Формирование и обеспечение надежности в течение жизненного цикла машины

Надежность формируется и поддерживается на трех этапах жизненного цикла технических объектов: проектирования, изготовления и эксплуатации.

К основным методам формирования требуемого уровня надежности горного оборудования на этапе проектирования относятся:

- выбор рациональных конструктивных, кинематических и технологических схем работы;

- полный учет внешних и внутренних нагрузок;

- применение совершенных методов расчета рабочих параметров;

- резервирование элементов, функций, прочности и мощности;

- анализ показателей надежности;

- выбор методов быстрого и качественного восстановления работоспособности.

Перед расчетом показателей надежности изделия составляется схема расчета. Составляется перечень свойств исправного изделия и диапазон изменения его рабочих параметров и рассматривают поведение изделия при отказе каждого из составляющих элементов. Уровень надежности определяется и способом соединения или взаимодействия составляющих элементов объекта. В теории надежности различают последовательное, параллельное и смешанное взаимодействия элементов.

Если объект состоит из элементов А, В и С, взаимодействующих последовательно, то он работоспособен при рабочем состоянии каждого из этих элементов. Отказ любого элемента является необходимым и достаточным условием отказа объекта в целом. Вероятность безотказной работы изделия в целом определяется по теореме умножения вероятностей безотказности элементов

Р = Р_АР_ВР_С. (5.1)

Отсюда видно, что с увеличением числа последовательно взаимодействующих элементов надежность изделия быстро снижается.

Если изделие состоит из параллельно взаимодействующих элементов и его работоспособность будет обеспечена при сохранении работоспособности хотя бы одного элемента (А, В или С), то вероятность безотказной работы такого изделия определяется по теореме сложения вероятностей. При большом количестве параллельно взаимодействующих элементов теорема сложения вероятностей дает очень сложную расчетную зависимость. Поэтому удобнее определять вероятность отказа изделия и через нее – вероятность безотказной работы

, (5.2)

где q_i = 1 – р_i – вероятность отказа i-го элемента, при этом Р = 1 – Q.

Вероятность безотказной работы изделия при параллельном взаимодействии элементов больше или равна вероятности безотказной работы наиболее надежного элемента. При этом она возрастает с увеличением числа m параллельно взаимодействующих элементов.

При смешанном взаимодействии элементов надежность изделия определяется с использованием зависимостей для последовательного и параллельного взаимодействия.

В теории надежности разработан ряд методов, повышающих надежность систем. Одним из них является создание резервов того или иного вида, повышающих вероятность безотказной работы. Так, например, в систему включают резервные элементы, избыточные по отношению к минимально необходимым для ее работы. Это приводит к более высокой вероятности безотказной работы, чем у одного элемента.

Следует отметить, что введение резервного элемента – не единственный путь повышения надежности. Такой же эффект можно достичь, повышая уровень надежности рабочих элементов системы. Резервируют прочность деталей (запас прочности), мощность машины (запас мощности). Одним из подходов к повышению надежности при проектировании является использование критерия «худшего случая», который предусматривает нормальную работу изделия при сочетании наихудших значений каких-либо факторов во время эксплуатации. Это приводит к запасу устойчивости работы изделия.

Введение в машине избыточности ведет к ухудшению ее весовых, габаритных, стоимостных и других показателей. Существуют математические методы и алгоритмы, позволяющие найти такие проектные решения, которые наилучшим образом удовлетворяли бы различным, зачастую противоречивым, требованиям. С их помощью может быть поставлена и решена задача достижения максимальной вероятности безотказной работы изделия при заданных ограничениях (по стоимости, размерам, массе и др.) или достижения минимального значения одного из показателей при заданном уровне вероятности безотказной работы.

На этапе изготовления повышение надежности и долговечности машин достигается применением высококачественных материалов и прогрессивных технологических процессов обработки, совершенной технологией процессов сборки, монтажа и испытаний, строгим соблюдением технологических регламентов. Существенную роль в реализации намеченного уровня надежности изделия играет обеспечение стабильности размеров и формы деталей, повышение износостойкости и усталостной прочности, качества обработанной поверхности и физико-технических свойств изготовленных деталей. Готовую продукцию принимают заводские ОТК и затем производят заводские и промышленные испытания.

При больших партиях изделий проведение сплошного контроля требует больших расходов. В этом случае контролю подвергаются только некоторые изделия из партии, а сам контроль называется выборочным или статистическим. Для сокращения числа испытаний и их длительности применяются ускоренные испытания. Основная идея ускоренных испытаний на надежность заключается в том, чтобы, не меняя физической сущности процесса изменения надежности, значительно сократить сроки испытаний и, оценив качество изделий, в относительно короткий срок довести их надежность до намеченного уровня. Ускорение испытаний достигается:

- ужесточением нагрузочных режимов или характеристик внешней среды;

- экстраполяцией характеристик случайного процесса появления отказов;

- моделированием процесса износа и старения объекта с помощью различных приборов и аналоговым моделированием.

Результаты ускоренных испытаний должны систематически сопоставляться с результатами эксплуатационных наблюдений.

Анализ эксплуатационной надежности горных машин показывает, что наиболее существенное влияние на уровень эксплуатационной надежности оказывают правильная организация использования оборудования очистных забоев, обеспечение его запасными частями и частота проведения профилактических работ. Узлы и детали горно-шахтного оборудования показывают разброс наработок до отказа, поэтому большое значение имеет выбор интервалов профилактических замен для различных групп деталей. Замена деталей через период, равный минимальной наработке, экономически не оправдан. Поэтому возникает вопрос о выборе оптимальной периодичности плановых замен деталей. Средняя стоимость профилактических замен элементов очистного комплекса одновременно с перемонтажом комплекса после отработки столба ниже, чем в период отработки столба.

На количество постепенных отказов элементов забойного оборудования существенно влияют величина межремонтного периода и трудоресурс ремонтной смены. Для различных типов забойного оборудования существует предел увеличения среднего срока межремонтного периода за счет увеличения трудового ресурса ремонтной смены. Этот предел зависит от сложности применяемого оборудования. Так для ежесуточного проведения профилактических работ вероятность возникновения износовых отказов в комплексе КМ-87Д не превышает 0,01, а вероятность их возникновения при одной ремонтной смене в неделю возрастает до 0,61 даже при значительном увеличении трудоресурса ремонтной смены. Рациональные периоды ремонтных работ должны выбираться с учетом сложности и эксплуатационной надежности забойного оборудования.

Оперативное и качественное ведение профилактических работ может быть осуществлено только на базе использования ЭВМ, которые позволят одновременно наблюдать большое количество оборудования, назначать тот или иной вид профилактики и производить контроль за выполненной работой.

Проведение восстановительных работ даже при оптимальной их организации не исключает возможность появления износовых и внезапных отказов элементов машин. Поэтому очень важно определять и своевременно поставлять необходимое количество запасных частей для замены отказавших элементов в периоды между проведениями плановых ремонтно-профилактических работ.