Прикладные методы теории надежности технических объектов и технологических систем


В. П. ФЁДОРОВ, М. Н. НАГОРКИН






ПРИКЛАДНЫЕ МЕТОДЫ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ


Учебное пособие













Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 62-192
ББК 34.41
     Ф33




Рецензенты:

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии машиностроения ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», заслуженный работник высшей школы Российской Федерации Тамаркин Михаил Аркадьевич;
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры технологии машиностроения ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», почетный работник высшего профессионального образования Российской Федерации Кириллов Олег Николаевич




    Фёдоров, В. П.
Ф33       Прикладные методы теории надежности технических объектов и
     технологических систем : учебное пособие / В. П. Фёдоров, М. Н. На-горкин. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 288 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-0918-6


      Приводятся основные понятия, термины и определения в области надёжности, излагаются методы расчёта и прогнозирования показателей надёжности технических объектов, в том числе технологических систем. Рассматриваются вопросы статистического моделирования и расчёта надёжности технологических систем механической обработки поверхностей деталей машин по параметрам качества. Приводится методика построения и анализа статистических моделей формирования показателей качества деталей при проведении исследований параметрической надёжности технологических систем и определения её показателей методом статистических испытаний на основе анализа результатов машинного эксперимента над имитационными моделями.
      Для студентов, обучающихся по направлениям 15.00.00 «Машиностроение», 20.03.01, 20.04.01 «Техносферная безопасность», 27.00.00 «Управление в технических системах», а также аспирантов и специалистов, сфера деятельности которых связана с проблемами надежности.

                                                             УДК 62-192
                                                             ББК 34.41





ISBN 978-5-9729-0918-6

     © Фёдоров В. П., Нагоркин М. Н., 2022
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

            ПРЕДИСЛОВИЕ



     Цель настоящего пособия - рассмотрение основных положений и методов прикладной теории надёжности в приложении к решению технологических задач машиностроения. Она достигается адаптированным изложением основ теории надёжности в сжатом виде; рассмотрением методов и практических приёмов статистических исследований технологических систем, обеспечивающих параметры качества обрабатываемых деталей, с целью прогнозирования показателей их надёжности; наличием необходимого справочного материала, а также приведением большого числа примеров и вопросов для самоконтроля.
     Анализ литературы данной тематики показывает, что существует определённый разрыв между высокоразвитым математическим аппаратом теории надёжности и его практической реализацией при решении инженерных задач в технологии машиностроения и смежных с ней областях. Ощущается недостаток литературы, в которой рассматривались бы основные понятия теории надёжности и её математические модели, адаптированные к решению прикладных задач экспериментально-исследовательского и проектно-технологического характера. Особый дефицит учебно-методической литературы ощущается в области исследований параметрической надёжности технологических систем - актуального направления в технологии машиностроения.
     Предлагаемое учебное пособие в определённой степени должно восполнить этот пробел. Оно подготовлено на основе опыта чтения курсов лекций для студентов технических специальностей в Брянском государственном техническом университете.
     Учебное пособие состоит из введения, шести глав, заключения и приложения.
     Во введении перечислены проблемы обеспечения надёжности технических объектов, раскрыта связь надёжности с этапами жизненного цикла технического объекта, изложена основная задача теории надёжности, краткая история возникновения и развития науки о надёжности.
     В главе 1 «Показатели надёжности и методы их оценки» рассматриваются общие понятия теории надёжности, описаны состояния технических объектов, представлена их классификация. Даны определения, характеристики и взаимосвязи количественных показателей свойств надёжности (безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость). Изложены основы испытаний технических объектов на надёжность и методы статистических оценок её вероятностных характеристик.
     Глава 2 «Надёжность технических систем сложной структуры» посвящена методам расчёта и повышения надёжности сложных технических систем различной структуры по известным характеристикам надёжности их элементов

3

Прикладные методы теории надёжности технических объектов и технологических систем с учётом характера их взаимодействия друг с другом. Представлены методы расчёта надёжности систем с учетом резервирования элементов и их восстановления.
     В главе 3 «Моделирование надёжности» рассматриваются вопросы изменения показателей надёжности технического объекта на этапах его жизненного цикла. Раскрыта сущность и дана классификация методов моделирования надёжности. Кратко рассмотрены дискретные и непрерывные вероятностные модели надёжности технических систем, а также вероятностные модели внезапных и постепенных отказов.
     В главе 4 «Статистические модели надёжности» раскрыта статистическая природа потери работоспособности технических объектов и обосновано применение методов имитационного моделирования для оценки их надёжности. Рассмотрена процедура реализации метода статистических испытаний Монте-Карло. Раскрыты особенности статистического моделирования прочностной и параметрической надёжности элементов и сложных систем.
     Глава 5 «Методы построения статистических моделей для исследования надёжности технологических систем» посвящена изложению практических приёмов построения статистических зависимостей на основе экспериментальных данных. Исходя из принципа достаточности для начинающего исследователя рассматриваются условия применимости статистических методов анализа, порядок проведения первичной обработки экспериментальных данных, методы статистической проверки гипотез о законах распределения вероятностей, особенности планирования проведения и анализа результатов активного эксперимента при исследовании параметрической надёжности технологических систем обработки изделий.
     В главе 6 «Оценка параметрической надёжности технологических систем обработки изделий» даны основные понятия и определения, касающиеся технологических систем и их возможных состояний. Раскрыта отвечающая действующим стандартам методология оценки надёжности технологических систем по параметрам качества выпускаемой продукции. Представлены основные понятия и методология имитационного моделирования для оценки параметрической надёжности технологических систем. Рассмотрены прикладные вопросы диагностики технологических систем по параметрам качества и эксплуатационных свойств обрабатываемых поверхностей деталей. Представлен пример оценки параметрической надежности технологической системы обеспечения параметров качества и показателей эксплуатационных свойств поверхностей деталей соединений трения скольжения.
     В заключении проводится анализ возможностей применения и перспектив развития прикладных методов теории надёжности в исследованиях технологических систем и повышении качества продукции машиностроения.
     Приложение содержит статистические таблицы, необходимые для выполнения практических расчётов надёжности.
     Комплексность представленных материалов теоретического и прикладного характера обеспечивает возможность использования пособия в качестве

4

Предисловие

практического руководства при проведении исследований надёжности технологических систем.
     Пособие построено на основе использования стандартов и материалов, изложенных в работах [4, 11, 23, 24, 27, 30, 38, 42, 44 и др.], а также авторских исследований в области параметрической надёжности технологических систем механической обработки деталей машин.
     Пособие предназначено для обучающихся по федеральным государственным образовательным стандартам высшего образования бакалавриата, магистратуры и специалитета по направлениям 15.00.00 «Машиностроение», 20.03.01, 20.04.01 «Техносферная безопасность», 27.00.00 «Управление в технических системах» и других технических направлений, а также аспирантов и специалистов, сфера деятельности которых связана с проблемами надежности.

5

        ВВЕДЕНИЕ



     Одним из главных показателей машиностроительной продукции, является качество - способность удовлетворять запросы потребителя на всех этапах её жизненного цикла.
     Качество продукции - это комплексное свойство, включающее совокупность показателей, регламентированных рядом стандартов (например, ГОСТы, раздел 4 - система показателей качества продукции и др.). Это показатели назначения, надёжности, эргономические, эстетические, технологичности, унификации и стандартизации, транспортабельности, безопасности, экологические идр.
     Среди этих показателей надёжность является одной из важнейших характеристик изделия, так как она во многом определяет эффективность функционирования технических систем, их долговечность, безопасность и др.
     Обеспечение надёжности технических объектов при проектировании, производстве и эксплуатации - актуальная проблема машиностроения в последние десятилетия. Это объясняется следующими причинами [38]:
     1.       Значительным увеличением сложности технических устройств. Отдельные устройства включают до 10⁴-10⁶ и более элементов. Сложные системы управления ракетами содержат от 0,3 до 1,5 млн. элементов, а современными производственными системами - от 70 до 250 тыс. компонентов. Усложнение техники приводит к снижению её надёжности;
     2.       Ужесточением интенсивности режимов работы, сложностью условий эксплуатации. Для современных условий эксплуатации машин и механизмов характерны высокие и сверхвысокие скорости, температуры, давления и другие динамические воздействия. Условия эксплуатации техники характеризуются широким диапазоном температур, высокой влажностью, наличием вибраций с большими амплитудами в широком спектре частот, агрессивностью сред, в которой эксплуатируется техника, значительным уровнем радиации и др. Это может привести к росту интенсивности отказов технических объектов и их элементов в сотни и тысячи раз по сравнению с обычными условиями.
     3.       Повышением требований к качеству, точности, долговечности. Это связано с тем, что затраты трудовых и материальных ресурсов на ремонт и восстановление техники зачастую во много раз превышают затраты на её изготовление. Так, за весь период эксплуатации затраты на запасные части, ремонт и техническое обслуживание превышают стоимость нового оборудования: для машин и станков в 5-12 раз, радиотехнических изделий - в 10-12 раз, самолётов - в 5 раз, автомобилей в 6 раз, военной техники - примерно в 20 раз. До 65 % производственных мощностей некоторых отраслей машиностроения заняты ремонтом техники, выпускаемой на остальных. Около 20 % чёрных металлов ежегодно тратится на восстановление машин.

6

Введение

     4.      Возрастанием роли отдельных элементов и выполняемых функций в сохранении работоспособного состояния системы в целом. Отказ современных технических систем чреват катастрофическими последствиями, крупными техническими и экономическими потерями. Он может привести к экономическому ущербу, в сотни, тысячи и миллионы раз превышающему стоимость вышедшего из строя оборудования. Катастрофа на Чернобыльской АЭС произошла из-за отказа одной из систем контроля. Из-за отказа одного элемента стоимостью 5$, авария в системе электроснабжения в США, оставила без электроэнергии огромную часть территории на 10 часов из-за выхода из строя одного реле на распределительном щите электростанции, хотя до того подчёркивалась её надёжность.
     5.      Автоматизацией процессов производства. Отсутствие постоянного непосредственного контроля технологических процессов со стороны операторов предъявляет дополнительные требования к надёжности функционирования оборудования, в том числе систем диагностики и управления.
     Увеличение сложности и связанное с этим снижение надёжности техники сопровождается повышением требований к надёжности. Это является одним из основных противоречий в современном развитии технических систем.
     Особенностью проблемы надёжности является её связь с этапами проектирования, изготовления и эксплуатации изделия. Надёжность изделия:
     -       закладывается при проектировании и расчёте и зависит от многочисленных конструктивных особенностей технического объекта (конструкция, материалы, методы защиты от различных вредных воздействий, приспособленность к ремонту и обслуживанию и др.);
     -       обеспечивается при изготовлении (производстве) и зависит от большого числа технологических факторов: обеспечения качества изготовляемых деталей, методов контроля, степени управляемости технологическим процессом, качества сборки узлов и изделия в целом, методов испытания готовой продукции и др.;
     -       реализуется при эксплуатации. Уровень надёжности можно оценить только в процессе использования техники. Влияние на показатели надёжности оказывают условия эксплуатации (скорости, нагрузки, факторы окружающей среды и др.), режимы работы, принятые системы ремонта и обслуживания техники.
     Отсюда следует основная задача теории надёжности - выбор и реализация оптимальных технических решений при проектировании, изготовлении, транспортировке, хранении, техническом обслуживании и ремонте, которые обеспечивали бы сохранение основных технических характеристик изделий и их элементов в заданных пределах в течение необходимого промежутка времени в определённых условиях эксплуатации.
     Решение такой задачи сопряжено с трудностями теоретического и прикладного характера.
     Развитие теории надёжности как науки началось в середине 40-х - начале 50-х гг. XX в. и связано с развитием таких сложных, многоэлементных и высокотехнологичных направлений, как радиоэлектроника, ядерная физика, реак

7

Прикладные методы теории надёжности технических объектов и технологических систем

тивная авиация и космическая техника, атомная энергетика, современные производственные системы.
     Первые целенаправленные исследования в области надёжности связаны с низкой эффективностью военной техники во время второй мировой войны (1939-1945 гг.) [38]: до 60 % новых самолётов теряли работоспособность из-за многочисленных отказов; за время хранения выходило из строя 50 % электронной аппаратуры; средняя наработка до отказа электронных систем бомбардировщиков составляла всего 20 ч; до 70 % электронных устройств военно-морских судов отказывало в начальный период эксплуатации.
     В истории развития теории надёжности можно выделить следующие периоды:
     1)      до 1943 г. - в вопросах надёжности отсутствовала системность и научный подход, проблемы надёжности рассматривались эпизодически с различных методологических позиций;
     2)      1943-1958 гг. - в описании надёжности преобладали вероятностностатистические методы, моменты наступления отказов рассматривались как чисто случайные события в отрыве от причин их возникновения;
     3)      1958-1968 гг. - развитие в основном экспериментальных методов оценки надёжности, активное изучение причин возникновения отказов («физики отказов»), сбор и обработка эксплуатационной информации, разработка простейших моделей отказов;
     4)      после 1968 г. преобладающее развитие математического аппарата теории надёжности и прикладных инженерных методов. Разработаны новые требования к надежности, заложившие основу современных систем и программ обеспечения надежности, типовые методики проведения мероприятий, связанных с обеспечением надежности.
     Наука о надёжности изучает закономерности изменения показателей качества технических объектов и систем во времени и разрабатывает методы, обеспечивающие с наименьшими затрат ресурсов и времени необходимую продолжительность и безотказность их работы.
     Теория надёжности - наука экспериментальная, базирующаяся на результатах испытаний или эксплуатации ранее созданной техники. В связи с этим количественный анализ надёжности не исключает возможных ошибок, но и количественной оценкой надёжности нельзя пренебрегать при обосновании проектных решений [42].
     Основу современной теории надёжности составляют:
     1)      математический аппарат теории надёжности, позволяющий разрабатывать и реализовывать методы расчёта характеристик надёжности технических систем любой сложности;
     2)      «физика отказов» - результаты исследований физико-химических процессов разрушения, износа, старения и изменения свойств материалов и сред;
     3)      расчётные методы - совокупность методов и алгоритмов расчёта, проектирования и оптимизации конкретных видов машин и элементов.

8

Введение

     В теории надёжности наиболее развиты два основных направления исследований:
     -       вероятностно-статистическое - разработаны математические методы оценки надёжности, статистической обработки результатов испытаний и эксплуатации, разработки высоконадёжных структур технических систем, планирования испытаний, контроля и прогнозирования надёжности, совершенствования системы эксплуатации;
     -       детерминированное - в основном изучены механизмы процессов, оказывающих основное влияние на надёжность, разработаны методы расчёта на прочность и износ, разрабатываются новые технологические методы повышения надёжности материалов, элементов и технических объектов в целом.
     В настоящее время актуальным является формирование единой общей науки о надёжности технических объектов на основе слияния этих двух направлений.
     Практика показывает, что многие вопросы надёжности конкретных технических систем должны решаться с учётом специфических особенностей протекающих в них процессов и явлений. В частности, это относится к исследованию надёжности технологического обеспечения качества и эксплуатационных свойств деталей машин.
     Известно, что надёжность машин и механизмов во многом определяется эксплуатационными свойствами деталей и их соединений (износостойкость, сопротивление усталости, контактная жёсткость, фреттингкоррозия и др.), которые, в свою очередь, зависят от параметров качества поверхностного слоя деталей.
     Параметры качества и эксплуатационные свойства деталей, во многом определяющие надёжность машин, формируются на протяжении всего технологического процесса их обработки. Технологический процесс рассматривается как сложная динамическая система, объединяющая в единый комплекс оборудование, оснастку, средства контроля и управления, обрабатывающий инструмент, объекты производства и многое другое, в том числе транспорт и людей. Причём все эти составляющие находятся в постоянном движении и изменении [27]. Технологические системы (ТС) как элементы технологического процесса, представляющие его отдельные операции, характеризуются специфическими особенностями с позиций надёжности. Сложность и многообразие ТС, наличие многочисленных и разнообразных взаимосвязей создают специфические трудности в обеспечении их надёжности и вызывают необходимость дальнейших исследований в этом направлении.
     Исследования надёжности технологических систем следует при всей их специфике проводить с единых системотехнических позиций. Это позволит эффективно использовать для этой цели известные методы исследований надёжности путём их уточнения и адаптации к новым условиям применения.

9

Прикладные методы теории надёжности технических объектов и технологических систем

ш Вопросы для самопроверки

     1.      Значимость надёжности как характеристики показателей качества машиностроительной продукции.
     2.      Назовите причины важности проблемы надёжности и раскройте их сущность.
     3.      Раскройте этапы «жизненного цикла» надёжности изделия как одного из главных показателей его качества.
     4.       Сформулируйте основную задачу теории надёжности и охарактеризуйте периоды её развития.
     5.      Что изучает наука о надёжности?
     6.      Какие три составляющие являются основой современной теории надёжности?
     7.      Раскройте содержание вероятностно-статистического и детерминированного направлений исследований в теории надёжности.
     8.       Какова роль технологии изготовления в формировании надёжности изделия?
     9.      Назовите и охарактеризуйте основные составляющие динамической системы, которой является технологический процесс изготовления изделий машиностроения. Чем обусловлена динамичность этой системы?

10