИ. Потребителем производится оценка допустимого уровня снижения показателей безотказности при продлении назначенного срока службы.
В связи с тем, что в процессе эксплуатации в очень редких случаях возможно нахождение ТИ при предельных граничных условиях, а также не всегда имеется возможность проведения контроля технического состояния ряда составных частей ТИ, то часть лидерных ТИ после определенного времени нахождения в эксплуатации направляется к разработчику или изготовителю ТИ для проведения лабораторных исследований. Целью этих исследований является оценка сохранения работоспособности ТИ или его отдельных составных частей при граничных условиях.
Второе направление предусматривает применение методов ускоренной выработки ресурсов ТИ, в том числе и срока службы. Основными работами по этому направлению являются лабораторные испытания.
При проведении лабораторных исследований производятся испытания ТИ или его составных частей, обеспечивающие доведение назначенного срока службы и ресурсов ТИ до установленных значений на исследуемом этапе. К этим испытаниям относятся ускоренные испытания на хранение или выработку ресурса по наработке, испытания по выработке ресурса по транспортированию и другие виды. По завершению этих испытаний проводятся испытания по проверке работоспособности в режиме применения по назначению.
В случае невозможности проведения испытаний ТИ в режиме применения по назначению, что часто обусловлено отсутствием стендового оборудования, ТИ разбирается на составные части и проводятся испытания составных частей в этих режимах работы.
При возникновении в процессе испытаний отказов исследуются причины их возникновения и определяются мероприятия по обеспечению эксплуатации ТИ в течение нового назначенного срока службы и время их реализации.
Одной из главных задач при выполнении работ по продлению назначенных показателей является выявление систематических, однотипных (неслучайных) отказов и определение причин их возникновения. По этим систематическим отказам, главным образом, определяются возможные мероприятия для продления назначенного срока службы и ресурсов. Остальные единичные отказы также фиксируются и анализируются, определяются причины их возникновения. Количественные данные по всем отказам и времени их возникновения используются при выполнении работ по оценке уровня безотказности ТИ, при оценке изменения этого уровня по сроку службы и сравнении его с допустимым значением.
К мероприятиям, которые необходимо выполнить с целью продления назначенного срока службы или какого-либо вида ресурса, можно отнести:
- понижение уровня безотказности ТИ до допустимого значения;
- проведение замены некоторых составных частей, комплектующих изделий, деталей, сборочных единиц;
- изменение периодичности и объема технического обслуживания ТИ или его отдельных составных частей, при этом возможно введение дополнительных видов технического обслуживания, не предусмотренных ранее, а также расширение количества контролируемых параметров и увеличение полноты контроля;
- изменение состава запасных частей как по номенклатуре, так и по количеству;
- проведение автономного среднего ремонта отдельных составных частей ТИ;
- проведение капитального ремонта ТИ или автономного капитального ремонта составных частей.
Для решения задач по обоим направлениям исследований прежде всего необходимо определить объекты исследований и перечень планируемых работ по каждому объекту, исходя из конструктивного исполнения ТИ. Под объектом исследований будем понимать составные части и готовые комплектующие ТИ.
Прежде всего, определяется базовая часть ТИ и включенные в ее состав составные части. Под базовой частью понимают основную часть ТИ, предназначенную для его компоновки и установки других составных частей. К базовой составной части следует отнести и составные части, которые конструктивно установлены в изделии таким образом, что, в случае их отказа, для проведения их ремонта или замены требуется существенная разборка ТИ и при этом такую разборку можно провести только на предприятии - изготовителе или в ремонтном органе.
Назначенный срок службы и другие назначенные показатели, установленные для базовой части, определяют значение назначенного срока службы и других назначенных показателей для ТИ в целом.
Выделяются составные части, техническое состояние которых определяет безопасность ТИ на всех этапах эксплуатации, включая применение по назначению. Перечень этих составных частей формируется на основании перечня аварийных ситуаций, которые могут возникнуть при эксплуатации ТИ.
Определяются составные части ТИ, которые с целью продления назначенного срока службы ТИ могут быть заменены в эксплуатирующей организации на вновь изготовленные образцы, или на которых возможно проведение автономного, среднего или капитального ремонта, без отправки всего ТИ на ремонт.
Особое внимание следует уделить составным частям или готовым комплектующим ТИ, контроль работоспособности которых до применения по назначению не осуществляется при выполнении работ по техническому обслуживанию ТИ в процессе эксплуатации. Оценку их технического состояния можно провести либо по результатам лабораторных исследований, либо с применением дополнительных средств контроля, не применяемых в эксплуатации. Для каждого объекта в программах исследований должны быть определены схемы выполнения работ по оценке возможности увеличения назначенных показателей.
Если по результатам работ по продлению назначенного срока службы будет определено, что после какого-то промежутка времени базовая часть ТИ должна быть подвергнута капитальному ремонту, то осуществляется капитальный ремонт всего ТИ. После капитального ремонта изделию устанавливается новый назначенный срок или срок до следующего капитального ремонта. В течение вновь установленного назначенного срока службы или в течение срока до следующего капитального ремонта в документации на ТИ должен быть приведен перечень мероприятий, которые были определены при проведении работ по продлению назначенных показателей, и промежутки времени их реализации на изделии.
С учетом капитального ремонта общий срок службы ТИ составит величину
, (560)
где t - начальное значение назначенного срока службы ТИ, установленное при разработке;
t - дополнительная величина назначенного срока службы, на которую увеличивается его значение по результатам работ по продлению;
t - значение назначенного срока службы ТИ, устанавливаемое после проведения капитального ремонта.
По зависимостям, аналогичным зависимости (560), определяются значения и других назначенных показателей.
В связи с тем, что в процессе капитального ремонта не происходит полного обновления материалов и элементов, применяемых в конструкции, а процессы, определяющие их старение, будут происходить и в течение времени t, на определенной партии первых ТИ, прошедших капитальный ремонт также необходимо проведение исследований разработчиком и изготовителем с целью определения необходимости выработки каких-либо дополнительных мероприятий по поддержанию работоспособности ТИ в течение вновь установленного назначенного срока службы.
Для выполнения этих работ должны быть выпущены соответствующие программы. Работы проводятся по тем же направлениям, что и при продлении первоначально установленного назначенного срока службы.
13.3. Определение среднего значения остаточного ресурса технических изделий по результатам эксплуатационных испытаний
Под остаточным ресурсом будем понимать выработку ТИ соответствующего вида ресурса, начиная с момента истечения первоначально установленного назначенного ресурса до перехода ТИ в предельное состояние. Если R - ресурс ТИ от начала эксплуатации до перехода его в предельное состояние, то остаточный ресурс после времени определяется по формуле
. (561)

