Надежность и диагностика технологических систем

 
 
 
 
А. В. Баранов 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НАДЕЖНОСТЬ И ДИАГНОСТИКА  
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 

УДК 621.01 
ББК 34.41 
Б24 
 
 
 
Рецензенты: 
кафедра «Технология машиностроения» Государственного  
Санкт-Петербургского института машиностроения; 
зам. главного инженера ПАО «ОДК-Сатурн» 
доктор технических наук, профессор Л. Б. Уваров 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Баранов, А. В. 
Б24   
Надежность и диагностика технологических систем : учебное пособие / 
А. В. Баранов. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 148 с. : ил., 
табл. 
ISBN 978-5-9729-1660-3 
 
Рассмотрены основные проблемы надежности технологических систем, возникающие на стадии проектирования, изготовления и эксплуатации. Основное внимание 
уделено общим закономерностям потери оборудованием работоспособности. Рассмотрены методы прогнозирования надежности, модели отказов, испытания на надежность, диагностики технологических систем. Очерчен круг вопросов, которыми занимается наука о надежности машин, представлена методология этой отрасли знаний, 
рассмотрены многие коренные вопросы оценки и прогнозирования надежности, позволяющие получить экономический эффект от их применения в практике. 
Для студентов и аспирантов технических вузов. 
 
УДК 621.01 
ББК 34.41 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1660-3 
” Баранов А. В., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Введение ....................................................................................................................... 4 
1. Основные понятия и определения надежности.  
Количественные  
показатели .................................................................................................................... 6 
2. Схема формирования отказов .............................................................................. 17 
3. Повреждения в элементах системы. Классификация повреждений  
по скорости протекания процессов повреждения в станках 
................................. 22 
4. Модели параметрических отказов и прогнозирование надежности  
станка .......................................................................................................................... 27 
5. Оценка надежности сложных систем 
.................................................................. 34 
6. Система обеспечения надежности 
....................................................................... 37 
7. Диагностирование – средство повышения надежности на стадии  
эксплуатации 
.............................................................................................................. 40 
7.1. Задачи технической диагностики ................................................................ 40 
7.2. Диагностические признаки .......................................................................... 42 
7.3. Анализ диагностического сигнала .............................................................. 43 
7.4. Диагностирование сложных объектов ........................................................ 48 
7.5. Структура системы диагностирования ....................................................... 50 
8. Анализ надежности режущего инструмента ...................................................... 53 
8.1. Виды и причины отказов режущего инструмента 
..................................... 53 
8.2. Надежность режущего инструмента ........................................................... 54 
8.3. Надежность работы фрез 
.............................................................................. 59 
9. Диагностика металлорежущего инструмента .................................................... 63 
10. Диагностика формы стружки ............................................................................. 77 
11. Диагностика станков. Технологические алгоритмы диагностирования ....... 83 
12. Адаптивные системы управления ..................................................................... 92 
13. Обеспечение надежности технологического процесса на примере 
оптимизации режимов резания при обработке отверстий осевым 
лезвийным инструментом 
......................................................................................... 96 
14. Комплексное обеспечение надежности технологического процесса .......... 117 
14.1. Роль технологии в обеспечении надежности машин ............................ 117 
14.2. Надежность технологического процесса 
................................................ 123 
14.3. Остаточные и побочные явления технологических процессов 
............ 131 
Библиографический список 
.................................................................................... 143 
 
