Теоретические основы технического обслуживания машин и оборудования

ЛЕКЦИЯ № 2.2

Тема: ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКОГО

ОБСЛУЖИВАНИЯ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ

ПЛАН:

1.  Основные понятия и определения

2.  Количественные характеристики надежности прифермских машин и оборудования

3.  Характеристика и законы распределения отказов

1.  Основные понятия и определения

Техническое обслуживание (ТО) представляет собой комплекс операций по поддержанию исправности и работоспособности объекта (машины, оборудования) при использовании его по назначению, а также при хранении и транспортировании.

ТО оборудования подразделяется на виды: при использовании, хранении и транспортировании.

Состояние машин (или оборудования), при котором оно соответствует всем требованиям нормативно-технической документации, называется исправным. Если состояние объекта (машины, оборудования) не соответствует одному или нескольким нормативно-техническим требованиям, то его считают неисправным.

Исправное состояние объекта неразрывно связано со всеми требованиями (основными и вспомогательными), предъявляемыми к нему в процессе эксплуатации, включая эстетичность, эргономичность, безвредность, надежность, безопасность. При использовании машин и технологического оборудования по назначению необходимо различать понятия «исправное» и «работоспособное».

Работоспособное состояние характеризуется соответствием всех параметров объекта установленным требованиям, определяющим его способность выполнять заданные функции. При определении работоспособности объекта рассматривают лишь основные свойства (или требования), а при оценке его исправности – все свойства и требования, предъявляемые к нему в процессе эксплуатации. Таким образом, если объект исправен, то он работоспособен. Однако работоспособный объект может быть неисправным.

Неработоспособное состояние обусловлено несоответствием значений одного или нескольких параметров объекта установленным требованиям нормативно-технической документации, характеризующим его способность выполнять заданные функции.

Предельное состояние объекта характеризуется тем, что его дальнейшее применение по назначению недопустимо или нецелесообразно, так как восстановление исправного или работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно. Критерием предельного состояния объекта (машины, оборудования) является признак или совокупность признаков, установленных нормативно-технической документацией.

Дефект – отдельные несоответствия объекта установленным нормативно-техническим требованиям, которые могут вызвать повреждение или неисправность. Различают критические, значительные и малозначительные дефекты объекта. К малозначительным дефектам относят дефекты внешнего вида и отделки машин (оборудования), а также дефекты, не приводящие к выходу объектов из строя или к уменьшению срока их службы.

Повреждение – событие, заключающееся в нарушении исправного состояния объекта при сохранении его работоспособности. В животноводстве
при оценке функционирования машин и оборудования поточных линий как биотехнических систем, включающих в свой состав биологические звенья (животных), необходимо учитывать повреждения, приводящие к нарушению работоспособности физиологического звена, а следовательно, к потере работоспособности и исправного состояния биотехнической системы в целом.

Отказ – событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния машин и технического оборудования ПТЛ. Критерием отказа объекта служит признак или совокупность признаков его неработоспособного состояния, установленных нормативно-техническими документами.

Таким образом, переход объекта из исправного состояния в неисправное осуществляется вследствие дефектов. Если объект переходит в неисправное, но работоспособное состояние, то это происходит из-за повреждений. Переход объекта в неработоспособное состояние происходит вследствие отказов.

Различают внезапные, постепенные, независимые, зависимые, производственные, эксплуатационные и другие отказы машин.

Внезапные отказы объектов (машин, оборудования) характеризуются скачкообразным изменением одного или нескольких параметров, что неразрывно связано с неожиданной концентрацией нагрузок (причин, условий), превышающих допустимые пределы. Прогнозирование момента возникновения внезапного отказа практически невозможно, так как процесс его появления носит случайный характер. Физический смысл появления внезапного отказа сводится к сравнительно быстрому количественному изменению того или иного параметра, в результате которого происходят качественные изменения элемента и теряются свойства объекта, необходимые для его нормального функционирования. К внезапным отказам относятся неожиданные поломки и сбои при функционировании объекта.