Величина является случайной величиной.
Значение величины может быть определено либо расчетным методом, либо по результатам эксплуатации. Если для некоторого сложного ТИ необходимо увеличить значение какого-либо вида назначенного ресурса и при этом в процессе эксплуатации не были выработаны другие виды установленных назначенных ресурсов, то для расчета величины остаточного ресурса требуемого вида можно применить расчетный метод, изложенный в параграфе 3.4, зависимости (136) - (141).
По результатам эксплуатации партии ТИ точечную оценку среднего значения остаточного ресурса можно определить по следующей формуле, полученной в работе [92]:
при (562)
где n - количество ТИ, по которым проведено наблюдение в течение времени по выработке соответствующего вида ресурса;
- величина выработки соответствующего вида ресурса каждым изделием в процессе наблюдений сверх первоначально установленного назначенного ресурса ;
- количество отказавших ТИ из n в течение времени ;
m - количество отказавших ТИ при наблюдении за их состоянием в течение времени ;
- величина выработанного ресурса каждым i -ым ТИ на интервале .
Рассмотренный подход определения среднего значения остаточного ресурса применим для простых ТИ, которые, в случае возникновения отказа, восстановлению или ремонту не подлежат, для них при возникновении отказа достигнуто предельное состояние. К таким ТИ можно отнести реле, транзисторы, диоды, пиропатроны и тому подобные комплектующие элементы.
Зависимость (562) применима для оценок остаточного ресурса по результатам чистого эксперимента, при проведении которого на партии из n ТИ осуществляется выработка только одного вида ресурса, например, каждое ТИ только непрерывно работает или только хранится.
На практике все ТИ вырабатывают свои ресурсы смешанно, какое-то время работают, транспортируются, находятся на хранении в различных условиях и так далее. В связи с чем как для простых ТИ, так и для сложных ТИ до проведения расчетов по зависимости (562) должны быть оценены соответствующие эквивалентные значения параметров t и для j-го вида ресурса. Эквивалентные значения величин t или или для каждого из n ТИ определяются по следующей формуле:
, (563)
где t - величина определенного вида ресурса, выработанного сверх первоначально установленного назначенного значения;
L - количество других видов назначенных ресурсов, установленных для этого ТИ;
j - порядковый номер вида ресурса;
r - величина j-ого вида ресурса, выработанного ТИ, сверх первоначально установленного значения;
K - коэффициент, приводящий значение j-го вида ресурса, к значению определяемого вида ресурса.
Величина коэффициента K определяется по формуле

