Методы обеспечения надежности изделий машиностроения

из строя которых приводит к катастрофе или гибели людей, на­ пример, при создании атомных электростанций, самолетов, под­ водных лодок, предприятий по выработке химических продуктов и т. д.

Требования к количественным показателям надежности воз­ растают в тех случаях, когда отказы технической системы при­ водят к большим затратам материальных средств и времени либо угрожают безопасности страны.

Под техническим конструированием понимают разработку и выпуск комплекта конструкторской документации. В комплект документации входят чертежи, технические условия, методики и программы испытаний, научно-исследовательские расчеты, эксплуатационная документация. Итогом технического проек­ тирования является комплект конструкторской документации.

В зависимости от назначения и характера выполняемых из­ делием работ комплект конструкторской документации может быть простым и состоять из чертежей, технических условий и ин­ струкции по эксплуатации. Для сложных изделий, предназна­ ченных для военного ведомства, создается полный комплект конструкторской документации, обеспечивающий изготовление, контроль изготовления и эксплуатацию изделий. Разработан­ ный комплект конструкторской документации такого типа изде­ лий подвергается анализу представителями военного ведомства и находится под непосредственным его контролем.

Техническое проектирование осуществляется на основании

технического задания, выданного заказчиком, в котором подроб­

может подвергаться изделие во время эксплуатации.

При выполнении конструкторской работы должны быть четко выработаны конструктивные цели заказчиком и руководством проекта. Затем руководство конструкторскими работами распре­ деляет различные виды работ для достижения поставленных целей внутри конструкторской организации. Ведущий конструк­ торский отдел выдает технические задания специализирован­ ным отделам по разработке соответствующих узлов, механизмов, систем, предназначенных для выполнения соответствующих функций изделием. Конструкторы при выполнении проекта ис­ пользуют свое профессиональное образование, приобретенный опыт, техническую и справочную литературу [например, Еди­ ную систему конструкторской документации (ЕСКД)], руко­ водящие технические материалы, справочники по материалам и другие документы. Вместе с тем в процессе проектирования кон­ структоры пользуются расчетными материалами специализиро­ ванного расчетно-исследовательского отдела (например, расче­ тами на прочность, кинематическими и динамическими, тепло­ выми, электрических нагрузок, расчеты от воздействия электро­

61

магнитного импульса и ядерного взрыва и т. д.). Конструктор при изготовлении опытных образцов и их испытаний обращает­ ся за помощью к специализированному отделу испытаний, в задачу которого входит составление программы эксперименталь­ ной отработки опытных образцов при различных окружающих условиях. Такой подход справедлив при конструировании как изделия в целом, так и его основных составных частей.

После разработки комплекта конструкторской документа­ ции отделом надежности проводится ее анализ и составляется расчет проектной надежности изделия. По результатам анализа и расчета отделом надежности выдаются конкретные предло­ жения ведущему конструкторскому отделу по обеспечению за­ данной надежности изделия. Откорректированный комплект до­ кументации передается опытному цеху по изготовлению изделий. В процессе изготовления и испытаний опытных образцов систе­ матически ведется авторское сопровождение в виде изменений, которые оформляются извещениями на изменения и вносятся в оригинал конструкторской документации. Под оригиналом понимается комплект конструкторской документации, выполнен­ ный на кальке, на пленке, на лавсановой основе ПН4-КТ-1 или ватмане. Все изменения, внесенные в чертежи, должны быть тщательно рассмотрены с точки зрения влияния их на основные технические характеристики изделия, а также на надежность. Процесс внесения изменений должен быть ограничен опреде­ ленным этапом испытаний, после чего разрешается вносить толь­ ко те изменения, которые непосредственно влияют на основные технические характеристики изделия.

Методы конструирования для различных отраслей промыш­ ленности имеют свои специфические особенности.

3.2. КОНСТРУКТИВНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ

СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОАВТОМАТИКИ

Конструирование систем электроавтоматики основано на соединении по схеме в определенном порядке электронных элементов. Подразделение электроавтоматики при выполнении работ распределяется по следующим направлениям: отдел, зани­ мающийся разработкой функциональных и принципиальных схем; отдел, занимающийся разработкой пультовой аппаратуры; отдел, занимающийся согласованием применения комплектую­ щих элементов, технические параметры которых в процессе эксплуатации могут отличаться от номинальных значений, за­ данных в технических условиях на эти элементы (например, завышенные температуры, увеличенная влажность, кратковре­ менные перегрузки и т. д.). В функцию группы специалистов, занимающихся комплектующими элементами, входит контроль, связанный с разрешением к применению элементов и использова­

62

нием их в нештатных условиях и режимах. Использование эле­ ментов в таких условиях и при таких режимах эксплуатации объясняется тем, что часто из-за ограничения массы и габарит­ ных размеров изделия конструктор допускает возможные крат­ ковременные перегрузки его элементов, которые бы не приводили к отказу.

Как правило, при конструировании системы электроавто­ матики с целью обеспечения высокой степени ее надежности в функциональную схему закладывается такая нагрузка элемен­ тов, при которой коэффициент нагрузки (0,54-0,6). Одно­ временно проводятся расчеты тепловых режимов в замкнутом объеме пультовой аппаратуры, и в случае превышения номи­ нального значения температуры предусматривается принуди­ тельная вентиляция или теплоотделение с помощью специаль­ ных устройств и конструкций.

