Функционально-эксплуатационные требования

Любая автоматическая система, машина создаются для вы­полнения определённых функций в течение заданного срока службы. Функциональная пригодность конструкции в это вре­мя определяется степенью надёжности машины, показателями работоспособности. Кэксплуатационным требованиям относятся требо­вания работоспособности, технического обслуживания и ре­монта, а также включают с себя показатели назначения (функци­ональные показатели), надежность, массу, габариты, КПД, точность и др.

Работоспособность — способность изделия выпол­нять заданные функции с параметрами, установленными в техническом задании (ТЗ).

Техническое обслуживание — этап эксплуатации, направленный на поддержание надежнос­ти и готовности технических объектов и их элементов к штат­ной эксплуатации. В этот этап входят работы по профилак­тике, контролю, регулированию, смазке и др.

Ремонт — это совокупность технических мероприятий, осуществляемых с целью восстановления работоспособности устройств.

Показатели назначения входят в техническое зада­ние, в котором указывается назначение объекта, его состав, структура, особенности и ряд технико-экономических показа­телей:

ü технические характеристики — вид и скорость движения, производительность, надежность, масса, габариты, КПД, точность;

ü энергетические характеристики — источники питания, мощность, КПД;

ü устойчивость к внешним воздействиям, влияющим на ра­боту объекта;

ü стоимость и другие показатели, зависящие от назначения

ü объекта проектирования.

Отметим одно из противоречий, возникающих в группе эксплуатационных требований: для обеспечения требований технического обслуживания и ремонта необходимо преду­смотреть в конструкции подходы к ряду агрегатов и узлов, что реализуется обычно введением люков, откидных крышек и т. д. Это приводит к увеличению массы конструкции, что не­желательно для технических характеристик изделий.

Надежность — свойство изделий выпол­нять в течение заданного времени или заданной наработки свои функции и сохранять в заданных пределах эксплуатаци­онные показатели. Надежность характеризуется безотказно­стью, долговечностью, ремонтопригодностью и сохраняемо­стью.

Безотказность — свойство изделия сохранять рабо­тоспособность в течение некоторой наработки без вынуж­денных перерывов. Отказ машины может происходить не только по причине разрушения отдельных узлов или деталей, но и по причине выхода за пределы норм погрешностей выполнения машиной своего функционального назначения. Очень часто приходится останавливать машину, потому что она выполняет свою работу, свои функции с такими ошибками (отклонениями), при которых либо полностью нарушается технологический процесс производства, либо производимые изделия и операции получаются непригодными (брак). Практически эти два фактора -поломка деталей и нарушение точности работы конструкции -определяют функциональную надёжность машины. Оба фак­тора зависят от выполнения функционально-эксплуатационных требований, заложенных в конструкцию машины.

Долговечность — свойство изделия сохранять работоспособность до предельного состояния с необ­ходимыми перерывами для технического обслуживания и ре­монта.

Ремонтопригодность — приспособленность изде­лия к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей путем проведения технического обслужива­ния и ремонта.

Сохраняемость — свойство изделия сохра­нять обусловленные эксплуатационные показатели в течение срока хранения, установленного в технической документа­ции, а также после срока хранения и транспортирования. Свойство безотказности существенно для изделий, выход из строя которых вызывает катастрофические последствия, на­пример отказ устройств летательного аппарата может привес­ти к его гибели. Отметим, что у объектов, эксплуатирующих­ся на земле, после отказа возможно восстановление работоспо­собности. В наиболее ответственных системах для повышения надежности используется резервирование. Под резервиро­ванием понимают метод повышения надежности путем введе­ния резервных и дублирующих частей, являющихся избыточ­ными по отношению к минимальной, функциональной струк­туре изделия, необходимой и достаточной для выполнения заданных функций. Например, при низкой надежности элек­тродвигателя для повышения надежности электропривода в конструкцию вводят второй (резервный) двигатель, а на КА для открытия активных замков дублирование осуществляется трижды. Для повышения надежности возможно использова­ние предохранительных устройств, например предохранитель­ных муфт, ограничивающих вращающий момент, передавае­мый на последующие звенья передачи.

Массогабаритные показатели важны при создании технических объектов. Конструктор должен обеспечить требо­вания ТЗ по массе. Основой минимальных массы и габаритов механизма является правильный выбор материала, раци­ональной конструктивно-силовой схемы, формы и размеров деталей, применение композитов и т. д. При выборе матери­ала целесообразно использовать металлы с высокой удельной прочностью, неметаллы и композиты. При выборе формы де­тали балочного типа необходимо выбрать рациональное се­чение и обеспечить равнопрочностъ. При разработке любой конструкции актуален вопрос материалоемкости, так как сто­имость материала в общей стоимости изделия доходит до 80% в машиностроении, а в автомобильной промышленности — до 70% .