, (564)
где - значение параметра потока отказов ТИ при выработке j-го вида ресурса;
- значение параметра потока отказов при выработке определяемого по зависимости (563) эквивалентного значения выработанной части оцениваемого ресурса.
Расчет эквивалентного значения величины t рассмотрим на следующем примере.
Пример 34. ТИ выработало сверх первоначально установленных назначенных ресурсов следующие значения:
по ресурсу по наработке - t = 100 час.,
по сроку хранения r = 2 года или 17520 час.,
по транспортированию r = 500 км.
Значения коэффициентов K равны = 0,001, = 0,0015. Необходимо определить эквивалентное значение выработанной части ресурса по наработке. По формуле (563) получаем
t = 100 + 17,52 + 0,75 = 118,27.
Для условий этого примера при расчетах по формуле (562) для ресурса по наработке должно быть использовано значение t = 118,27 час. вместо значения t = 100 час.
Для сложных ТИ, подлежащих восстановлению при отказе комплектующих элементов, среднее значение остаточного ресурса можно определить по формуле [92]
(565)
где - вероятность безотказной работы или вероятность невозникновения отказа ТИ в течение первоначально установленного назначенного ресурса ;
- функция изменения вероятности безотказной работы или вероятности невозникновения отказа ТИ на интервале , где ;
t - интервал наблюдений для оценки среднего значения остаточного ресурса.
Вид функции определяется по результатам обработки статистической информации, полученной по результатам наблюдений при проведении эксплуатационных испытаний.
Несмещенная оценка математического ожидания среднего значения остаточного ресурса определяется по формуле
, (566)

где ,
- вероятность безотказной работы или не возникновения отказа ТИ в течение времени .
В [92] доказано, что доверительные интервалы для оценки математического ожидания среднего значения остаточного ресурса с доверительной вероятностью a определяются по следующим зависимостям:
- при малом числе наблюдений
нижняя доверительная граница равна

, (567)

верхняя доверительная граница равна

; (568)

- при достаточно большом числе наблюдений

нижняя доверительная граница равна

, (569)

верхняя доверительная граница равна

. (570)
В зависимостях (567), (568) значение параметра определяется по таблицам значений функции нормального распределения , исходя из следующего условия:
, (571)

где a - принятое значение доверительной вероятности.
Пример 35. Для ТИ был установлен назначенный срок хранения = 10 лет. Вероятность невозникновения отказа ТИ при хранении в течение 10 лет равна = 0,88. По истечении 10 лет проведены наблюдения за 30-ю ТИ (n = 30) в течение еще 4-х лет, при этом на этих ТИ было зафиксировано 5 отказов: один на 11-ом году эксплуатации, два на 12-ом году, два на 13-ом году и один на 14-ом году. Требуется определить среднее значение остаточного ресурса ТИ и доверительные интервалы с доверительной вероятностью a = 0,9.
По (562) определим точечную оценку среднего значения остаточного ресурса
год.
Математическое ожидание для условий примера равно среднему значению .
Доверительные интервалы определяем по зависимостям (565), (566):