 
3 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Надежность, как всякая новая отрасль науки, переживает бурный период 
развития. В условиях технической революции практика с ее разнообразными 
запросами в области проектирования, производства и эксплуатации машин ставит перед наукой о надежности новые задачи по оты
ысканию оптимальных конструктивных решении, по прогнозированию состояния машины, диагностике, 
обеспечению работоспособности в тяжелых условиях эксплуатации и при возникновении неожиданных ситуаций. 
Наука, реагируя на эти запросы практики, модернизирует существующие 
теории, положения, предлагает новые математические модели. При этом для 
вопросов надежности особенно характерно использование самых разнообразных отраслей наук и сочетание различных методов и положений при решении 
поставленных задач. 
Наука о надежности изучает закономерности изменения показателей качества технических устройств и систем и на основании этого разрабатывает методы, обеспечивающие с наименьшей затратой времени и средств необходимую 
продолжительность и безотказность их работы.  
Эта наука на основании прогноза поведения системы разрабатывает теорию принятия оптимальных решений для обеспечения требуемого уровня 
надежности. 
Специфическими особенностями вопросов надежности являются:  
а) фактор времени, поскольку оценивается изменение начальных параметров процессе эксплуатации машины;  
б) прогнозирование поведения объекта с точки зрения сохранения его выходных параметров (показателей качества); 
в) изменение показателей качества машины во времени может быть абсолютным и относительным. 
Абсолютное изменение качества связано с различными процессами, действующими на машину и изменяющими свойства или состояние материалов, из 
которых она выполнена, за счет чего и понижаются показатели машины, и происходит ее физическое старение. 
Относительное изменение качества машины связано с появлением новых машин с более совершенными характеристиками, и ее показатели становятся более низкими по сравнению со средним уровнем, хотя в абсолютных 
значениях они могут и не измениться, то есть происходит моральный износ 
машины.            
Наука о надежности изучает изменение показателей качества машины 
под влиянием тех причин, которые приводят только к абсолютным изменениям 
ее свойств. 
Основная трудность при оценке надежности машин заключается в использовании таких методов расчета и таких источников информации об изменении работоспособности машины, которые позволили бы прогнозировать поведение машины в различных условиях эксплуатации.  
4 

Проблема надежности связана в первую очередь именно с прогнозом, так 
как констатация того или иного уровня надежности для машины, уже отработавшей свой ресурс, имеет весьма малую ценность. Особенно на ранних стадиях создания машины – при ее проектировании или при наличии опытного образца – необходимо дать оценку ее надежности в предполагаемых условиях 
эксплуатации.                                            
Наука о надежности не рассматривает вопросов достижения определенного уровня показателей качества машин: их точности, мощности, КПД, производительности – это задача других наук, а рассматривает процесс изменения 
этих показателей с течением времени.        
Наука и исследования по надежности развивались до последнего времени по двум основным направлениям. 
Первое направление, которое возникло в радиоэлектронике связано с развитием математических методов оценки надежности, особенно применительно 
к сложным системам, со статистической обработкой эксплуатационной информации, с разработкой структур сложных систем, обеспечивающих высокий 
уровень надежности.  
Второе направление, которое возникло в машиностроении, связано с 
изучением физики отказов (износа, усталостной прочности, коррозии), с разработкой методов расчета на прочность, износ, теплостойкость и др., с применением технологических приемов, обеспечивающих необходимую надежность 
машины. 
В настоящий период идет процесс взаимного слияния этих двух направлений, перенесение рациональных идей из одной области в другую и формирование на этой основе единой науки о надежности изделий.     
 
 
 
 
 
 
 
5 

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ. 
 КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ 
 
Надежность является одной из основных характеристик качества металлорежущих станков и станочных систем, так же, как и многих других машин и 
технических устройств.  
Надежность характеризует свойство данного изделия сохранять требуемые показатели качества в течение всего периода эксплуатации. 
Для оборудования особое значение имеет обеспечение его технологической надежности, которая непосредственно связана с качеством, в первую очередь с точностью, выпускаемой продукции. Поэтому надежность станков следует рассматривать как надежность машины, когда оцениваются все виды отказов, и как надежность компонента технологической системы, когда учитываются лишь те отказы, которые связаны с качеством выпускаемой продукции. 
Основными источниками отказов станка и станочных комплексов являются собственно станок (его механика и гидросистемы), электрические – электронные системы и система управления (ЧПУ). Для механических узлов по 
сравнению с электротехническими и электронными устройствами характерно 
меньшее число отказов, но большая продолжительность устранения их последствий. 
При проектировании станка необходимо так рассчитать и сконструировать станок и его основные узлы, чтобы они удовлетворяли установленным 
требованиям надежности, в первую очередь с точки зрения длительного сохранения показателей точности. 
Основные термины и определения в области надежности опираются на 
понятие работоспособности. 
Работоспособность станка по выходным параметрам оценивают путем 
сравнения области работоспособности с областью состояний. 
Область состояний – это область, в которой с заданной вероятностью 
находятся регламентированные выходные параметры станка. Область состояний является комплексной характеристикой качества станка, так как определяет 
его реакцию на внешние и внутренние воздействия. Чем меньше область состояний, тем выше начальное качество станка, а чем медленнее она изменяется во 
времени, тем выше его надежность. 
Область работоспособности – это область допустимых значений выходных параметров. Для выходных параметров, характеризующих точность станка, 
ее устанавливают, исходя из требований к точности обработанных деталей. 
Работоспособным будет станок, для которого область состояний находится внутри области работоспособности. 
Надежность – свойство объекта сохранять во времени свою работоспособность. Это сложное свойство, которое в зависимости от требований к длительности работы объекта, условий его применения и эксплуатации характеризуется в основном безотказностью и долговечностью. 
 