Постепенный отказ характеризуется наличием закономерного изменения одного или нескольких параметров объекта за время, предшествующее моменту возникновения отказа. Этот отказ можно прогнозировать с высокой вероятностью на достаточно небольшом интервале времени или наработки объекта. Постепенные отказы зависят главным образом от длительности эксплуатации и являются неизбежным результатом износа и старения машин (оборудования).

Перемежающийся отказ объекта (по ГОСТ 27.002-83) представляет собой многократно возникающий сбой одного и того же характера. В данном случае под сбоем понимается самоустраняющийся отказ, приводящий к кратковременному нарушению работоспособности объекта.

Независимый отказ элемента объекта (или биотехнической системы) не обусловлен зависимостью от отказов других элементов, а зависимый отказ обусловлен повреждением или отказом другого элемента этого же объекта.

Конструкционный, производственный и эксплуатационный отказы обусловлены нарушениями установленных правил и норм при конструировании, производстве и эксплуатации машин и технологического оборудования.

В животноводстве для безотказного функционирования ряда машин и особенно поточных линий как биотехнических систем, включающих в свой состав биологические звенья (животных), необходимо исключить случаи повреждения системы.

Изнашивание – процесс постепенного изменения параметров объекта, обусловленный действием механических, тепловых и коррозийно-механических износов, определяемых режимами и условиями эксплуатации. Старение – процесс непрерывного изменения параметров объекта в течение срока службы, происходящий и в нерабочее время. Этот процесс обычно именуют физическим старением объекта. Под моральным старением понимают несоответствие машины или поточной технологической линии современному уровню науки и техники или новым технологическим требованиям.

Надежность – свойство объекта выполнять заданные функции при сохранении первоначальных технических характеристик во времени в пределах установленных допусков. При изменениях технических характеристик, превышающих допустимые пределы, происходит переход объекта в неработоспособное состояние.

Требуемый уровень надежности закладывается при проектировании оборудования и машин, обеспечивается в процессе их изготовления и поддерживается в условиях эксплуатации.

Безотказность представляет собой свойство машин и оборудования непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторой наработки. Здесь под наработкой понимается объем или продолжительность работы объекта.

Безотказность машин и оборудования определяется следующими показателями: средней наработкой до отказа, вероятностью безотказной работы, интенсивностью отказов (для невосстанавливаемых изделий), параметром потока отказов (для восстанавливаемых объектов) и др.

К восстанавливаемым (или ремонтируемым) объектам относятся машины и технологическое оборудование, для которых проведение восстановления (или ремонта) предусмотрено нормативно-технической (или конструкторской) документацией. Для невосстанавливаемых (или неремонтируемых) объектов (или изделий) проведение восстановления (или ремонта) не предусмотрено в нормативно-технических документах. Невосстанавливаемыми могут быть, как правило, агрегаты, приборы, детали машин и оборудования, например, тарелки сепараторов, молотки дробилок, прокладки, приводные ремни, сменные элементы фильтров, шланги, подшипники и др.

Долговечность – свойство машин и оборудования сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

К основным показателям долговечности машин (оборудования) относятся: средний ресурс, средний срок службы, гамма-процентный ресурс и др. Средний ресурс и средний срок службы объектов определяется математическим ожиданием, а гамма-процентный ресурс – наработкой, в течение которой изделие не достигнет предельного состояния с заданной вероятностью, выраженной в процентах.

Ремонтопригодность – свойство машин и оборудования, выражающееся в их приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений и неисправностей, а также к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем проведения ТО и ремонта.

Основными показателями, характеризующими ремонтопригодность объектов, являются вероятность и среднее время восстановления работоспособного состояния.

Сохраняемость – свойство машин и оборудования сохранять значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в течение и после хранения и транспортирования. К показателям сохраняемости объектов относятся средний и гамма-процентный сроки сохраняемости.

Таким образом, существующие стандарты недостаточно регламентируют надежность биотехнических систем и биологических звеньев, в силу чего требования эргономики, экологии, безопасности и безвредности производственного обслуживания животных нередко остаются вне поля зрения при оценке надежности машин (или поточных линий) и качества их функционирования в эксплуатационных условиях. Поэтому в задачу курса «Машины и оборудование в животноводстве» как научной дисциплины входит разработка основ теории надежности и методов ее обеспечения применительно к функционированию биотехнических систем.

