Классификация отказов

Общий поток нарушений нормального функционирования оборудования разделяется, на отказ, повреждение, и сбой.

Сбой – это самоустраняющийся отказ, приводящий к кратковременному нарушению работоспособности. Сбои могут быть повторяющимися или редко встречающимися. Если сбои становятся систематическими, их следует отнести к отказам, так как узел не выполняет своих функций.

Повреждение – это событие, заключающееся в наруше­нии исправности изделия или его составных частей вследствие влияния внешних воздействий, превышающих уровни, установ­ленные в нормативно-технической документации на изделие. Оно может быть значительным, но не затрагивать основных функций оборудования.

Для объективной оценки уровня надёжности должны быть учтены истинно отказовые ситуации, связанные с надёжностью оборудования. Возможны ситуации, когда отказы не имеют отношения к характеристикам надёжности. Например, поломка инструмента или узла машины из-за наличия металлического предмета в древесине или из-за гру­бой ошибки обслуживающего персонала или нарушения условий эксплуатации. Необходимо в каждом случае выяснять причины перерыва в нормальном функционировании, нарушения, вызванные случайными причинами, не харак­терными для нормальной эксплуатации данной машины, за от­каз принимать не следует.

Многие операции по техническому обслуживанию станка не­обходимо производить в течение рабочей смены, для этого ста­нок должен быть остановлен. Эти остановки нельзя отнести к категории отказов.

Отказ – это событие, в результате которого оборудование теряет возможность выполнять заданные функции в требуемых преде­лах и должно быть остановлено для проведения ремонтных ра­бот и не предусмотренных техническими условиями операций с целью устранения возникших дефектов.

Особенностью технологического оборудования, отличающей его от других механических систем, является то, что помимо выполнения определенных рабочих движений и заданной про­изводительности оно должно обеспечивать требуемую точность обрабатываемых на нем изделий. Машина может потерять ра­ботоспособность в двух случаях: когда ее узлы перестают функ­ционировать и когда она в процессе работы не обеспечивает требуемых параметров в заданных пределах (технологическую и геометрическую точность, равномерность перемещений и т.д.). В связи с этим различают отказы элементов (функциональные) и параметриче­ские отказы.

Отказы элементов возникают, если детали разрушаются или деформируются под действием сил превышающих предельные значения. Обычно имеют место при заклинивании механизмов, действии ударных сил, дефектах в деталях. Разрушаются детали и под действием пульсирующих и знакопеременных сил, когда напряжения близки к пределу усталости металла.

Параметрические отказы происходят в основном за счёт износа деталей, влияющих на технологическую точность или производительность машины.

Рассмотрим классификацию отказов (рис. 2.2).

Отказы элементов являются явными и связаны с остановкой оборудования. Это поломки, пласти­ческие деформации и разрушение контактирующих поверхно­стей. Они легко отличаются в общем потоке отказов. Различают внезапные и постепенные отказы элементов.

Внезапные отказы возникают как следствие воздей­ствия перегрузок, которые связаны с неизбежными случайными колебаниями нагрузки. Если в случайном стационарном процессе имеется колебание нагрузки R(t)около среднего уровня , возможен момент t₀, когда нагрузка достигает значения превосходящего допустимый предельный уровень и тогда произойдет отказ (рис. 2.3. а). Этот процесс носит название схемы мгновенных повреждений.

Поток внезапных отказов имеет экспоненциальный закон распределения с постоянной интенсивностью (λ=const) (рис. 2.3.б), а вероятность безотказной работы описывается уравнением

, (2.6)

где λ=1/Т_ср – параметр интенсивности потока отказов;

Т_ср – средняя наработка на отказ;

t – время, за которое определяется P(t).

Доля действительно внезапных отказов в общем потоке от­казов для механических систем машин не более 10%, для гидравлических систем — не более 20...30 %.

Постепенные отказы элементов машины происходят в результате накапливающихся повреждений. Наиболее часто изменение начального качества элемента порождается износом или накоплением усталостных повреждений. В результате этих процессов деталь теряет свою первоначальную прочность и про­исходит ее поломка или пластическое деформирование.

Профессор А.С. Пронников [2] вывел формулу, которая позволяет решить задачу определения вероятности безотказной работы P(T) при заданном ресурсе Т=Т_р.

У любой системы, подверженной изнашиванию, старению, коррозии и т. п., проч­ность со временем падает (рис. 2.4). Наиболее типична для реальных машин схема возникновения отказа при действии нескольких причин, например, переменной нагрузки R(t) и уменьшающимся, вследствие износа или усталости, допустимом предельном уровне нагружения R_п(t). При t << t₀ система сохра­няет исходные свойства. Предельно допустимая нагрузка R_пр(0) велика, вероятность отказа мала. В момент, близкий к t₀, и особенно после него происходит резкое снижение R_п(t) до уровня R_1пр который с большой вероятностью может быть ниже рабочей нагрузки. Произойдёт отказ.

Иногда к внезапным относят постепенные отказы с внезапным их проявлением. Усталостные разрушения относят к постепенным отказам, так как на вероятность отказа влияет время предшествующей эксплуатации (число циклов нагружения).

Параметрические отказы не связаны с поломками, но приводят машину в состояние, когда выходные характеристики превышают допустимые пределы и машина начинает выпускать бракованную продукцию. При этом машина продолжает функционировать, но процент брака постоянно увеличивается. Такой отказ простым наблюдением за работой машины выявить практически невозможно. Для обнаружения таких отказов требуется про­вести специальные работы по определению численных значений выходных параметров станка.

Параметрические отказы носят обычно постепенный характер и подразделяются на отказы по технологическим и функцио­нальным параметрам. К технологическим относятся от­казы по критериям точности обработки, шероховатости поверх­ности, качеству отделки и т. д. Отказ наступает в тот момент, когда численное значение критерия превышает его регламенти­рованную ГОСТом величину.

Появлению технологического отказа предшествует процесс ухудшения параметров технического состояния станка вследствие износа или старения. При выходе какого-либо одного или нескольких параметров станка за предель­ные значения, регламентируемые ГОСТом и ТУ, наступает от­каз по функциональному параметру.

Схема изменения технологической точности в течение межналадочного периода показана на рис. 2.5. Размеры обработанных деталей должны быть в пределах допуска δ, быть больше x_min и меньше x_max.

В начальный момент времени t=0 станок должен быть налажен таким образом, чтобы размеры обра­ботки детали х с учётом рассеяния размеров были выше нижней границы допуска x_min на величину запаса а_ф.

Под действием рабочих и быстропротекающих процессов в машине начинают проявляться процессы средней скорости: износ режущего инструмента, температурные деформации, раз­регулирование механизмов. Износ и деформации сказываются на размерах обрабатываемой детали непосредственно, а также через увеличение уровня вибраций и колебание нагрузки. Раз­регулирование приводит к изменению динамических характери­стик системы. В результате центр рассеивания за межналадоч­ный период смещается на величину а_с.

В конце межналадочного периода может наступить период ускоренного износа инструмента. В этом случае работу следует прекратить, так как смещение центра рассеивания будет бы­стро увеличиваться. Если этого нет, работу продолжают до тех пор, пока зона рассеивания не достигнет верхней гра­ницы допуска x_max и не воз­растет вероятность возникновения отказа. В этот момент нужно провести наладку станка.

Весь период эксплуатации машины состоит из чрезвычайно большого количества межналадочных периодов. Однако принципиально, рассмотренная схема (см. рис. 2.5) возникновения параметрического отказа, останется неизменной.