6 

Период времени, в течение которого работает данный объект (станок, механизм или узел), исчисляют либо в отработанных, либо в календарных часах 
(табл. 1). 
 
 Т а б л и ц а  1  
Оценка длительности работы объекта 
Время работы 
Время работы до отказа 
(случайная величина) 
Регламентированное время работы  
(детерминированная величина) 
Тр – ресурс (установленный) 
 
Тсл – срок службы (установленный) 
В отработанных часах 
(наработка) 
В календарных часах 
(время работы) 
Т – наработка  
до отказа 
Т– срок службы  
до отказа 
Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять свою работоспособность в течение некоторого времени (или наработки). В этом случае рассматривается такой период работы станка, когда не осуществляются мероприятия для поддержания его работоспособности (ремонт, смазывание, проверка состояния, регулировка и т. д.).  
Долговечность – свойство объекта сохранять свою работоспособность в 
течение всего периода эксплуатации (до предельного состояния) при установленной системе технического обслуживания и ремонта. При оценке долговечности учитываются те перерывы в работе станка, которые осуществляются в 
соответствии с системой планово-предупредительного ремонта (ППР) или при 
осуществлении ремонта по состоянию (ремонт на основе диагностирования 
фактического состояния станка). 
Период эксплуатации станка связан в основном с экономическими факторами, которые обусловливают предельное состояние объекта. Эксплуатация 
включает работу объекта (основной период), а также периоды простоев, транспортирования, хранения, ремонта и технического обслуживания, переналадки, 
монтажа. 
Предельное состояние – состояние объекта, при котором его дальнейшее 
применение по назначению недопустимо или нецелесообразно. 
Продолжительность эксплуатации станков связана как с их моральным 
(появление более эффективных моделей), так и с физическим (возрастание затрат на их эксплуатацию и ремонт) изнашиванием. Для современных станков 
средних размеров это обычно 8–10 лет эксплуатации и для более сложных и 
тяжелых станков 15–20 лет и выше. Конкретный срок службы до снятия с эксплуатации для каждого станка устанавливают на основании экономических 
расчетов. Эти расчеты опираются на сравнение затрат на изготовление станка 
Qи и его эксплуатацию Qэ с той прибылью Qп, которую дает станок при его использовании (рис. 1). Суммарная эффективность станка Q зависит от времени t  
и имеет экстремум 
 
 
 
 
>
@
t
Q
Q
t
Q
t
Q
э
и
п


 
.  
 (1) 
7 

Она связана с надежностью, так как с течением времени возрастают затраты на ремонт и техническое обслуживание станка из-за его физического изнашивания, а связанные с этим простои снижают положительный эффект от 
использования станка по назначению. Поэтому имеет место нелинейная зависимость Qэ и Qп от времени. Срок окупаемости нового станка Tок наступит при  
 
 
t
Q
t
Q
Q
п
э
и
 

, и с этого момента станок начнет давать прибыль. 
После достижения максимума Q(t) при t = Tmax эффективность станка 
начинает снижаться из-за возрастания эксплуатационных потерь, и когда прибыль и потери сравняются при t = Tпр, наступит предельное состояние станка. 
Экономически целесообразная длительность эксплуатации станка Tэ 
находится в пределах Tmax ” Tэ < Tпр. Чем выше надежность станка, тем выше 
экономический эффект от его использования и тем продолжительнее период 
его рациональной эксплуатации. 
Причины, определяющие надежность изделия, связаны со случайными 
явлениями, поэтому показатели, применяемые для оценки надежности, имеют 
вероятностную природу. 
Основным показателем надежности является вероятность безотказной 
работы Р(t) – вероятность того, что в заданном интервале времени t = T (или в 
пределах заданной наработки) отказ объекта не возникнет. Допустимая величина Р(t) характеризует степень опасности отказа, и поэтому чем выше ее значение, тем, при прочих равных условиях, машина будет работать более надежно. 
Сопряженным показателем является вероятность отказа 
 
 
t
P
t
F

 1
. При 
использовании Р(t) и F(t) необходимо указывать период времени t = T, в течение которого рассматривается работа изделия, поскольку Р и t связаны функциональной зависимостью. 
 
 
 
Рис. 1. Изменение экономической эффективности станка во времени 
8 

f
 
 
 
³
T
t
dt
t
f
t
P
 
 (2) 
 
 
где f(t) – дифференциальный закон распределения (плотность вероятности) для 
срока службы (или наработки) изделия по данному выходному параметру. 
На рис. 2, а показана схема формирования закона распределения наработки до отказа f(t) при протекании процесса, изменяющего выходной параметр 
Х во времени t. Достижение каждой реализацией Хi(t) случайного процесса Х(t) 
своего предельно допустимого значения Xmax приводит к отказу через соответствующий период времени Т. Совокупность реализаций формирует массив Т1, 
Т2, …, Тn , который определяет гистограмму, а следовательно, и закон распределения f(t). Этот закон, выраженный в интегральной форме F(t), изображен на 
рис. 2, б. 
 
 
Рис. 2. Формирование закона распределения наработки (срока службы) до отказа 
 
Закон распределения наработки до отказа в дифференциальной f(t) или 
интегральной F(t), или Р(t) формах является полной характеристикой надежности данного объекта и позволяет получить все необходимые показатели. 
Рассеяние времени работы до отказа связано с тем, что процессы, приводящие к изменению выходного параметра Х (точности, КПД, производительности, несущей способности и т. д.), проявляются как случайные функции, поскольку на данный процесс действует большое число случайных факторов (режимы работы, вариации начального уровня качества и др.). 
9 

Закон f(t) получают, как правило, статистически на основе испытаний или 
эксплуатационных наблюдений, хотя желательно получение этого закона на 
стадии проектирования. 
При известном законе распределения для заданного периода времени  
t = T можно определить вероятность безотказной работы Р(t) или, задаваясь 
значением Р(t) определить t = T. Численно значения F(t) и Р(t) равны соответственно части площади под кривой распределения f(t) до и после значения t = T. 
Показатель надежности выбирают одним из следующих способов. 
1. При высоких требованиях к надежности изделия (станка или его элементов и механизмов) задают допустимое значение Р(t) = ɀ, %, и определяют 
время работы изделия t = Tɀ, соответствующее данной регламентированной вероятности безотказной работы. Значение Tɀ называют гамма-процентным ресурсом и по нему судят о большей или меньшей надежности изделия. 
2. При обычных требованиях к надежности (когда отказ не приводит к 
тяжелым последствиям) задают ресурс изделия t = Tр, например, из условия 
необходимости проведения планового ремонта станка. В этом случае о надежности изделия судят непосредственно по значению Р(t). 
Вероятность безотказной работы изделия Р(t) за соответствующий период его функционирования t = T является основным показателем надежности. 
Однако при определенных условиях этот показатель не выполняет своих 
функций, и требуется привлечение следующих дополнительных показателей 
надежности. 
1. Если в течение данного периода времени отказы, как правило, возникают (например, легко устранимые отказы, связанные с застреванием заготовки 
в транспортном лотке автоматической линии), т. е. Р(t) ĺ 0, то характеристикой безотказности будет служить среднее число отказов :(t) в данном интервале времени от 0 до Т (так называемая ведущая функция) или параметр потока 
отказов: 
 
o
T
dt
d
1
 
:
 
Z
,  
(3) 
где Tо – наработка на отказ (средняя продолжительность работы изделия между 
отказами). 
Параметр потока отказов характеризует среднее число отказов изделия в 
единицу времени. 
2. Если за рассматриваемый промежуток времени отказы недопустимы,  
т. е. Р(t) ĺ 1, то для оценки безотказности следует принять показатель запаса 
надежности Кн по отношению к заданному выходному параметру станка Х. 
Для определения запаса надежности объекта в данный момент времени t = T1 
необходимо установить наибольшее (экстремальное) значение Хэк выходного 
параметра Х, которое он может принимать (рис. 2) при работе станка во всем 
диапазоне допустимых условий и режимов эксплуатации. 
Если предельно допустимое значение параметра Хmax ! Хэк, то запас 
надежности по данному параметру X 
10