Methodological basis of technical systems reliability and availability research

Abstract

A comparative analysis of state standards 27.002-89 and P 27.002-2009 "Reliability in engineering has been conducted. Basic terms and definitions" and proposed research methodology of technical systems reliability and availability.

Full Text

Надежность и работоспособность в большинстве случаев выступают основными свойствами технических систем, определяющими технико-экономическую, технологическую и экологическую эффективность их функционирования в реальных условиях эксплуатации. Характерными и многочисленными представителями технических систем являются мобильные энергетические средства (МЭС), адаптированные для работы в различных областях и направлениях народного хозяйства. По уровню напряженности рабочих режимов и условий эксплуатации в общей группе транспортно-технологических машин и комплексов (ТТМ и К) можно выделить: · автотранспортные средства грузового и пассажирского назначения; · дорожно-строительные и подъемно-транспортные машины и механизмы в строительной индустрии; · тракторы и автомобили, комбайны и другие специальные машины для агропромышленного комплекса (АПК). Актуальность широких исследований надежности и работоспособности технических систем определяется интенсивным развитием трибологических направлений в машиностроении, открытием явления «избирательного переноса», обоснованием нанотехнологий и практической реализацией безызносных режимов работы ресурсоопределяющих сопряжений машин и механизмов. Важное значение при этом имеют всесторонний анализ и экспериментальная оценка определяющих критериев надежности и работоспособности техники с учетом реальных условий эксплуатации. Цель исследований – повышение надёжности и работоспособности технических систем с обоснованием рациональных ресурсных критериев и методологии их обеспечения на разных этапах «жизненного цикла» машин. Основные задачи раскрытия современного представления и развития понятий надежность и работоспособность машин характеризуются следующими аспектами: · сравнительный анализ нормативных документов по основным понятиям, терминам и определениям надежности и работоспособности в технике; · оценка развития новых технических и технологических направлений с использованием в машиностроении перспективных технологий и методов повышения ресурса машин; · обоснование рациональных критериев оценки надежности, готовности и работоспособности машин на разных этапах их жизненного цикла; · аналитическая оценка технического уровня современных машин и механизмов и методов его повышения на основе базы экспериментальных данных, систематизированных с учетом особенностей и видов технических систем. Методика решения поставленных задач включает характерные для научного исследования этапы: · аналитический обзор номенклатурных понятий надежности и работоспособности машин; · теоретическое обоснование оптимальной взаимосвязи динамических и трибологических систем отдельных элементов и механизмов; · выбор рациональных и перспективных технологий на всех этапах жизненного цикла машин; · разработку рекомендаций по формированию многофункциональной базы экспериментальных исследований, обеспечивающих использование инновационных технологий создания и эксплуатации машин при оптимальных и прогнозируемых критериях надежности и работоспособности. Выбор объекта, предмета, условий и режимов исследований обусловлен особенностями взаимодействия входных и выходных параметров трибологической системы, определяющей конструктивно-технологическую структуру машин, как типичного представителя исследуемой технической системы, и условий её эксплуатации. Отличительной особенностью данных условий для МЭС автотранспортного, дорожно-строительного и сельскохозяйственного направления является работа в основном при открытом атмосферном воздействии в различных климатических зонах, в широком интервале нагрузочно-скоростных режимов работы и при высокой загрязненности окружающей среды частицами пыли абразивного характера. Отмеченные условия эксплуатации являются в большинстве случаев определяющими факторами снижения трибологических параметров и ресурса машин [3, 6, 8]. Характерной чертой научно-технического прогресса является постоянное возникновение все более сложных проблем, требующих разработки новых теоретических решений и методов экспериментальных исследований. Так в машиностроении вследствие совершенствования конструкции МЭС, технологических процессов их изготовления и эксплуатации требуется более квалифицированный инженерный подход к обеспечению надежности и работоспособности машин. Сравнительный анализ технических нормативных документов по надежности и работоспособности в технике показывает, что введенный в действие 01.01.2011 года ГОСТ Р 27.002-2009 «Надежность в технике. Термины и определения» несколько отличается от ранее действовавшего ГОСТ 27.002-89 «Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения» [4, 5]. Прежний ГОСТ рассматривал надежность «как свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования» [4]. Как комплексное свойство объекта, надежность в данном случае включает его безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость и в определенной мере характеризует его работоспособность, т.