Важным параметром любого механизма является КПД.Од­ной из важнейших задач конструктора является обеспечение максимального КПД передачи. Повысить КПД можно путем перехода к более совершенным типам передач, у которых меньше потери на трение, например заменой передачи винт — гайка скольжения на шариковинтовую передачу (ШВП) или роликовинтовую передачу (РВП). При использовании под­шипников скольжения нужно применять такие материалы для вала и подшипника, чтобы они образовывали антифрик­ционную пару, определяемую низким коэффициентом тре­ния, высокой износостойкостью при правильном выборе сма­зочного материала. При высоком КПД снижается расход энер­гии. В механизмах, узлах и деталях должна быть обеспечена необходимая точность. Снижение точности ухудшает экс­плуатационные характеристики изделия, а завышение увели­чивает стоимость конструкции.

Разрушение деталей - следствие недостаточной их объёмной и поверхностной прочности. При существующих в настоящее время ассортименте машиностроительных материалов, методах изготовления и современном состоянии науки о прочности практически для любых конструкций нет деталей и узлов, которым нельзя было бы придать неограниченную долго­вечность и гарантировать от разрушения. То обстоятельство, что разрушение деталей всё же происходит, объясняется конст­руктивными и технологическими дефектами, неправильной эксплуатацией или случайностью.

Конструктивные дефекты - это прежде всего неверная оценка степени нагружения детали, местоположения опасных сечений и наиболее нагруженных точек детали. Обычные ме­тоды расчёта позволяют определить напряжения с удовлетво­рительной точностью лишь для сравнительно немногих прос­тейших случаев деформации. Расчёты большинства сложных деталей на прочность основаны на упрощениях, которые не всегда выдерживаются в реальных условиях.

Главные факторы, обусловливающие отклонения истинных величин напряжений от величин, определяемых расчётом, сле­дующие:

ü отклонение расчётной схемы от действующих условий нагружения;

ü отклонение фактической величины действующих сил от номинальных значений;

ü отклонение фактических напряжений от номинальных.

Эти отклонения объясняются влиянием сопряжённых дета­лей, упругими свойствами системы, неточностями изготовле­ния, монтажа, перегрузками вследствие превышения расчётных режимов эксплуатации, изменением характеристик прочности в связи с изменением температуры при работе детали и в ре­зультате действия вибраций, изменением формы и размеров де­талей в результате износа.

Таким образом, для предохранения деталей от разрушения конструктор должен учитывать следующие функционально-экс­плуатационные требования:

ü объёмную и поверхностную прочность при статистичес­ких и динамических нагрузках;

ü жёсткость конструкции;

ü износостойкость трущихся узлов;

ü тепло- и хладостойкость деталей;

ü вибростойкость конструкции.

Второй фактор отказа машины (нарушение функциональной точности машины) - это следствие отклонений формы, раз­меров и расположения деталей, составляющих конструкцию.

Такие отклонения возникают в результате ошибок при изготовлении деталей и узлов машины, неизбежных деформа­ций в конструкции под влиянием действующих нагрузок, износа трущихся деталей, неточностей монтажа и регулировки, тем­пературных изменений.

Ошибки изготовления, зазоры в подвижных соединениях уз­лов машины обычно учитываются конструктором в процессе разработки конструкции на основе теории точности. Влияние факторов деформации деталей и их износа достаточно трудно учесть, во-первых, потому, что ещё недостаточно разработана теоретическая база для проведения таких расчётов, а во-вторых, эти факторы непрерывно изменяются в процессе эксплуатации машины. Поэтому наряду с проведением теоретических расчё­тов точности работы машины конструкторы всегда преду­сматривают в ней возможности выполнения необходимых регу­лировок и автоматических компенсаторов изменения формы, размеров и расположения деталей. Следовательно, для уста­новления нормальной функциональной точности работы маши­ны конструктору необходимо учитывать такие функционально-эксплуатационные требования:

а) статическую и динамическую точность работы устройства;

б) жёсткость деталей и узлов конструкции;

в) износостойкость трущихся поверхностей машины.

Последние два фактора влияют одновременно и на точность работы машины, и на фактор разрушения деталей.

Все вышеперечисленные функционально-эксплуатационные требования являются основой для создания рациональной конструкции машины. Однако не всегда удаётся даже при са­мых старательных поисках найти решение, полностью отвеча­ющее таким требованиям.