Среднее значение остаточного ресурса с доверительной вероятностью a = 0,9 находится в интервале 2,24 год. < < 5,42 года.
13.4. Оценка необходимого количества технических изделий и длительности наблюдений при продлении ресурса
Одной из задач, решаемых при разработке программы работ по увеличению назначенного срока службы и ресурсов является, определение необходимого количества ТИ для выполнения исследований и длительность этих исследований.
В технической документации на каждое ТИ устанавливают несколько видов назначенных показателей, минимум - два вида: назначенный срок службы и назначенный ресурс по наработке в пределах назначенного срока службы, поэтому при планировании требуемого количества ТИ для наблюдений необходимо учитывать это обстоятельство, а также определять возможность проверки и выработки всех видов ресурсов на одном образце ТИ.
Прежде всего, должны быть определены виды назначенных показателей, значения которых планируется увеличить, а также определены планируемые количественные значения этих показателей. Следующим этапом является определение последовательности выработки различных видов ресурсов на одном образце. Сначала вырабатывается ресурс t, затем ресурс t и так далее.
Наиболее длительным по времени является процесс оценки возможности увеличения назначенного срока хранения, в связи с чем работы по этому показателю проводятся с начала выполнения исследований. В общем случае применяется следующая последовательность выполнения работ:
- проверка возможности увеличения назначенного срока хранения,
- проверка возможности увеличения назначенного ресурса по транспортированию,
- проверка возможности увеличения назначенного ресурса по наработке.
Следует отметить, что все указанные выше виды назначенных ресурсов для соответствующего типа ТИ могут проверяться при различных условиях. Например, при проверке ресурсов по транспортированию могут проверяться ресурсы транспортирования по железной дороге, ресурсы транспортирования автотранспортом, ресурс по транспортированию авиационным транспортом и т.д.
Как правило, в процессе исследований проверяется возможность увеличения какого-либо одного вида назначенного показателя при, наиболее жестких условиях эксплуатации, с целью выявления наиболее слабых мест в конструкции и в целях экономии финансовых и временных затрат. Например, при оценке возможности увеличения ресурса по хранению наиболее жестким является хранение ТИ на открытых площадках. И по результатам работ по продлению назначенного срока хранения ТИ на открытой площадке расчетом оцениваются допустимые значения назначенных сроков хранения ТИ в других условиях, например, назначенный срок хранения в отапливаемом хранилище.
В случае выполнения работ по продлению ресурсов на ТИ, находящихся в эксплуатации, требуемое количество образцов для проведения работ по каждому виду ресурса определяется по формуле [92]
, (572)

где n - количество ТИ, необходимое для наблюдений;
t - планируемое значение периода наблюдений сверх первоначально установленного назначенного ресурса ;
- нижняя доверительная граница для среднего значения остаточного ресурса;
a - доверительная вероятность;

- целая часть числа b, заключенного в квадратных скобках.
При планировании целесообразно устанавливать нижнюю доверительную границу для среднего значения остаточного ресурса равной величине, на которую планируется увеличить установленное ранее значение назначенного ресурса.
Из зависимости (572) видно, что количество ТИ для наблюдений зависит от продолжительности наблюдений t. Чем больше значение t, тем меньшее количество ТИ требуется для исследований.
По зависимости (572) определяется требуемое количество образцов для выполнения работ по каждому назначенному показателю, соответственно Затем из полученного ряда значений {n} выбирается максимальное значение количества образцов по условию
(573)
На количестве ТИ N должны проводиться работы по оценке возможности продления назначенных показателей в планируемом объеме. При этом по каждому из этих N ТИ определяется временная последовательность выполнения работ по выработке каждого вида ресурса. Определение необходимого количества образцов для проведения исследований рассмотрим на следующем примере.
Пример 36. Определить минимальное количество ТИ для наблюдений, необходимое для оценки возможности продления следующих видов ресурсов: по хранению, при планируемом времени наблюдений 20000 час. и нижней доверительной границе для среднего остаточного ресурса = 15000 час.; по транспортированию, при плановой дальности транспортирования 500 км и нижней доверительной границе для среднего остаточного ресурса по транспортированию = 400 км; по наработке, при плановой длительности наблюдений 300 час. и нижней доверительной границе для среднего остаточного ресурса по наработке = 250 час. Количество изделий определяется при доверительной вероятности a = 0,8.
Для наблюдений за выработкой ресурса по хранению требуется

изделий.
Для наблюдений за выработкой ресурса по транспортированию требуется
изделий.