е. «состояние, при котором значения всех параметров, определяющих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации». ГОСТ Р 27.002-2009 (табл. 1) с учетом новых товарно-рыночных отношений и вступления России в ВТО адаптирован по форме и содержанию с аналогичными зарубежными техническими нормативами ISO и отечественными стандартами ИСО в области обеспечения качества и общей надежности изделий, принятых в данных документах в качестве объектов оценки [5]. В мировом и отечественном производстве транспортных и энергетических машин в настоящее время широкое распространение получает анализ технического изделия в рамках полного жизненного цикла: создание (научно-технический поиск, проектирование, изготовление образцов, испытание, доводка конструкции), производство (постановка модели машины на производство, установившееся производство и снятие с производства), обращение (упаковка, хранение, транспортирование) и эксплуатация (ввод в эксплуатацию, использование по назначению, техническое обслуживание, ремонт, модернизация, хранение, снятие с эксплуатации и утилизация). При этом активно используются компьютерные технологии (САПР), автоматические системы управления технологическими процессами и предприятиями (АСУ ТП, АСУП), GALS-технологии, которые в условиях современных TV и Internet-коммуникаций могут целенаправленно формировать базу аналитических и экспериментальных данных для создания перспективных технических систем различного направления. Таблица 1 Структура терминов надежности и работоспособности в технике (ГОСТ Р 27.002-2009) Термины Определения Основные свойства и условия Надежность Свойство изделия выполнять требуемую функцию - безотказность; - ремонтопригодность; - поддержка технического обслуживания Готовность Способность изделия выполнять требуемую функцию - необходимые внешние ресурсы обеспечены (может включать климатические, технические и экономические обстоятельства); - сочетание свойств надежности Долговечность Способность изделия выполнять требуемую функцию - до достижения предельного состояния при данных условиях использования и технического обслуживания Сохраняемость Способность изделия выполнять требуемую функцию - в течение и после хранения и (или) транспортирования Работоспособное состояние Состояние изделия, при котором оно способно выполнять требуемую функцию - необходимые внешние ресурсы представлены; - возможно работоспособное состояние для всех или отдельных функций Комплексное материально-техническое обеспечение Процесс скоординированного управления по обеспечению всех материалов и ресурсов, требуемых для эксплуатации изделия - обеспечение основных свойств и способностей надежности, готовности и работоспособности Структурный анализ надежности и работоспособности машин показывает, что их основные критерии базируются на видах и скорости изнашивания сопряженных поверхностей, ресурсных параметрах технической системы в целом и уровне технико-экономических и экологических показателей изделия и условий безопасности жизнедеятельности. Данные направления характеризуются развитием исследований в следующих областях науки: трении, смазывании и изнашивании; конструировании и расчете машин; химмотологии; трибологии и триботехники; нанотехнологии в машиностроении и др. Результаты исследования свидетельствуют о постепенном изменении основных свойств надежности (табл. 1) и энерго-экономических показателей работоспособности (параметры качества, производительность, расход топливо-смазочных материалов, уровень обеспечения необходимого внешнего ресурса и др.). Первая группа показателей определяет уровень надежности, где превалируют трибологические аспекты состояния элементов машин, как сложных систем, а вторая группа характеризует организационно-технологическую реализацию их работоспособности. В числе критериев надежности технических систем характерным является ресурс её основных составляющих: механическое устройство, гидравлическое, пневматическое и электрооборудование, которые обеспечивают трансформацию и адаптацию энергии, управление и другие функции системы. В форме аддитивного показателя суммарный критерий надежности технической системы можно представить выражением: , (1) где НС – критерий надежности системы; НМ, НГ, НП, НЭ – критерии надежности механической, гидравлической, пневматической и электрической составляющей системы; αМ, αГ, αП, αЭ – соответствующие уровни значимости критериев отдельных составляющих. Приняв механическое устройство за основу технической системы, с учетом исследований [1, 7], технический ресурс при реализации процессов трения в механизмах на микроуровне имеет форму регламентированного ресурса (ТР), обоснованного скоростью изнашивания ресурсоопределяющих деталей. При этом реализуются условия ; , (2) где Ид и Ир – действительная и регламентированная средние скорости изнашивания; Тд и Тр – действительный и регламентированный ресурсы машины. Основной трибологический закон взаимодействия поверхностей трения в данном случае характеризуется соотношениями: , (3) , где FTP и fTP – сила и коэффициент трения; Fa и fa – молекулярные (адгезионные) составляющие; Fк и fк – деформационные (когезионные) составляющие. Повышение технического уровня ТТМ и К на данном уровне решения трибологических проблем базируется на реализации следующих направлений: · оптимизации основных критериев триады «надежность – готовность – работоспособность машин»; · обеспечении достаточного уровня насыщения контактов поверхностей трения ресурсоопределяющих сопряжений; · создании базы научно-экспериментальных данных по методам насыщения контактов на основе функциональной, аналитической и эмпирической взаимосвязи определяющих факторов; · систематизации условий эксплуатации машин и методов обеспечения рациональных режимов функционирования их трибологических систем (нагрузочно-скоростной и температурный режимы работы, совершенство смазочной системы, герметичность механизмов, уровень фильтрования масла и др.). Современный уровень развития «триботехники», как научного направления, и внедрения нанотехнологий в производство технических систем открывают возможность реализовать их жизненный цикл с условиями прогнозируемого ресурса (Та), т.е. обратного направления проектирования машины от рационального программирования технического ресурса по критерию скорости изнашивания к обоснованию динамической схемы, разработки новых технологий изготовления и формирования структуры материалов для поверхностей трения ресурсоопределяющих деталей. Процессы трения в данном случае рассматриваются и реализуются на наноуровне, а определяющими критериями являются соотношение суммарной площади фактического контакта и номинальной площади SН сопряжения деталей, а также адгезионной и когезионной составляющих коэффициента трения ; (4) , Решение трибологических проблем повышения технического уровня машин суммируется при этом дополнительными направлениями: · модификация поверхностей трения на структурном и рельефном уровнях с формированием их положительного градиента твердости; · оптимизация трибологических параметров в сопряжениях технических систем, обеспечивающих снижение водородного изнашивания, реализацию явления «избирательного переноса» при трении и реализацию «безызносных» режимов работы механизмов и машин. В работе Беркович И. И. и др. [2] предложена модель изнашивания, в которой «учтен не только основной механизм разрушения, но и ряд наиболее существенных факторов, определяющих ход изнашивания: дискретность контакта, локализованный микрообъем материала, динамика контактной нагрузки, вклад химических превращений и др.». Базовое уравнение изнашивания может быть представлено в следующем виде (5) где ИП – прогнозируемая скорость изнашивания трибосопряжения; ΔSф – фактическая площадь единичного контакта; пч – число контактов; h – глубина зоны наибольшей концентрации дислокаций; П – характеристика релаксации повреждений; ξ – исходная повреждаемость материала; λ – отношение поверхности частицы среднестатистического размера к поверхности одного активированного объема; to – постоянная времени; – энергия активации разрушения межатомной связи при отсутствии внешних напряжений; Ψ – коэффициент поглощения (диссипативность контакта); γ – структурно-чувствительный коэффициент; α – напряжение; R∙T – энергия теплового движения. Представленный теоретический подход оценки изнашивания совместно с аналитическими выражениями других теорий трения углубляет анализ трибологических процессов перспективных технических систем и определяет новые исследовательские задачи на основных этапах их жизненного цикла. Современный уровень технического прогресса характеризуется повышением надежности и работоспособности машин и механизмов, которые базируются на результатах теоретических и экспериментальных исследований трибологических процессов в технических системах. Рациональными в этом направлении являются следующие этапы и направления исследований: · обоснование этапов реализации программируемого ресурса технической системы; · разработка нанотехнологических методов формирования поверхностей трения с положительным градиентом твердости и повышение уровня насыщения контакта поверхностей; · формирование базы экспериментальных данных по снижению различных видов изнашивания, улучшению критериев надежности и работоспособности машин; · систематизация теоретической и экспериментальной информации с целью разработки многофакторных программ её компьютерного анализа и обоснования технических рекомендаций.