Конструктивные методы обеспечения надежности.

Один из важнейших этапов создания высоконадежных объек­тов — разработка конструкторской документации, на основании которой изготовляют опытные образцы. Обеспечение надежности сложного технического изделия начинается с момента разработки и согласования технического задания. В нем задают количе­ственные показатели надежности, которые должны быть под­тверждены результатами испытаний к началу серийного произ­водства изделия.

При разработке эскизного и технического проектов предвари­тельно оценивают надежность объекта, выбирают оптимальный ва­риант конструкции, создают и испытывают макетный образец и от­дельные элементы изделия.

В процессе разработки рабочего проекта уточняют показатели надежности, разрабатывают конструкторскую документацию, из­готавливают опытные образцы, составляют программу испытаний, испытывают экспериментальные образцы на надежность, коррек­тируют документацию для подготовки производства.

Основные направления повышения надежности сельскохозяй­ственной техники при ее конструировании: оптимизация конст­руктивных схем машин; выбор долговечных материалов деталей и их рациональное сочетание в парах трения; обеспечение надлежа­щей конфигурации деталей и достаточной жесткости и устойчивос­ти к вибрациям базовых деталей машин; обеспечение надлежащей герметизации подвижных и неподвижных соединений деталей ма­шин; создание оптимальных условий работы пар трения (нагрузка, скорость) при наименьших потерях на трение; обеспечение опти­мальных температурных режимов работы соединений и агрегатов, а также надежных условий смазывания трущихся поверхностей; со­здание эффективных устройств очистки воздуха, топлива и масел, резервирование отдельных элементов машины и др.

При конструировании машин одни элементы соединяют после­довательно, а другие — параллельно. Большинство элементов трак­торов, автомобилей и сельскохозяйственных машин соединено последовательно.

С точки зрения надежности, если отказ одного элемента приводит к отказу всей системы, такое соединение элементов называют последовательным.

Вероятность безотказной работы системы с последовательно со­единенными элементами в течение времени t

, (1)

где n – число элементов в системе; P_i(t) – вероятность безотказной работы i-го эле­мента в течение времени t.

Для определения вероятности безотказной работы системы не­обходимо определить вероятности безотказной работы каждого элемента и их значения перемножить. В связи с тем, что вероятность безотказной работы каждого элемента меньше единицы, при боль­шом числе элементов вероятность безотказной работы системы значительно ниже вероятности безотказной работы каждого эле­мента, входящего в систему. На рисунке 2 показана зависимость вероятности безотказной работы системы P_c(t) от числа n и вероят­ности безотказной работы элементов P_i(t) при условии, что все вхо­дящие в систему элементы равнонадежны.

Повысить надежность системы можно путем снижения числа элементов или повышения вероятности их безотказной работы. Например, если система состоит из 100 элементов с вероятностью безотказной работы каждого элемента P_i(t) = 0,9, то вероят­ность безотказной работы такой системы

P_c(t) = 0,9¹⁰⁰ = 0,00026.

Если же вероятность безот­казной работы элемента повы­сить до P_i(t) = 0,999, то Р_с(t) = 0,999¹⁰⁰ = 0,912.

Чем проще конструктивная схема машины или механизма, тем выше ее надежность при равной вероятности безотказ­ной работы элементов.

По уравнению (1) опреде­ляют вероятность безотказной работы систем с внезапными отказами. Для систем же с по­степенными отказами при ис­пользовании этого уравнения получают заниженные резуль­таты. Это объясняется тремя обстоятельствами. Во-первых, в отличие от кривой P_c(t) (рисунок 3), связанной с внезап­ными отказами, кривая P_c(t), связанная с постепенными от­казами, не начинается с t = 0. Имеется участок нечувстви­тельности t₀, на котором вероят­ность безотказной работы эле­мента P_i(t) = 1 и системы P_c(t) = 1. На участке t₀ отказов не возникает. Это легко понять, так как, несмотря на рассеивание ин­тенсивности изнашивания или меры повреждения при усталост­ном разрушении, нельзя предста­вить, чтобы изделия были настолько некачественными, чтобы сразу же в начале работы деталь достигла предельного состояния или пол­ностью исчерпалась бы ее несущая способность в результате устало­стного разрушения. При наличии зоны нечувствительности на уча­стке t₀ любые перемножения вероятностей безотказной работы эле­ментов обеспечивают вероятность безотказной работы системы, равную единице.

Рисунок 2 – Зависимость вероятности безот­казной работы системы P_c(t) от числа n и вероятности безотказной работы элемен­тов P_i(t)

Рисунок 3 – Интегральные кривые безот­казности систем с внезапными (1) и по­степенными (2) отказами

Во-вторых, нечеткость определения предельных показателей. При достижении предельного показателя деталь часто может еще некоторое время работать. Предельный параметр имеет некоторую свою зону нечувствительности.

В-третьих, если элемент системы отказал, достигнув предельно­го состояния одной из деталей, то при его разборке осматривают смежные детали и при опасности возникновения отказа их заменя­ют или ремонтируют.

Поэтому вероятность безотказной работы системы с постепен­ными отказами целесообразно определять по вероятности безот­казной работы худшего элемента, т. е.

P_c(t) = Р_imin(t),

где P_imin(t) – вероятность безотказной работы худшего элемента, входящего в систему.

Материалы деталей и их рациональное сочетание в соединениях выбирают на основе двух требований: получения заданной долго­вечности и невысокой стоимости. При выборе материала каждой конкретной детали учитывают условия работы, вид изнашивания, возможность применения термической, химико-термической и других видов упрочняющей обработки, требования точности обра­ботки, шероховатости поверхности и т. д. Долговечность большин­ства деталей сельскохозяйственной техники определяется их сопротивляемостью изнашиванию, особенно при воздействии абра­зивных частиц.

Большая группа деталей (коленчатые валы, поворотные цапфы и др.) подвергается воздействию циклических и динамических нагру­зок. Поэтому к материалам таких деталей наряду с высокой износо­стойкостью предъявляются требования высокой усталостной проч­ности и ударной вязкости.

К материалам зубчатых колес, подшипников качения и скольже­ния, кулачковым валам, крестовинам карданных валов и диффе­ренциалов предъявляются требования высокой контактной устало­стной прочности, к материалам деталей, образующих с другими де­талями неподвижные разъемные соединения (посадки подшипни­ков качения и др.), - высокой фреттингостойкости.

Перспективными материалами для деталей сельскохозяйствен­ной техники считают: для производства корпусных деталей (блоки цилиндров, головки блоков и др.) – низколегированные чугуны и алюминиевые сплавы; для коленчатых валов – модифицирован­ные чугуны и сталь 45ГРФЕ; для зубчатых колес и шлицевых ва­лов – низколегированные цементируемые стали 25ХГТ, 25ХГМ, 20ХСНТ, 20ХГН2МБФ и 18ХНТФ; для шатунов – сталь 40ХАФ; для различных валов – среднеуглеродистые низколегированные закаливаемые стали 38ХНСХ, 45ХНМФА, 50ХФАШ и др.

От формы детали зависят ее прочность, износостойкость, жест­кость и теплоотвод. Особое внимание следует уделять форме дета­ли в местах галтелей, канавок и надрезов с целью снижения кон­центрации напряжений при воздействии динамических и цикли­ческих нагрузок. Изменением формы коленчатых валов, головок блоков цилиндров, клапанов и других деталей были устранены де­фекты и повышен ресурс двигателей типа ЯМЗ. Путем увеличения размеров отверстий в головке блока цилиндров двигателей ЗМЗ-24 была улучшена циркуляция охлаждающей жидкости и устране­ны задиры гильз цилиндров. При изменении овальности юбки поршня этого же двигателя получена хорошая приработка поршня к цилиндру.

Зазоры или натяги в соединениях деталей устанавливают расче­том, по соответствующим аналогам и уточняют эксперименталь­ным путем. Для выбора оптимального зазора необходимо прово­дить экспериментальные исследования. При замене, например, сталебаббитовых вкладышей на сталеалюминиевые, установке ар­мированных поршней со вставками, клапанов с натриевым охлаж­дением потребовалось изменить зазоры в соответствующих под­вижных соединениях.

Достаточная жесткость и устойчивость к вибрациям базовых де­талей (рамы, блоки цилиндров, корпуса коробок передач и задних мостов, коленчатые валы) необходимы в связи с тем, что эти детали определяют работоспособность других деталей и обеспечивают ста­бильность их взаимного расположения. Примером положительного решения получения достаточной жесткости и устойчивости к вибрациям служат конструкции блоков цилиндров двигателей типа ЯМЗ и ММЗ, изготовление в одном блоке корпуса коробки передач и заднего моста трактора ДТ-75МВ. Крайне недостаточная жест­кость была у блоков цилиндров двигателей СМД-14, что вызвало необходимость изменить их конструкции.

Совершенствование конструкции и материалов уплотнительных устройств подвижных и неподвижных соединений имеет для долговечности сельскохозяйственной техники особое значение, поскольку она работает в атмосфере, насыщенной абразивными частицами. Попадая во внутренние полости двигателей, агрегатов трансмиссии и ходовой части, абразивные частицы вызывают ус­коренное изнашивание их деталей. Кроме того, уплотнительные устройства должны предотвращать подтекания рабочих жидко­стей, которые увеличивают их расход и загрязняют окружающую среду.

Наиболее надежны устройства для герметизации подвижных со­единений манжеты принудительного или гидродинамического действия, в которых вытекающее масло возвращается в уплотняю­щую полость винтовой поверхностью или специальными ребрис­тыми выступами у контактной кромки. Для герметизации непод­вижных соединений наиболее перспективны полимерные материа­лы в виде жидких прокладок.

Нормальные условия работы деталей при наименьших потерях на трение обеспечиваются расчетами рациональных размеров тру­щихся поверхностей, их геометрической формы и других парамет­ров. Например, поверхности подшипников скольжения рассчиты­вают на удельные нагрузки, фрикционные пары – на нагрев, рессо­ры – на усталость и т. д. Вместо подшипников скольжения стара­ются применять наиболее долговечные подшипники качения, обеспечивающие минимальные потери на трение.

Температурный режим работы соединений, сборочных единиц и агрегатов влияет на повышение их долговечности, износ деталей и форму его проявления. Температуру в узлах трения и нагрев деталей в двигателях регулируют охлаждающей жидкостью и картерным маслом, а также созданием теплоизоляционных прорезей (в голов­ках блока и на поршнях), установкой в бобышках поршней специ­альных пластинок, заполнением пустотелых впускных клапанов металлическим натрием и др.

При нанесении теплоизоляционного покрытия из диоксида циркония толщиной 0,2 мм на днище поршня снижаются макси­мальная температура поршня на 6,5 % и интенсивность изнашива­ния верхнего поршневого кольца на 20...26 %.

Надежные условия смазывания трущихся поверхностей дета­лей создают при смазывании под давлением. Таким способом сма­зывают все основные соединения двигателя. Подачу смазки под давлением и ее фильтрацию применяют в узлах трения трансмиссий. Ряд ответственных сборочных единиц ходовой части гусенич­ных тракторов также переведен с консистентной смазки на жидко­стную.

От эффективности устройств для очистки воздуха, топлива и смазки в значительной степени зависит долговечность агрегатов и машин. При комбинированной очистке масла с помощью центри­фуги и полнопоточного бумажного фильтра совместно с другими мероприятиями по улучшению очистки масла повышается ресурс двигателя на 20...25 %. Воздушные фильтры инерционно-масляно­го типа обеспечивают степень очистки воздуха до 98,3...98,8 %, двухступенчатые воздухоочистители сухого типа с эжекционным отсосом пыли — 99,6...99,9 %.

Один из методов повышения надежности сложных техничес­ких систем — резервирование, т. е. применение дополнительных средств и (или) возможностей с целью сохранения работоспособ­ного состояния объекта при отказе одного или нескольких его эле­ментов. В резервных системах при отказе одного элемента найдет­ся другой элемент, способный выполнять его функции. В таких системах создается структурная или функциональная избыточ­ность.

В резервных системах входящие в них элементы соединяют па­раллельно (рисунок 4). При этом один из элементов с вероятностью безотказной работы P_i(t) называют основным – элемент структу­ры объекта, необходимый для выполнения объектом требуемых функций при отсутствии отказов его элементов, остальные эле­менты называют резервными – элементы объекта, предназначен­ные для выполнения функций основного элемента в случае отказа последнего.

Рисунок 4 – Система с параллельно соединенными элементами: 1 – основной элемент, 2… - резервные элементы

Резервный элемент может находиться в режиме основного эле­мента (нагруженный резерв), в менее нагруженном режиме, чем ос­новной элемент (облегченный резерв), или ненагруженном режиме до начала выполнения им функций основного элемента (ненагруженный резерв).

В резервных системах создается структурная избыточность. Ве­роятность отказа такой системы снижается, поскольку отказ на­ступает только тогда, когда откажут основной и все резервные эле­менты.

Вероятность отказа системы из параллельно соединенных эле­ментов в течение времени t

,

где n – число элементов в системе.

Вероятность безотказной работы

. (2)

Если входящие в систему элементы равнонадежны, то

. (3)

Поскольку P_i(t) < 1, то при n > 1 всегда

.

Параллельное соединение элементов способствует повышению надежности системы. Такое соединение называют постоянным ре­зервированием. Оно предполагает, что резервные элементы работа­ют одновременно с основными (нагруженный резерв), поэтому их ресурс также исчерпывается во время эксплуатации.

Из этого примера видно, что вероятность безотказной работы системы с последовательно соединенными элементами хуже худ­шего элемента, а с параллельно соединенными элементами лучше лучшего элемента.

Используя вышеприведенные уравнения, можно прогнозировать ве­роятность безотказной работы агрегатов и машин на стадии проек­тирования, например, двигателя. Для этого на основе данных по на­дежности деталей и сборочных единиц прототипа принимают веро­ятности безотказной работы отдельных элементов двигателя. Дета­ли и сборочные единицы с равными вероятностями безотказной работы группируют в блоки.

Параллельное соединение элементов в тракторах, автомобилях и сельскохозяйственных машинах находит ограниченное приме­нение. Можно с некоторым приближением отнести к системам с постоянным резервированием: раздельную систему тормозов, когда приводы на передние и задние колеса действуют независи­мо; многокатковые ходовые системы гусеничных машин; скреб­ковые и грабельные рабочие органы сельскохозяйственных ма­шин; установку двух клапанных пружин и двух вентиляторных ремней на двигатель.

Наиболее часто в сельскохозяйственной технике используют ре­зервирование замещением. Под этим понимают такое резервирова­ние, при котором функции основного элемента передаются резерв­ному только после отказа основного и установки на его место резер­вного элемента. При таком резервировании ресурс резервного эле­мента не расходуется и вероятность безотказной работы системы повышается. Однако требуется определенное время на установку резервного элемента.

Если система состоит из одного нагруженного и n ненагруженных резервных элементов, то отказ системы наступит только тогда, когда откажет последний из n элементов, поскольку при отказе всех предыдущих заменяют элементы.