Для наблюдений за выработкой ресурса по наработке требуется

изделий.
С учетом условия (573), для выполнения работ по оценке возможности продления назначенных показателей по исходным данным примера необходимо 36 ТИ.
Для проведения работ по исследованию возможности увеличения различных видов ресурсов может потребоваться различное количество ТИ. По условию (573) выбирается для наблюдений или исследований максимальное количество ТИ. После проведения расчетов по зависимости (572) и выбора необходимого количества ТИ по условию (573) целесообразно провести уточнение плановой длительности наблюдений для тех видов ресурсов, по которым для исследований требуемое количество ТИ . Уточнение плановой длительности проводится по зависимости [92]
. (574)
Пример 37. Для условий примера 36. требуется найти уточненные значения планируемой длительности наблюдений по режиму хранения и планируемой дальности транспортирования на одном изделии. По формуле (38) получаем: для режима хранения уточненное значение t равно
;

для режима транспортирования уточненное значение t равно

.
Расчеты требуемого количества ТИ и длительности наблюдений по зависимостям (572) - (574) в основном используются при планировании работ на ТИ, находящихся в эксплуатации у потребителя. Наряду с этими зависимостями как для выполнения работ с ТИ, находящимися в эксплуатации, так и для случая проведения работ по исследованию возможности продления назначенных ресурсов с применением лабораторных исследований планирование необходимого количества образцов может осуществляться с применением методов, используемых для планирования испытаний на безотказность, изложенных в главе 6.
13.5. Экономическая оценка величины продлеваемого ресурса
Продление назначенного срока службы и назначенных ресурсов любого ТИ связано с экономическими характеристиками. С одной стороны, увеличение величины назначенных показателей исключает затраты потребителя на приобретение новых ТИ, которые, в случае необходимости, должны быть приобретены для замены ТИ с истекшими назначенными показателями. С другой стороны, потребитель должен предусмотреть затраты на выполнение работ по оценке возможности увеличения назначенных показателей на величину t сверх первоначально установленного значения , затраты, связанные с реализацией на каждом изделии мероприятий, необходимых для обеспечения работоспособности ТИ при эксплуатации в течении t, а также дополнительные затраты, обусловленные приобретением запасных частей для восстановления работоспособности ТИ при эксплуатации в течение времени t в случае их отказа.
Если затраты на приобретение новых ТИ по истечении срока составляют величину Э, а затраты на выполнение исследований по оценке возможности увеличения назначенного показателя на время t, реализацию необходимых мероприятий и затраты на запасные части составляют величину Э, то допустимую величину продлеваемого значения назначенного показателя t можно определить из условия равенства затрат Э и Э:
Э = Э. (575)
Если по истечении времени эксплуатации принимается решение о поставке для партии из n ТИ новых ТИ, то затраты на их приобретение будут иметь следующее значение:
, (576)

где C - стоимость одного нового ТИ;
K - коэффициент, приводящий затраты на приобретение новых изделий, к затратам Э.
Значение коэффициента K равно .
Следует отметить, что и в случае поставки новых ТИ потребитель будет нести затраты, связанные с устранением появляющихся при эксплуатации отказов, но в зависимости (576) они не учтены по следующим соображениям: во-первых, на все новые ТИ устанавливается определенное значение гарантийных обязательств, в течение которых отказы устраняются за счет изготовителя; во-вторых, у новых ТИ параметр потока отказов существенно ниже, чем у ТИ, которые будут эксплуатироваться при продленных назначенных показателях.
Экономические затраты, связанные с продлением назначенных показателей можно разделить на следующие три группы:
1-ая группа - затраты С, связанные с проведением работ по исследованию возможности увеличения назначенного показателя на величину t, сверх первоначально установленного значения Т, с определением необходимых для этого мероприятий;
2-ая группа - затраты С, связанные с реализацией на каждом изделии мероприятий по продлению назначенного показателя;
3-я группа - затраты С, связанные с поставкой запасных частей для устранения отказов, периодически возникающих в эксплуатации в течение продлеваемого периода t.
Суммарные затраты, связанные с продлением назначенного показателя, можно определить по формуле
. (577)
Величина затрат С зависит от типа каждого ТИ, продолжительности исследований, видов испытаний и т.д. При необходимости, для отдельных типов ТИ могут быть определены эмпирические зависимости для оценки величины С как функции от продлеваемого периода t. На практике для многих ТИ значение , где С - цена нового ТИ. Особенностью затрат С является то обстоятельство, что их величина не зависит от количества ТИ, находящихся в эксплуатации.
Затраты С могут включать в себя экономические затраты на выполнение всего спектра возможных мероприятий для обеспечения продления назначенного показателя, перечень которых приведен в разделе 13.4. Величина затрат С изменяется от значения С =0, в случае принятия решения о продлении назначенного показателя без выполнения на каждом изделии каких-либо работ, до значения , где - стоимость капитального ремонта одного ТИ, включая стоимость вновь изготовленных элементов и деталей, заменяемых при ремонте. В отличие от затрат на исследования С, затраты на реализацию мероприятий С зависят от количества ТИ n, находящихся в эксплуатации.
Затраты на обеспечение эксплуатации С определяются по формуле

(578)

где n - парк ТИ;
- средняя цена, связанная с устранением одного отказа ТИ в эксплуатации;
- верхняя доверительная граница требуемого количества запасных частей.
В работе [93] показано, что значение можно определить по следующей формуле:
, (579)
где t - увеличенное значение назначенного показателя сверх первоначально установленного для которого определяется верхнее значение требуемого количества запасных частей;
a - принятое значение доверительной вероятности;
- параметр потока отказов ТИ для продлеваемого показателя в течение периода t.
Значение параметра потока отказов при величине t не всегда является постоянной величиной. Если известен вид функции изменения параметра потока отказов в течение периода t, то формула (579) будет иметь следующий вид:
. (580)
Вид функции может быть определен по результатам эксплуатации ТИ. Для многих типов ТИ функция изменения параметра потока отказов за пределами первоначально установленного значения назначенного показателя T имеет вид параболы
(581)
где - статистические коэффициенты, значения которых определяются по имеющейся информации методом наименьших квадратов [32].
Для упрощения допустим, что параметр потока отказов ТИ как в течение периода , так и в течение периода (+t) постоянен =const, тогда, подставляя (576) и (578) в (575), получим следующее соотношение:
. (582)
Соотношение (582) применяется для проведения расчетных оценок возможного увеличенного значения назначенного показателя t для ТИ, работоспособность которых в процессе эксплуатации может быть восстановлена с использованием запасных частей.
Из соотношения (582) можно определить допустимое значение экономических затрат на выполнение исследований по увеличению назначенного показателя на величину t и реализацию мероприятий, необходимых для этого. Величину допустимых затрат определим из условия
. (583)
Пример 38. Для некоторого ТИ требуется определить допустимое значение затрат на мероприятия по обеспечению продления назначенного показателя на величину t = 6 лет при следующих исходных данных:
.
По условию (583) получим С <= 71273 руб. На выполнение мероприятий на одном изделии допустимый уровень затрат составит 237,57 руб. Если мероприятие - капитальный ремонт, то его стоимость должна быть не более 23% от цены ТИ.
Из зависимости (582) может быть определена допустимая величина увеличения назначенного показателя при известных стоимостных параметрах. Произведя преобразования зависимости (582), получим следующее уравнение для определения величины t:
, (584)

