ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 3, 2010
НАДЕЖНОСТЬ, ПРОЧНОСТЬ, ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ МАШИН
И КОНСТРУКЦИЙ
УДК 62.192
© 2010 г. Труханов В.М.
МЕТОДЫ ПРОДЛЕНИЯ СРОКОВ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДОРОГОСТОЯЩИХ ОБЪЕКТОВ
Рассмотрены теоретические и практические методы продления сроков эксплуатации дорогостоящих объектов специального машиностроения. Получены расчет-но-аналитические выражения для определения вероятности безотказной работы на основе запасов прочности, износостойкости, коррозионной стойкости и другим критериям. Описаны экспериментальные методы продления сроков эксплуатации по результатам испытаний и дефектации узлов, механизмов, сборочных единиц. Представлен вероятностный метод расчета работоспособности изделия в течение продленного срока эксплуатации на основе фактического технического состояния элементной базы.
Существующие методы продления сроков эксплуатации дорогостоящих объектов специального машиностроения проводят по эксплуатационной документации, в которой предусматривается ежегодное продление после установленного срока. В эксплуатационной документации также указаны сроки проведения среднего и капитального ремонта.
Однако, в связи с тяжелой экономической ситуацией в стране, ставится задача продления сроков эксплуатации дорогостоящих объектов специального назначения до двух—трех, установленных в документации гарантийных ресурсов или сроков службы. Решение поставленной задачи актуально и требует уточнения известных методов.
Завершающим этапом жизненного цикла дорогостоящих объектов является продление сроков эксплуатации с допустимым уровнем надежности. В качестве составляющих методов следует назвать расчетно-аналитический, экспериментальный и вероятностный.
Продление сроков эксплуатации дорогостоящих сложных технических систем типа подвижных установок специального назначения является одной из важнейших задач. Решение этой задачи состоит в том, чтобы на продленном сроке эксплуатации сохранить на допустимом уровне установленные в нормативной документации на объект технические и эксплуатационные характеристики, в том числе и количественные показатели надежности. При решении этой задачи используют выше перечисленные методы.
Расчетно-аналитический метод основывается на теоретических положениях и расчетах ресурса и долговечности по критериям прочности, износостойкости, коррозионной стойкости и другим критериям по фактическому техническому состоянию изделия на момент продления сроков эксплуатации.
В качестве допущения к этому методу необходимо нестационарный процесс изменения параметров системы в период всего жизненного цикла заменить набором стационарных процессов путем непрерывного уточнения расчетных параметров, практически не изменяющихся на каждом отдельном участке.
По расчетному значению коэффициентов запаса и коэффициентов вариации вычисляют квантиль, а по ней определяют вероятность безотказной работы по таблице для нормального закона распределения [1]
Р = Ф (ыр), ыр = п - 1
Jïnvï)
2 2 + V2
где ир — квантиль функции нормального распределения выбирают из таблицы для нормального закона распределения [1]; п — коэффициент запаса прочности, износостойкости, коррозионной стойкости и т.п.; V! = ст1/т1 — коэффициент вариации прочности, износостойкости, коррозионной стойкости и т.п.; V2 = ст2/т2 — коэффициент вариации действующей нагрузки, влажности, температуры и т.п.; т!, — математическое ожидание и среднеквадратическое отклонение прочности, износостойкости, коррозионной стойкости и т.п.; т2, ст2 — математическое ожидание и среднеквадрати-ческое отклонение нагрузки, влажности и температуры.
Необходимо отметить, что коэффициенты вариации прочности, износостойкости, коррозионной стойкости и т.п. на каждом участке отличаются друг от друга и со временем возрастают.
Аналитические выражения квантилей для определения вероятности безотказной работы изложены в работах [1, 2]. В качестве примера приведем вычисление квантиля при изнашивании трущихся поверхностей
Up = ( n - 1 ) /J?
2 2 2
^p = ( n — I I / . If
где n = A/lut — коэффициент запаса по износу; = a1/I — коэффициент вариации интенсивности изнашивания; I, — среднее значение интенсивности изнашивания и его среднее квадратическое отклонение; vA = ah/A — коэффициент вариации размера детали; A = — ^ред — при уменьшении размера; A = ^ред — — при увеличении размера (зазора); — начальное значение размера; ^ред — предельное значение размера; и — скорость относительного перемещения трущихся поверхностей; t — время работы трущихся поверхностей.
Этот метод используется как в проектном расчете надежности, так и при продлении сроков эксплуатации сложных механических, гидромеханических, гидравлических систем и устройств, например редуктора с гидромотором привода домкрата, в котором предусматривают все перечисленные методы расчета запасов. При коэффициента запаса равном 1,4 и более работоспособность обеспечивается с вероятностью не менее 0,999.
В случае неподтверждения достаточных запасов элементы и узлы подвергают обязательной замене в предлагаемые сроки по нормативно-технической документации. С целью обеспечения заданных выходных технических характеристик в условиях продления сроков эксплуатации расчетным путем определяют необходимость замены материалов и комплектующих элементов на более долговечные.
Экспериментальный метод основан на анализе фактического технического состояния материалов, элементов, узлов и изделия в целом после истечения установленного гарантийного срока эксплуатации или назначенного срока службы.
Суть метода состоит в том, что после истечения гарантийного или установленного гарантийного срока эксплуатации или назначенного срока службы сложной техниче-
ской системы, разработчик определяет необходимость выбора не менее двух систем с мест, где их эксплуатировали в более тяжелых условиях. На выделенных системах проводят испытания на функционирование в объеме двух—трех установленных гарантийных сроков. Затем проводят демонтаж основных составных частей (сборочный единиц, узлов, пультов и другого оборудования) и проводят проверку их на функционирование в составе стендов с замерами выходных технических параметров и делают отметку о фактических значениях параметров в техническом паспорте или формуляре. После этого сборочную единицу, узел или пульт подвергают разборке и дефектации каждого элемента с замерами геометрических параметров, а также технических и эксплуатационных параметров (например выходного тока или напряжения электронного элемента, мощности двигателя, времени развертывания и т.д.).
Если ни одна из систем, работающих в самых неблагоприятных условиях, не выработала назначенный срок службы, а для других систем требуется продление, то в этом случае продление проводят по результатам количественных значений выходных параметров, полученных после функционирования объекта в объеме второго или третьего гарантийного ресурса.
По результатам фактического технического состояния элементов и узлов разрабатывают мероприятия, направленные на увеличение ресурса как отдельных элементов, узлов и сборочных единиц, так и системы в целом. Эти мероприятия выполняют одновременно в процессе производства по извещениям на изменения конструкторской, технологической и эксплуатационной документации, а в местах эксплуатации по бюллетеням на всех изделиях. Мероприятия, направленные на увеличение ресурса могут быть конструкционного, технологического и эксплуатационного характера. Конструкционные мероприятия чаще всего связаны с заменой менее стойких материалов к внешним воздействиям на более стойкие для разных климатических зон. Так для систем, работающих в условиях низких температур, используют материалы более выносливые к низким температурам (например металлоконструкции следует изготавливать из спокойных сталей, использовать в узлах и механизмах низкотемпературные рабочие жидкости и т.п.). Для изделий, работающих в условиях высоких температур и тропического климата, выбирают материалы стойкие к термитам, а в сопряжениях трущихся поверхностей увеличивают зазор, в узлах и механизмах используют высокотемпературные рабочие жидкости и т.п.
Мероприятия технологического характера направлены на улучшение технологического процесса в части увеличения стойкости поверхностного слоя материала к изнашиванию, коррозионному воздействию, кавитации и т.п.
Мероприятия эксплуатационного характера направлены на уточнение эксплуатационной документации в части сокращения числа отказов, вызванных нарушением инструкции эксплуатации. Например при выполнении наиболее ответственных операций функционирования системы необходимо в инструкции по эксплуатации предусмотреть особые знаки внимания и поместить их в виде таблички непосредственно на рабочем месте оператора, выполняющего эту работу.
Разработанные мероприятия по результатам исследования технического состояния, отобранных из эксплуатации систем, выполняют на всех эксплуатируемых системах по бюллетеням и одновременно внедряют в производство по извещениям на изменение. Последовательность проведения работ по продлению сроков эксплуатации представлена на рисунке.
По результатам экспериментально выполненных работ дополнительно рекомендуется сделать вероятностный расчет по оценке работоспособности изделия в течение продленного срока эксплуатации.
Вероятностный метод расчета работоспособности изделия в течение продленного срока эксплуатации с учетом фактического технического состояния элементной базы основан на вероятностных расчетах показателей надежности, установленных в технических условиях. Для металлоконструкций, механических узлов, трущихся поверхностей и т.п. расчеты надежности проводят по запасам прочности и их отклонениям.
Рисунок. Последовательность проведения работ по продлению сроков эксплуатации.
При продлении сроков эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры рассматривают различные виды резервирования, а также устанавливают в эксплуатационной документации требующиеся сроки переосвидетельствования или обязательной замены соответствующих элементов и узлов.
При вероятностных расчетах рекомендуется использовать методику
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.