2.  Количественные характеристики надежности машин и

оборудования

При выборе показателей надежности машин и оборудования животноводческих ферм исходят из таких предварительных предпосылок: машины и оборудование животноводческих ферм являются ремонтируемыми, эксплуатируются до физически предельного состояния в непрерывном режиме, доминирующей оценкой последствий отказа является вынужденный простой. Оценка надежности такого оборудования может быть произведена по показателям ремонтопригодности: среднему времени восстановления, коэффициенту готовности и коэффициенту технического использования.

Для ремонтируемого изделия среднее время восстановления (вынужденного регламентированного простоя) – ТВ, вызванного отыскиванием и устранением одного отказа, на основании статистических данных определяется по формуле

, (1)

где т – число обнаруженных и устраненных отказов;

tВi – время восстановления (на отыскание и устранение) отказа.

Комплексным показателем надежности объекта, учитывающим одновременно безотказность и его ремонтопригодность, является коэффициент готовности. Численно коэффициент готовности КГ равен отношению времени работы машины до первого отказа к суммарному времени работы и устранению отказа. Коэффициент готовности в стационарном случае (в установившемся режиме эксплуатации) находят по уравнению

, (2)

где Т – наработка на отказ в периоде от наработки t1 до наработки t2;

ТВ – среднее время восстановления изделия.

Наработка на отказ – среднее значение наработки ремонтируемого изделия между отказами. Если наработка выражена в единицах времени, может применяться термин «среднее время безотказной работы».

Наработку на отказ определяют по уравнению

, (3)

или приближенно , (4)

здесь (t2 – t1) – период наработки от t1 до t2;

– среднее число отказов до наработки t1;

– среднее число отказов до наработки t2;

N – количество изделий, за которыми проводились наблюдения;

– характеристика потока отказов до наработки t1;

– характеристика потока отказов до наработки t2.

Параметр потока отказов – среднее количество отказов ремонтируемого изделия в единицу времени, взятое для рассматриваемого момента времени.

На практике часто бывает так, что после некоторой наработки t0 функция H(t) становится линейной и приобретает вид

H(t) = H(t0) + w(t – t0), (5)

где w = const.

В этом случае период до t = t0 называется периодом приработки.

Параметр потока отказов:

- точное уравнение , (6)

- приближенное уравнение , (7)

где Dt – достаточно малый промежуток.

Для оценки надежности машин и технологического оборудования часто пользуются дополнительным комплексным показателем – коэффициентом технического использования – отношение наработки в единицах времени за некоторый период эксплуатации к сумме этой наработки и времени всех простоев, вызванных техническим обслуживанием и ремонтами за тот же период эксплуатации

, (8)

где tс – суммарная наработка за рассматриваемый промежуток времени;

tпр – суммарное время простоев на плановых и внеплановых ремонтах;

tТО – суммарное время планового и внепланового технического обслуживания.

Например, за время испытаний вакуумного насоса до наработки tс = 2880 ч было зарегистрировано 26 отказов (т). Суммарная длительность простоев на ремонте вакуумного насоса составила tпр = 73 ч, а суммарные простои на техническом обслуживании tТО = 133 ч. Коэффициент технического использования для данного примера будет равен

.

3.  Характеристика и законы распределения отказов

При работе машин на животноводческих фермах наиболее часто возникают поломки и естественные износы следующих деталей:

-  у транспортеров для уборки навоза типа ТСН – поломка скребков, износы соединительных осей и планок, обрыв скобы для крепления скребка к цепи, обрыв анкерных болтов, износ оси поворотного устройства и контактов магнитных пускателей;

-  у транспортеров для раздачи кормов – обрыв цепи, поломка скребков, износ осей, планок и зубьев шестерен редуктора;

-  у вакуум-насосов – износ лопаток ротора, отверстий корпуса, срыв резьбы под болты крепления крышек и крепления насоса к плите, износ торцовых плоскостей корпуса и ротора, крышек и гнезд под шариковые подшипники, прогиб вала ротора, износ стенок пазов ротора, полумуфт насоса и электродвигателя;

-  у сосковой резины – трещины, разработка присоскового отверстия, удлинение больше нормы, изменение упругости.

Надежность машин при эксплуатации достигается квалифицированным техническим обслуживанием, рациональной системой ремонтов, обеспечением запасными частями, а также сбором и анализом эксплуатационной информации.

Эксплуатационная информация состоит из статистических сведениях об отказах и неисправностях, о наработке на отказ и простоях, о расходе запасных частей и рекламациях.

Законы распределения как постепенных, так и внезапных отказов позволяет определить теория вероятностей.

Постепенные отказы возникают неизбежно в процессе эксплуатации, так как любое изделие подвержено износу и старению. Срок наступления постепенных (износовых) отказов можно увеличить путем усовершенствования конструкций, выбора более износостойкого материала, более точного изготовления, а также путем своевременных профилактических мер: смазки, регулировки, замены изношенных элементов.

Процесс постепенного изменения любого параметра изделия происходит постоянно, и до тех пор, пока эти изменения не выходят за допустимые пределы, изделие продолжает сохранять свою работоспособность. Когда износ и старение приведут к выходу параметров изделия за пределы, обеспечивающие нормальное выполнение им заданных функций, произойдет отказ.

Например, новый вакуумный насос РВН-40/350 при вакууме 0,48‑0,5 кгс/см2 должен иметь производительность не менее 40 м3/ч. В процессе эксплуатации в результате износа ротора, пластин, пазов и крышек производительность насоса уменьшается, при уменьшении производительности на 25% (до 30 м3/ч) вакуумный насос не обеспечивает нормальную работу доильной аппаратуры, поэтому он должен быть заменен новым или отремонтированным.

Внезапные отказы в большинстве случаев возникают в результате перегрузки машин, усталости металла, нарушения правил эксплуатации, дефектов монтажа и др. Внезапный отказ может произойти и при постепенно нарастающих износовых отказах, если не будет профилактической замены близких к предельному износу элементов.

Внезапный отказ – случайное событие, вероятность которого не равна единице или нулю.

Постепенный отказ является неизбежным закономерным результатом износа и старения любого изделия, и поэтому он должен обязательно произойти, т. е. вероятность его равна единице. Однако срок службы изделия до постепенного отказа (момент возникновения постепенного отказа) является случайной величиной.

Для распределения внезапных случайных отказов наиболее близко подходит так называемый экспоненциальный закон, а для постепенных, износовых отказов – нормальный закон распределения.

Экспоненциальный закон, которому подчиняются внезапные случайные отказы, показывает, что если определенная наблюдением наработка на отказ Т и заданное время работы изделия t равны, то вероятность его безотказной работы в течение этого t времени будет составлять всего около 0,37, это значит, что из 100 изделий, проработавших в течение заданного времени, можно ожидать безотказной работы только 37 изделий, а остальные 63 изделия в течение этого времени будут иметь хотя бы по одному отказу.

На рис.1 показан график экспоненциального распределения отказов изделия, имеющего наработку на отказ Т = 100 ч. Из графика видно, что если взять заданное время работы изделия t = 100 ч и наработку на отказ Т = 100 ч, то вероятность безотказной работы будет 0,37. Для повышения вероятности безотказной работы нужно уменьшить заданное время работы изделия. При заданном времени работы изделия t = 10 ч, т. е. при Т/t = 10, вероятность безотказной работы будет 0,9. Расчеты показывают, что при T/t = 100 вероятность безотказной работы повышается до 0,99 и при T/t = 1000 до 0,999. Поэтому практически расчет вероятности безотказной работы проводится всегда для заданной наработки значительно меньшей, чем определенная в результате наблюдений наработка на отказ.

Вероятность безотказной работы одного изделия в течение определенного времени зависит от количества в нем элементов и вероятностей безотказной работы каждого элемента. При последовательном соединении элементов и отсутствии резервных элементов вероятность безотказной работы изделия определяется зависимостью

, (9)

где Ризд(t) – вероятность безотказной работы изделия;

Р1(t), Р2(t), …, Рп(t) – вероятность безотказной работы отдельных элементов изделия.