где .
Возведя левую и правую части уравнения (584) в квадрат, получим квадратное уравнение с неизвестным t. Решение полученного уравнения будет иметь следующий вид:
. (585)
По формуле (585) определяется допустимая величина увеличения назначенного показателя t исходя из требуемых экономических затрат на продление и обеспечение эксплуатации ТИ.
Пример 39. Определить возможную величину увеличения назначенного показателя ТИ при следующих исходных данных:
.
Получим: .
Зависимости (583) и (585) справедливы при условии, что продлеваемое значение t находится в пределах
. (586)
Учитывая, что продление назначенных показателей проводится поэтапно, при расчетах по зависимостям (583), (585) значение T принимается равным величине назначенного показателя, установленной по результатам работ на предыдущем этапе, и условие (586) будет всегда выполняться.
Любое ТИ состоит из ряда составных частей, и соответственно к этому изделию имеется определенный состав запасных частей, в связи с чем, при выполнении расчетов по зависимостям (583) и (585), среднюю цену на устранение одного отказа определим по следующей формуле:
, (587)

где - количество типов запасных частей для ТИ;

- стоимость запасной части i-го типа;
- параметр потока отказов i-ой запасной части при использовании ТИ в соответствующих условиях, значение которого получено по результатам расчетов или по материалам эксплуатации.
Если в состав ТИ входят составные части, работоспособность которых при эксплуатации не контролируется, то по этим составным частям проводятся исследования по возможности увеличения их назначенных показателей, а по результатам этих работ могут быть приняты следующие решения:
вариант А: значение назначенного показателя увеличивается до требуемой величины без проведения каких-либо мероприятий;
вариант Б: по истечении первоначально установленного значения назначенного показателя все составные части данного типа, установленные на изделии, должны быть заменены на вновь изготовленные;
вариант В: по истечении первоначально установленного назначенного показателя все составные части данного типа должны пройти капитальный ремонт.
По варианту А очевидно, что для таких составных частей для выполнения работ по увеличению назначенного показателя необходимы расходы только на проведение исследований C, при этом их величина должна удовлетворять условию
, (588)
где С - цена одного комплекта новой составной части, с учетом выполнения работ по ее замене на изделии.
По варианту Б необходимы расходы как на проведение исследований C, так и расходы на приобретение новых составных частей и проведение работ по их установке на изделии. Этот вариант экономически наименее выгоден вследствие того, что затраты на его реализацию превысят затраты на приобретение и установку новых составных частей, т.е.
(589)
По варианту В необходимы расходы как на проведение исследований с целью определения объема капитального ремонта для продления назначенного показателя на значение t, так и на выполнение собственно ремонта , где - стоимость капитального ремонта одной составной части. В этом случае суммарные затраты на исследования и капитальный ремонт должны удовлетворять условию
. (590)
По условиям (588) и (590) необходимо проводить оценку целесообразности проведения работ по увеличению назначенного показателя по неконтролируемым составным частям.
13.6. Прогнозирование долговечности узлов трения технических изделий
Долговечность узлов трения, применяемых во многих технических изделиях, в основном определяется износостойкостью деталей. Износостойкость деталей зависит как от свойств материалов, применяемых для их изготовления, так и от конструктивного исполнения деталей и узлов, применяемых технологических методов, нагрузок и внешних факторов. Вопросы обеспечения долговечности таких деталей достаточно подробно освещены в специальной технической литературе [29] и других.
При решении вопроса о продлении назначенных показателей узлов трения применяются соответствующие методы прогнозирования. Одним из методов решения этой задачи является прогнозирование износа трущихся деталей по результатам испытаний или эксплуатации.
Сохранение работоспособности трущихся деталей определяется отклонением характерного размера детали b от номинального по истечении определенного периода наработки t. При этом период наработки t измеряется либо временем работы и оценивается в часах, либо числом передвижений, либо в других единицах, что зависит от особенностей соответствующего типа конструкции. Информацию об износе деталей получают путем измерения деталей при проведении технического обслуживания или при проведении специальных испытаний.
Для оценки и прогнозирования износа деталей производится математическая обработка полученной информации в следующей последовательности:
1. производится построение таблицы зависимости износа от наработки детали;
2. осуществляется проверка неусеченности распределений износа и однородности исходных данных;
3. производится выбор и проверка соответствующего закона распределения износа для различных интервалов наблюдений;
4. определяются средние значения износа и его средние квадратические отклонения для различных интервалов наработки;
5. выбирается математическая модель процесса изнашивания;
6. определяется уравнение изнашивания и экстраполируется кривая износа за пределы периода наблюдений.
Для определения кривой износа берется N деталей, имеющих различную наработку t. Производится замер величины износа b каждой детали с фиксированной наработкой. Составляется корреляционная таблица зависимости величины износа b от наработки t. При составлении таблицы наработку t в пределах исследуемого периода разбивают на статистические интервалы t и фиксируют число случаев каждого полученного значения износа b в пределах каждого интервала t. Образец составления таблицы приведен в примере 40.
После составления таблицы в предположении, что износ подчинен нормальному распределению, для каждого интервала определяется среднее значение износа b и среднее квадратическое отклонение S по формулам
, (591)

, (592)

где b - случайное значение износа при фиксированной наработке на интервале t;
n - число измерений для соответствующего интервала t;
z - число случаев попадания величины износа, равной значению b на интервале t.
Износ деталей в большинстве случаев подчинен нормальному закону распределения. Проверку закона распределения износа производят по критериям согласия, рассмотренным в главе 2.
В целях прогнозирования изменения износа по наработке применяют линейную и показательную математические модели. Линейная модель [29]:
(593)

где , коэффициент;

- средние величины износа на интервале наработки t и t соответственно.
Показательная модель [29]:
, (594)
где h - коэффициент смещения, определяющий положение кривой износа относительно начала координат;
A - коэффициент долговечности, определяющий форму кривой износа.
При равной ширине интервала
значение коэффициента h при наличии не менее 3-х интервалов определяется по формуле [29]
, (595)

где - средние значения износа на соответствующем интервале.

Значение коэффициента A определяется по формуле [29]

, (596)

где - десятичный логарифм.
Поскольку процесс изнашивания является случайным, то для кривой износа могут быть построены соответствующие доверительные границы. В предположении, что износ подчинен нормальному распределению, для любого момента наработки t верхнее значение предела износа для математической модели (594) можно определить по формуле, предложенной в работе [29]:
, (597)

где S - среднее квадратическое отклонение износа при наработке t;

U - квантиль нормального распределения при доверительной вероятности a.
Текущее нижнее значение износа для математической модели (594) определяется по формуле
. (598)
Для линейной модели (593) верхнее значение доверительной границы можно определить по формуле:
, (599)

где .
Для выбора математической модели вычисляют отношение средних квадратических отклонений износа в двух наиболее отстоящих друг от друга интервалах наработки по зависимости
, (600)
где S - среднее квадратическое отклонение износа на r-ом интервале наработки.
Если , то для прогнозирования целесообразно использовать модель (594), если , то для прогнозирования износа целесообразно использовать модель (593).
Зная предельную допустимую величину износа B по выбранной кривой износа (593) или (594), можно оценить среднюю долговечность детали. Для модели (593) она вычисляется по формуле
. (601)

Cредняя долговечность детали по выбранной кривой вида (594) оценивается по формуле

. (602)
На основании полученных значений средней долговечности детали можно определить величину остаточного ресурса узла трения по наработке.
Пусть деталь имеет фактическую наработку, равную t, тогда величина остаточного ресурса R может быть определена по следующим формулам:
для модели (593) -

или ; (603)

для модели (594)

. (604)
Пример 40. Проведен замер величины износа некоторой детали на 50 образцах. Результаты замера износа при соответствующих наработках приведены в табл. 54. Требуется определить вид кривой износа и оставшееся значение по наработке для партии деталей, имеющих фактическую наработку t=2000 часов, при предельном значении износа B = 0,35мм.
Результаты измерения деталей

Таблица 54


Износ b, мм

Число случаев z при наработке t, час.




1000

2000

3000

0,05

2

-

-

0,08

4

2

-

0,15

2

2

-

0,2

5

2

7

0,25

1

6

5

0,3

-

2

8

0,35

-

1

1

Число случаев n

14

15

21

Среднее квадратическое отклонение S, мм

0,066

0,075

0,047

b, в мм

0,14

0,22

0,257
1   ...   15   16   17   18   19   20   21   22   23


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации