CC BY
9
УДК 62-192
ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ МАШИНЫ БЛОЧНО-МОДУЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ
М.С. Муздыбаев
Восточно-Казахстанский государственный технический университет им. Д. Серикбаева, Усть-Каменогорск, Казахстан
ЯШ . ... * ' I .
Дается оценка надежности машин блочно-модульной конструкции, а также предлагаются меры по обеспечению повышения прочности и выносливости деталей машин
Блокты-модульдi цурылымды машиналарга сен1мд1Л1к багасы 6epiiedi, сонымен цатар машиналар детальдер! твзшдшг! мен oepiKmieiH
Ш'< жетшд1руд1 цамтамасыз ету шаралары усынылады.
The work estimates the reliability of building block construction machines, as well as suggests measures of providing the rise of reliability and durability of machines parts.
Повышению надежности машин всегда уделялось повышенное внимание. Однако в настоящее время возникла необходимость в обеспечении конкурентоспособности машин на основе высокой надежности их конструкции. Как показал анализ ранее выполненных работ, повышение прочности и выносливости деталей машин без учета технико-экономических факторов в сфере эксплу атации не позволяет обеспечить их высоку ю надежность и конкурентоспособность. В частности, возрастает их металлоемкость, снижается эффективность. При этом в сфере эксплуатации по причине нерентабельности отсутству ет производственная база для реставрации деталей различными технологическими способами. Таким образом, сформированы предпосылки для создания такой конструкции машин, компоновка которых в случае отказа позволяла бы быстро заменять отдельные узлы и агрегаты. При этом на момент замены они должны иметь минимальный остаточный ресурс.
Рассмотрим некоторую техническую систему, состоящую из конечного числа подсистем и элементов. Пусть каждая подсистема представляет собой функ-
циональный модуль, состоящий в свою очередь из элементов и (или) групп элементов, объединяемых в некоторый блок. Для систематизации основных понятий под модулем предложено понимать некий агрегат, представляющий совокупность взаимодействующих элементов, самостоятельно выполняющий назначенные функции по преобразованию (сохранению) энергии. Тогда блоком следует именовать механизм (узел) как совокупность взаимодействующих элементов, предназначенных для передачи энергии без ее преобразования либо управления процессом ее передачи. На основе системного подхода каждый из таких модулей и блоков можно рассматривать самостоятельно как некоторую техническую систему.
Предложен ряд конструктивных и функциональных требований, которым должен отвечать каждый конструктивный модуль и блок. Они могут служить основой для создания машины блочно-модульной конструкции. Главное достоинство указанных требований заключается в реализации системного подхода к созданию машин, которым будет присуще:
- полная унификация отдельных конструктивных компонентов машины -позволит повысить количество вариантов компоновки машины из унифицированных блоков и модулей;
- повышение удобства монтажа и демонтажа технической системы их унифицированных блоков и модулей - упрощается технологический процесс сборки и разборки машины;
- сокращение времени изъятия и установки отдельною блока или модуля -повышается ремонтопригодность машины при условии отсутствия необходимости ремонтировать сам блок либо модуль.
С одной стороны это существенно упрощает производство машины с позиций унификации ее компонентов. Существенное расширение модельного ряда машины достигается на использовании принципов комбинаторики при базировании на едином (типовом) несущем элементе (платформе). Разработка подобного модельного ряда является менее дорогостоящим, что позволяет снизить себестоимость разработки и производства машины. С другой стороны, это позволит существенно повысить коммерческу ю привлекательность машины за счет расширения гаммы моделей по критерию комплектации в соответствии с функциональным назначением, повысить универсальность машины как шасси, способного трансформироваться с использованием дополнительных компонентов (модификации машины с заменяемыми рабочими органами).
При условии обеспечения высокой надежности конструктивных модулей и блоков сокращается объем эксплуатационных затрат на под держание работос-
- . Юности машин. Унификация блоков и модулей упрощает технологию мон-
- .-.-демонтажных работ и облегчает техническое содержание машин. От-_ :•: необходимости ремонта блоков и модулей позволит от необходимости .. --ер жать дорогостоящую ремонтную базу на предприятиях в сфере эксплуа-
з_;ни Кроме того, обеспечение высокой безотказности и равной долговечнос-
- : локов и модулей с ресурсом машины при условии отказа от их ремонта
- золит достичь высокой надежности машины и обеспечить ее высокую кон-
- - эснтоспособность.
Для задания требований к надежности блоков и модулей машины необходи-> читывать характер ее технического содержания в эксплуатации. При экс-
- зтации машин блочно-модульной конструкции неизбежно возникнет поток - ■аюв блоков и модулей, требований ремонта с целью восстановления рабо-
- способности машины путем их замены. Целесообразно отказаться от обяза--,.:ьной процедуры ремонта самих блоков и модулей. Это позволит сократить г .монтные работы, снизить потребность в технологическом оборудовании.
Условно примем, что блоки и модули состоят из деталей сопоставимой дол-: ^вечности с минимальной разницей значений наработок до отказа. Предложе-
- о называть их деталями равной долговечности. Тогда при отказе одной из деталей блока или модуля все остальные детали находятся в предотказном состоянии. Ремонтировать такой блок или модуль экономически невыгодно. Дос--аточно будет обеспечить технологический процесс замены отказавших блоков и модулей. В таком случае эксплуатационные предприятия могут не иметь комплексную, дорогостоящую, высокотехнологичную базу, необходимую для зыполнения ремонтных работ, а также не содержать высококвалифицированный персонал ремонтников.
Известно, что при каждом разъединении деталей существу ющих агрегатов узлов) нарушается характер сопряжения их приработанных поверхностей. В период ввода агрегата в эксплуатацию после ремонта неизбежен новый процесс приработки сопрягаемых поверхностей замененных и попутно извлекавшихся деталей, сопровождающийся их интенсивным износом. С позиций обеспечения долговечности агрегатов и узлов машин, а также снижения затрат на поддержание их эксплуатационной надежности важно сократить до минимума количество разборочно-сборочных работ.
Предложено формировать безотказность отдельно взятого блока (модулей) на основе оценки ресурсных показателей входящих в него элементов. С учетом того, что функциональная модель безотказности блока (модуля), как правило. представляет собой техническую систему из М последовательно соединенных элементов, то средняя наработка блока на отказ оценивается по извес-
тной формуле [1]
=]р&№ =]х\Р>,Ш1 (!)
о о -г
где Рд.(г) - вероятность оезотказнои раооты i элемента 7 блока.
Тогда средняя наработка системы из N блоков на отказ будет определяться как
ПП^.С2)
о »-Г о 1-Г )-Т —
При этом средняя наработка системы на отказ оценивается формулой
где ои(0 - ведущая функция потока отказов технической системы \2\.
где ад~и) - ведущая функция потока отказов / элемента] блока.
С учетом предлагаемой модели обеспечения сопоставимой долговечности деталей рассматриваемого блока с целью его замены в сборе значение ведущей функции потока отказов блока будет равна значению ведущей фу нкции потока отказов наименее надежной детали блока
- • (5)
При этом средняя наработка блока на отказ будет равна г - ' 1
Установлено, что чем выше качество каждого из элементов блока, тем меньше рассеивание ресурсов блока. Для снижения величины недоиспользованного остаточного ресурса деталей блока необходимо максимально повысить концентрацию ресурсов деталей в окрестностях среднего значения. Теоретически это достижимо путем повышения стабильности технологии изготовления и сборки блоков. При этом блок, имеющий собственные ресурсные показатели, сам является элементом по отношению к вышестоящему иерархическому делению технической системы на подсистемы и элементы.
Поскольку ресурсные показатели блока (модуля) могут отличаться друг от друга, то с целью сокращения количества демонтажных операций и разъединений приработанных пар сопряженных деталей, блоки должны иметь рационально заложенный ресурсный потенциал. Блоки деталей, расположенные на более глубоком уровне разборки машины либо агрегата (модуля), должны иметь больший по величине ресурс. С учетом дискретности количества ремонтов, ресурсы глубже расположенных блоков должны иметь средний ресурс больше в це-
":«. число раз по отношению к ближайшему поверхностному уровню разборки ¿грегзта (модуля), машины.
Последовательность технологических уровней разборки предполагает, что наименьший ресурс более глубоко расположенного блока должен быть равен .".ибо быть больше самого долговечного блока поверхностного уровня в г раз. Причем на каждом уровне разборки агрегата (машины) целесообразно обеспечить равный ресурс блоков. Это позволит су щественно сократить количество ре чонтов технической системы и снизить затраты на поддержание ее надежности. Тогда ресурс блоков каждого следующего ] уровня разборки машины "а дет кратен ресурсу наиболее безотказного блока, расположенного на первом уровне разборки машины
_ _ к
(6)
......> " •••
Поскольку ресурсные показатели отдельных блоков и модулей на одном технологическом уровне разборки машины могут отличаться, то их следует объединять в группы блоков совместных замен. При объединении подобных блоков в группу совместных замен во внимание следует принимать ресурсный фактор. Эффективность использования каждой системы замен блоков и модулей, а также выявление оптимальной РТР производится на основе оценки затрат Сля(г) на поддержание эксплуатационной надежности машин в функции продолжительности их использования г
^(0 = 1^(0, (7)
где Ст Д) - затраты на устранение отказа г блока (г'=1 ...Ы).
Для определения затрат, связанных с заменой г блока, предложено использовать выражение вида
0, (8)
где ¡(0 - ведущая фу нкция потока отказов г блока.
Величина Сотг - это средняя стоимость устранения отказа, определяемая с учетом стоимости блока, расхода материалов, трудовых затрат и средней стоимости компенсации простоя машины при у странении отказа
оли, " «л, + ^ мая, + ^ярул, + прост, • (9)
При условии неизменности технологии ремонтных работ расход материалов С для конкретного вида отказа можно считать условно постоянной величиной. Однако предлагаемый широкий выбор материалов в условиях рыночной экономики также предполагает введение дифференцированного учета их стоимости.
Поскольку устранение отказа есть технологический процесс, определяемый техническими условиями еще на стадии создания изделия, то трудовые затраты для устранения отказа следует определять исходя из технологической сложности и трудоемкости работ с учетом квалификации привлекаемых исполнителей на ремонтных постах и специализированных участках как
Стру6, = 5постТпост, (Ю)
где в „оап, - стоимость 1 чел-ч, постовых работ при замене г-й детали, тенге/ чел-ч,
тпocmi - трудоемкость, постовых работ при замене г-й детали, чел-ч.
8 - - стоимость 1 чел-ч, участковых работ при замене г-й детали, тенге/ чел-ч,
Т , - трудоемкость, участковых работ при замене г-й детали, чел-ч.
С учетом предлагаемого сокращения ремонтных работ по восстановления работоспособности снимаемых сборочных единиц (узлов) в виде конструктивных блоков регламентированной долговечности при определении стоимости трудовых затрат следует учитывать только трудоемкость постовых работ
^ труд,- = ^пост, ^ пост, • • | '
Регламентируя способ и технологию восстановления работоспособности машины путем быстрой замены легкосъемных блоков и модулей становится возможным сократить трудоемкость постовых работ. При этом в состав экономии войдет стоимость участковых работ и часть стоимости постовых работ
ЬС^у*. - ^„Дг,«»,, + , ,:. . ■. (12)
Организация ремонтных работ характеризуется не только трудоемкостью ремонтных работ, но и условиями транспортировки машины к месту ремонта, а также временем ожидания ремонта. При этом необходимо учесть дополнительную составляющую, обусловленную требованием рыночной экономики - штраф (пеня), отражающую ответственность подрядчика за срыв принятых по контракту обязательств.
Тогда стоимость простоя машины в ремонте будет определяться как
^ прост, ** ^прост, ^пост, ^уч1 ^ транс, ^ож, ) * транс, ^транс, ^ штраф, (13)
где 8прост{ ~ стоимость 1 часа простоя машины при замене г-й детали, тен-ге/ч
Тож. - продолжительность ожидания ремонта машины при замене 1-й детали*4, . .. ■
^ транс; ~ стоимость 1 часа транспортировки машины к месту ремонта тенге/ч,
г транс г ~ продолжительность транспортировки машины к месту ремонта, ч,
С штраф г~ стоимость штрафа (неустойки по контракту), тенге.
учетом использования неремонтируемых блоков и модулей появится эко-- - времени простоя машины на участковых работах. При этом стоимость к V леясации простоя машины составит
•л* ~ ^»рост (^"иоси, + Т транс, + ) ^транс, * транс, + (14)
При этом дополнительная экономия составит
ЛС^-б^г^. • (15)
Тогда выражение (7) примет вид
^(О-^С^Й^О. (16)
В соответствии с технико-экономическим методом определения оптимальной долговечности машин [2] определяется минимум суммарных удельных затрат С ы и соответствующий ему оптимальный ресурс 1ат. При этом уровень надежности машины [3] равен С..
п =
н
" ■ (17)
Прйэтом выражение для оценки минимума суммарных удельных затрат Суо я.п [2] примет вид
С »С
- Сл = (18)
опт /-3 щ
где Тно. - средняя наработка г блока на отказ за период эксплуатации ?ппт.
Для повышения уровня надежности машин необходимо оптимизировать распределение совокупных затрат на изготовление машины и на поддержание ее надежности. Выражение вида (18) в прямом виде отражает связь суммарных удельных затрат С^Д) по рассматриваемой технической системе с безотказностью ее блоков. При этом из анализа формулы следует, что чем выше значение Тно., тем меньше затрат потребуется на восстановление работоспособности машины при замене г блока. Таким образом, прогнозируемые значения затрат на восстановление работоспособности машин неразрывно связаны с безотказностью и долговечностью каждого ее блока либо модуля.
При этом детали блоков с избыточной долговечностью можно заменить другими с величиной наработки не менее чем средняя наработка блока на отказ. Высвобождаемые при таком подходе средства можно инвестировать в недостаточно долговечные детали. При этом появляется возможность выбора более качественных сортов материалов, более эффективных методов их обработки. Принято допущение, что объем высвобождаемых средств будет равен объему инвестиций в улучшение надежности деталей. В таком случае стоимость изготовления машины не изменится. Но будут сокращены затраты на подцер-
жание надежности машины в эксплуатации. В результате суммарные удельные затраты C\Jt) будут снижаться.
Таким образом, принцип повышения надежности машины блочно-модуль-ной конструкции состоит в обеспечении сопоставимой (условно равной либо кратной) долговечности деталей в составе каждого из ее модулей и блоков, минимизации трудоемкости их замены, а также сокращения остаточного ресурса входящих в состав блока элементов. При этом появляется возможность значительного упрощения констру кции блока и ее более компактного исполнения, т.к. нет необходимости обеспечивать удобство выполнения демонтажа самого блока после его снятия с машины.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гнеденко Б.В. Надежность и эффективность в технике: Справочник. В 10 т., Т. 2.: Математические методы в теории надежности и эффективности / Под ред. Б.В. Гнеденко. М.: Машиностроение, 1987, 280 с.
2. ГОСТ 27.002-89 Надежность в технике. Общие понятия. Термины и определения. ,,
3. Шейнин A.M. Основные принципы у правления надежностью машин в эксплуатации. М.: Знание, 1977, Ч. 1,68 е., 4.2,43 с.
