Модели параметрической надежности, безотказности и технического состояния машин и оборудования лесного комплекса

В связанных сложных системах формирование выходных параметров осуществляется при взаимодействии основных элементов, которые работают как единое целое.

Для этих систем безотказная работа каждого элемента, установленная при его испытании вне системы, необходимое, но не достаточное условие для безотказной работы всей системы. Здесь работоспособные элементы оказывают побочные воздействия на другие элементы, что может привести к их отказу. Например, частица износа малоответственного узла засоряет отверстие гидропанели, выделение тепла от передач уменьшает точность позиционирования прецизионного узла и т.п. Обычно, чем сложнее система, тем большую роль играют связи между ее элементами, и в этом случае для оценки надежности необходимо рассматривать всю систему с учетом физики процессов взаимодействия и закономерностей процессов старения. В этом случае система превращается в один «элемент», который нельзя расчленять на независимые составные части.

Неправомерность рассмотрения надежности большинства механических систем как расчлененных можно проиллюстрировать даже на таком простом примере, как работа коробок передач или редукторов, передающих движение от ведущего вала к ведомому. Для определения надежности их функционирования (отказы по причине усталости или износа зубчатых передач, подшипников качения и других элементов) или параметрической надежности (возникновение вибраций, повышение шума, снижение КПД) нельзя отдельно определять вероятность безотказной работы, например зубчатых пар подшипников и затем рассчитывать вероятность безотказной работы редуктора как состоящего из независимых элементов.

Изменение состояния подшипников (их износ, деформация, изменение

условий контакта тел качения) непосредственно скажется и на условиях ра-

26

боты зубчатых пар. В этих парах возникнут дополнительные кромочные давления и возрастут динамические нагрузки, которые повлияют на их работоспособность. Поэтому данную передачу, как и другие механические системы, необходимо рассматривать как единую динамическую систему и разрабатывать математические модели, отражающие основные связи и зависимости, которые с достаточной степенью достоверности описывают происходящие процессы. Здесь широкое применение находят методы механики и динамики машин, и раскрытие сложных взаимосвязей, является предметом инженерного анализа. Во многих случаях для упрощения зависимостей, описывающих указанные связи, следует учитывать следующие обстоятельства:

  • • выбираются лишь те взаимосвязи, которые играют основную роль в формировании показателей надежности;
  • • выходные параметры являются часто независимыми;
  • • не все процессы, изменяющие работоспособность изделия, проявляются в рассматриваемый промежуток времени;
  • • последствия различных параметрических отказов изделия не равноценны и часто можно ограничиться рассмотрением лишь некоторых «ведущих» отказов.

Нельзя ставить задачу о раскрытии всех связей системы, что практически и даже принципиально невозможно, а надо разрабатывать модель, которая позволяет оценивать основные процессы, происходящие в системе и моделировать ее поведение в различных условиях эксплуатации.

В общем случае математическая модель сложной системы должна обеспечить генерирование реализации технических характеристик и на их основе расчет областей состояний выходных параметров.

При разработке математических моделей для связанных систем исследуемый объект часто представляют в виде структурной схемы. Однако, эти схемы отличаются от рассмотренных выше структурных схем для расчлененных систем тем, что здесь на основании зависимостей, описывающих

протекание процессов в отдельных агрегатах и узлах, должны быть опреде-

27

лены взаимодействия между выделенными подсистемами (элементами) и установлено влияние на систему внешних воздействий.

Кроме того, учитываются показатели, которые определяют надежность функционирования двигателя и неразрушение его агрегатов в течение заданного периода использования.

Для оценки на стадии проектирования параметрической надежности используют функциональные зависимости в соответствии с его структурной схемой, на которой прямоугольники изображают агрегаты и узлы - элементы системы, причем взаимное расположение элементов определено последовательностью их воздействия на потоки массы горючего и окислителя. Направления потоков массы и энергии на схеме указаны стрелками.

Каждый элемент, участвуя в рабочем процессе системы, испытывает воздействие со стороны соседних элементов. Степень этого воздействия математически выражается в виде функциональных зависимостей для выходных параметров элементов.

Если рассматриваемую схему видоизменить, это вызовет соответствующее изменение модели.

Помимо воздействий со стороны соседних элементов некоторые элементы технической системы подвергаются воздействию внешних факторов и управляющих команд. Влияние внешних воздействий обычно проявляется в разбросах плотностей компонентов в баках, давлений окислителя и горючего на входе в насосы, в колебаниях давления окружающей среды и т.д., а также дисперсий геометрических размеров конструкций и гидравлических характеристик дросселей, магистралей и газовых трактов.

Внешние воздействия учитывают условия эксплуатации объекта, а предельные отклонения геометрических размеров проектируемых элементов устанавливаются конструктором, исходя из технических возможностей производства.

На структурной схеме внешние воздействия обозначены поперечными

стрелками с наименованием возмущающего параметра. Внутри интервала,

28

ограниченного предельными значениями, возмущающий параметр принимает случайные значения.

Рассмотренная модель отражает совместную работу элементов лишь на установившемся режиме, не учитывает конструктивных особенностей агрегатов, содержит неточности в оценке потерь и, следовательно, не в полной мере соответствует реальной картине протекания рабочего процесса. Однако сложность реальных процессов вынуждает применять модели, которые отражают только основные характерные закономерности процесса, оставляя в стороне факторы, второстепенные для данного этапа исследования.

Неполная адекватность рассмотренной теоретической модели в некоторой степени компенсируется тем, что модель на этапе проектирования используется для сравнительной оценки различных вариантов схем. При сравнительных оценках неточность модели сказывается слабее, чем при расчетах абсолютных значений выходных параметров.

Математические модели, описывающие процесс формирования выходных параметров многих прецизионных машин, могут быть представлены в векторной форме, особенно если технические характеристики определяют точность положения и движения основных рабочих органов машины.

Это относится ко многим технологическим машинам и, в первую очередь, к металлорежущим станкам, у которых точность заданного взаимного положения заготовки и инструмента определяет качество обработанной детали. Обработка деталей заданной точности является основным назначением станка и определяет номенклатуру его выходных параметров.

Взаимное положение заготовки и инструмента описывается «размерной цепью», которая охватывает все основные элементы станка и, в первую очередь, шпиндельный узел, стол или суппорт, корпусные детали. Теория размерных цепей, разработанная профессором Б.С. Балакшиным, и развитые на ее базе точносные расчеты позволяют определить вклад элементарных погрешностей станка в формирование выходных параметров точности.

При этом вносимую станком погрешность обработки детали целесообразно определять при помощи вектора, который в неподвижной системе координат определяет положение в процессе обработки точки контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью в каждый момент времени.

Составляющие данного вектора могут быть определены по методу профессора Б.М. Базрова, когда вводятся вспомогательные координатные системы, которые строятся на технологических базах обрабатываемой детали, на основных базах шпинделя, на направляющих станины и на базовых поверхностях режущего инструмента. Затем рассматривается изменение положения этих координатных систем, которое может возникнуть из-за деформации, геометрической неточности, тепловых смещений элементов станка и других причин.

Для многих динамически нагруженных машин расчет параметрической надежности связан с оценкой колебательных процессов системы. Для этой цели широко применяют динамические модели, которые рассматривают взаимодействие всех основных частей и элементов машины. Так разработаны модели для получения характеристик колебательного процесса автомобилей, металлорежущих станков, промышленных роботов, железнодорожных вагонов, автомобильных и авиационных двигателей и многих других машин и агрегатов. Эти модели позволяют оценить выходные параметры сложных связанных систем.

Машины и оборудование в процессе эксплуатации проходят последовательную смену технических состояний. Экстремальными являются два состояния - работоспособное и неработоспособное, причем в работоспособном состоянии машина может находится на различных уровнях, характеризуемых определенным уровнем своих выходных параметров. К таким параметрам в машинах и оборудовании лесного комплекса можно отнести: погрешность обработки, шероховатость обрабатываемой поверхности, уровень шума, уровень вибраций, погрешность геометрии, расход горючего, содержание СО в отработанных газах и др.

Основная причина трансформации этих параметров и перехода машин в новое состояние - процессы средней скорости и медленно протекающие процессы. Утраченное качество восстанавливается в результате мероприятий технического обслуживания и ремонта.

Графическая интерпретациям математической модели параметрической

Рис. 1 - Графическая интерпретациям математической модели параметрической

надежности

Параметр машины a(t) в процессе эксплуатации меняется от величины а0 до атах (рис. 1). Кривая ap(t) получается путем соединения всех точек, характеризующих изменение параметра машины в начале каждого межналадочного периода, как показано в интервале Atj. В зависимости от интенсивности и характера взаимодействия медленно протекающих процессов средней скорости изменения a(t) происходит с переменной скоростью, увеличивающиеся со временем. В моменты tj, t2, ... tn парметр a(t) достигает верхнего допустимого предела атах, и машина подвергается регулировкам, дающий понизить уровень параметра до значений aj(t), a2(t), ..., an(t). Под регулировкой понимается комплекс мероприятий, позволяющих улучшить техническое состояние машин без замены или механической обработки ее элементов. Такие изменения как износ, коробление, коррозия, усталость не дают возмож-

31

ности достичь уровня параметра а0, а также уровня ap(t) качественно отрегулированной машины. Общая потеря параметра a(t) - а0 к моменту t складывается из его утраты вследствие разрегулировки и утраты обусловленной износом.

В момент времени Т дальнейшая эксплуатация машины становиться малоэффективной вследствие недопустимо малой величины атах - ар(Т), поскольку следующая регулировка потребуется через очень малый промежуток времени, в этот момент необходимо произвести ремонт машины.

Величина a(t) - ap(t) линейно зависит от времени в каждом из межрегулировочных промежутков с одинаковым для всех этих промежутков угловым коэффициентом К:

где tn_i - последний, предшествующий моменту Г, момент регулировки.

Второе допущение принятое при разработке модели, состоит в том, что в каждый момент времени скорость изменения величины ap(t) - а0, характеризующей степень износа, пропорциональна величине параметра:

где Я - коэффициент пропорциональности.

Значения коэффициентов К и Я подсчитываются по формулам

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >