обеспечения безотказности на этапе проектирования и конструирования

Известно, что уже при проектировании и конструировании закладывается та или иная безотказность изделия. При этом кон­структор осуществляет расчеты характеристик безотказности для прогнозирования работоспособности и обоснования предлагаемого к изготовлению варианта изделия, для выбора комплектующих техни­ческих средств, для осуществления способов резервирования элемен­тов с недостаточной надежностью и т.д.

Многочисленные характеристики безотказности сложных тех­нических систем, какими являются, например, машины, обычно оп­ределяются поэлементно, а потом уже синтезируются в итоговый ре­зультат.

Для определения характеристик безотказности работы элемен­тов машины, т.е. ее деталей, все детали машин разделяют на три груп­пы: детали тяжело нагруженные и изнашивающиеся (группа А), дета­ли основные (группа Б) и детали вспомогательные (группа В).

К деталям группы А относятся те детали, рабочая функция ко­торых состоит в передаче мощностей или в том, чтобы служить опора­ми для движущихся нагруженных деталей. Их называют также актив­ными. Эти детали в процессе работы машин подвергаются износу. Вследствие износа происходит изменение размеров и формы, качества рабочих поверхностей. К деталям этой группы можно отнести различ­ные подшипники, детали зубчатых, червячных и фрикционных пере­дач, валы, оси, детали механизмов движения и т.п.

Детали группы Б обеспечивают правильное расположение де­талей первой группы и их взаимодействие. Эти детали могут быть названы также основными или опорными. К деталям этой группы от­носятся станины, фундаментальные рамы, блоки цилиндров, крон­штейны, стойки и т.д.

К деталям группы В относятся различные детали вспомогатель­ного назначения, служащие для управления машиной и обеспечения нормальной работы деталей первых двух групп.

Безотказность технических изделий зависит от правильного выбора материала для отдельных ее деталей. Назначение материала для деталей машин зависит от ряда факторов, а именно: от величины и характера силовых нагрузок, от химической активности среды, в ко­торой работают детали, от рода и вида трения поверхностей сопряжен­но работающих деталей. При этом приходится учитывать особеннос­ти каждого из рассматриваемых материалов, в частности: изменение физико-механических свойств при работе в условиях низких или высоких температур; усталость и ползучесть (деформируемость при эксплуатации); старение материала и многое другое. При выборе ма­териала существенное значение имеют его технологичность обработ­ки и стоимость, так как достижение необходимой надежности не долж­но обходиться слишком дорого.

Конструкция изделия, например машины, должна быть по воз­можности наиболее простой, т.е. она должна состоять из наименьшего количества деталей. Это повышает безотказность машины. Конструк­ция машины также должна быть технологичной для сборки и разбор­ки. Она должна обеспечивать доступ к отдельным ее элементам для наблюдений за их работой и для обслуживания (смазка, регулировка, замена, ремонт). Технологичность конструкции способствует повыше­нию качества сборки, влияние на характеристики надежности работы машины.

На этапе проектирования и конструирования часто решается вопрос необходимости использования метода резервирования машины. Резервированием называют эффективный способ повышения без­отказности путем параллельного включения в систему машины резерв­ных (дополнительных) элементов, способных в случае отказа основ­ного элемента выполнять его функции.

В общем случае надежность так называемой неизбыточной сис­темы машины, т.е. системы, для исправной работы которой необходи­ма исправность всех входящих в нее элементов, определяется как про­изведение вероятностей безотказной работы всех элементов системы. Конструкция такой технической системы состоит из последовательно соединенных элементов (рис.5). Поэтому вероятность безотказной работы машины как системы, элементы которой соединены (в надеж­ностном смысле) последовательно, имеет вид:

n

P_n (t) = ∏ P_i (t), (13)

i=1

где Pi (t) — вероятность безотказной работы г-го элемента за наработку времени t;

n — количество элементов в системе.

Рис.5. Схема последовательного соединения элементов системы

Из равенства (13) следует, что утрата работоспособности лю­бого элемента последовательной системы приводит к отказу всей сис­темы. Надежность изделия с последовательным соединением его фун­кциональных элементов относительно невелика.

Пусть, например, изделие с последовательно соединенными че­тырьмя элементами имеет показатели безотказности работы первого, второго и четвертого элементов, равные 0,9, а третьего — 0,5. Общая безотказность такого изделия, в соответствии с (13), равна 0,36.

В последовательных системах элементы системы могут обладать различной безотказностью. Надежность такой системы всегда меньше надежности самого ненадежного элемента. Основным конструктивным способом устранения «слабых» мест в технических системах с после­довательным взаимодействием их элементов является резервирование элементов с недостаточной надежностью.

Существуют следующие методы резервирования: общее резер­вирование, раздельное (поэлементное) резервирование и комбиниро­ванное (смешенное) резервирование.

Общим называется такое резервирование, при котором парал­лельно подключаются идентичные системы. При этом одна из систем (включающаяся первой) считается основной, а остальные — резервны­ми. На рисунке 6, а показана схема общего резервирования.