Если все элементы имеют одинаковую вероятность безотказной работы, то

, (10)

где Р(t) – вероятность безотказной работы одного элемента;

п – число элементов в изделии.

Отказы изделий в процессе их работы имеют 3 периода (рис.2): приработочные ‑ I, износные – II и внезапные III.

В первый период происходит приработка элементов. Этот период характеризуется большими значениями отказов, которые после приработки достигают минимальных значений.

Во втором периоде изделие нормально работает, интенсивность отказов устанавливается на минимальном уровне и имеет постоянное значение. В этот период происходят только внезапные отказы.

В третий период возникают внезапные и износные отказы, интенсивность износных отказов быстро возрастает. В этот период надежность изделия определяется износными отказами. Вероятность возникновения износных и постепенных отказов подчиняется нормальному закону распределения и зависит от «возраста» элемента.

Нормальный закон распределения имеет два параметра: среднюю арифметическую и среднее квадратическое (или стандартное) отклонение s.

Средняя арифметическая означает средний срок службы элемента или изделия и есть частное от деления суммы измеренных значений на число слагаемых этой суммы, т. е. на количество испытаний (опытов)

, (11)

где – средняя арифметическая из N испытаний;

х1, х2, …, хп – отдельные измеренные значения наблюдаемой величины;

N – количество проведенных испытаний.

Среднее квадратическое отклонение (стандарт) служит мерой рассеяния отказов относительно среднего срока службы, его вычисляют по формуле

. (12)

Для сравнения различных вариационных рядов и выборочных наблюдений стандартному отклонению придают относительное значение, выраженное в процентах к среднему арифметическому, называют это значение коэффициентом вариации (изменчивости) и вычисляют по формуле

. (13)

Изменчивость вариационного ряда принято считать незначительной, если коэффициент вариации не превышает 10%, средней – от 10 до 20%, значительной – выше 20%.

На рис.3 изображена кривая нормального распределения. Из математического анализа свойств кривой известно, что 68,26% всех наблюдаемых явлений (например, отказов) расположены в полосе ± s; 95,45% наблюдаемых явлений расположены в полосе ± 2s; 99,73% наблюдаемых явлений расположены в пределах ± 3s, т. е. почти все наблюдаемые явления (в нашем случае это будут износовые отказы) попадают в диапазон, равный шести средним квадратическим отклонениям.

Рассмотрим пример практического использования закона нормального распределения. Допустим, что при испытаниях какого-то изделия, вычисления показали, что средний срок службы его наименее надежного элемента равен 600 ч, а среднее квадратическое отклонение s равно 160 ч.

Если произвести профилактическую замену элементов через время работы изделия, равное , т. е. через 440 ч работы изделия [600 – 160], то элемент проработает 73,3% [440/600] от своего среднего срока службы, а вероятность возникновения износового отказа изделия будет равна 15,87% [(100 ‑ 2×34,13)/2]. Вероятность безотказной работы будет равна 84,13% [100 ‑ 15,87].

При назначении профилактической замены деталей через время работы изделия , т. е. через 280 ч [600 – 2×160], элемент проработает 46,6% [280/600] от своего среднего срока службы, а вероятность возникновения износового отказа изделия будет только 2,28% [(100 – 2×47,72)/2]. Вероятность безотказной работы будет составлять 97,72% [100 – 2,48].

Если назначить профилактическую замену деталей через время , т. е. через 120 ч работы, то элемент проработает только 20% [120/600] от своего среднего срока службы, а вероятность возникновения износового отказа изделия будет равна всего 0,135% [(100 – 2×49,86)/2]. Вероятность безотказной работы будет составлять 99,865% [100 – 0,135], т. е. практически 100%.

Из приведенного примера видно, что вероятность износовых отказов тем меньше, чем меньше срок работы изделия между профилактическими заменами деталей.

Какой срок работы принять между профилактическими осмотрами и заменами деталей, зависит от назначения изделия, условий его работы и количества деталей в нем.

Для машин сельскохозяйственного назначения и машин животноводческих ферм сроки между профилактическими заменами деталей принимают равными и .