Для предотвращения окисления контактной группы элеменнов в системе электроавтоматики при конструировании пуль­ товой аппаратуры (пульты, разводные коробки, блоки и т. п.) предусматривается использование уплотнительных материалов (резины), которые бы не содержали сернистых соединений, так как выделения от этих соединений вызывают сильное окисление поверхностей контактной группы, что приводит к отказу. Для предотвращения подобного типа отказов необходимо предусмат­ ривать *покрытие контактов серебром, золотом или платиной. Такой метод существенно предотвращает отказ контактной груп­ пы от окисления, но он значительно увеличивает стоимость из­ делия и используется лишь в тех случаях, когда отказ приводит к аварийной ситуации или невыполнению поставленной задачи.

Важную роль при конструировании системы электроавтома­ тики играет защита элементов от прямого попадания на них воды во время мойки изделия или дождя, а также наличие кон­ денсата внутри замкнутого объема. Для защиты элементов от прямого попадания воды на них при мойке изделия необходимо предусматривать герметизацию с помощью кожухов, козырь­ ков, чехлов, а также использовать резиновые или другие мате­ риалы для уплотнения крышек пультов, коробок, блоков. С целью герметизации разъемных соединений использовать специальные герметизированные разъемы. Удаление влажности с внутренних поверхностей блоков, пультов и поверхностей других элемен­ тов от воздействия конденсата осуществляется с помощью вла­ гопоглощающих материалов (селикогель), которые чаще всего изготавливаются в виде порошка и размещаются внутри замк­ нутой поверхности в мешочках.

Для обеспечения высокой степени надежности от перепутывания кабельных соединений при конструировании кабельной трассы необходимо применять различные штепсельные разъемы как по числу штырьков, так и по форме исполнения, а также

63

по возможности выбирать такие длины кабелей, которые бы стыковались только к нужному разъему.

Важное место при разработке функциональной схемы элект­ роавтоматики занимает способ повышения надежности за счет резервирования как отдельных элементов, так и каналов. Раз­ личные методы резервирования по-разному влияют на значения показателей надежности.

При разработке системы электроавтоматики ее надежность целесообразно оценивать критериями, основанными на оценке физических свойств технических характеристик, которые опреде­ ляют надежность функционирования системы при различных ситуациях, возникающих в процессе эксплуатации. Рассмотрим группы типовых критериев, которые используются для оценки надежности автоматической и радиоэлектронной аппаратуры:

группа 1 — критерии для оценки правильности формулиров­ ки технического задания и установления необходимости допол­ нительной его проработки. С помощью этих критериев анали­ зируют структурную, функциональную и принципиальную схемы системы электроавтоматики, а также обеспечение надежности функционирования и получения параметров, заданных в техни­ ческом задании на разработку;

группа 2 — критерии для оценки надежности и качества эле­ ментов, из которых изготавливается система электроавтома­ тики. Эти критерии определяют режимы использования элемен­ тов и влияние выбранных режимов работы элементов на надеж­ ность системы электроавтоматики;

группа 3 — критерии для оценки эффективности и достаточ­ ности принятых мер при разработке конструкции системы элект­ роавтоматики, ее блоков, пультов и т. п. для обеспечения надеж­ ной работы изделия при всех реально возможных условиях эксплуатации;

группа 4 — критерии для оценки эксплуатационных харак­ теристик и влияния этих характеристик на ее надежность.

Основа перечисленных критериев — тщательное изучение ис­ ходных данных, выдаваемых для разработки системы электро­ автоматики, анализ схем, режимов работы, конструкций, т. е. изучение физических процессов, которыми сопровождается ра­ бота систем электроавтоматики. Оценка систем с помощью кри­ териев тесно связана с проектированием, отработкой, серийным производством и эксплуатацией изделий. Анализ критериев вы­ полняется в процессе разработки и служит для того, чтобы по­ мочь разработчику найти правильные пути совершенствования разрабатываемой системы электроавтоматики. Следует отме­ тить, что рассмотренные критерии не являются исчерпывающим руководством для разработки надежной системы электроавто­ матики, но могут служить в качестве определенного направления.

64

Оценка выполнения критериев может проводиться с помощью расчетного анализа схем и конструкций, изучения результатов всех видов испытаний. По своей сути критерии надежности пред­ назначены для оценки безотказности, долговечности, ремонто­ пригодности, сохраняемости изделия на этапе разработки и вы­ даются в виде указаний по устранению недостатков и совершен­ ствованию методов проектирования.

Наряду с использованием характеристических критериев часто выявляется необходимость применения вероятностных методов оценки надежности изделия на этапе разработки. Обе группы критериев не исключают друг друга, а лишь дополняют наши сведения о надежности изделия. Вероятностные критерии позволяют дать количественную оценку надежности изделия как на этапе разработки, так и по результатам испытаний и экс­ плуатации.

3.3. КОНСТРУКТИВНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ И ПРИНЦИПЫ КОМПОНОВКИ ИЗДЕЛИЙ

Ведущим отделом по разработке изделий машинострое­ ния в конструкторском бюро является подразделение, занимаю­ щееся вопросами согласования технического задания с голов­ ной организацией или генеральным заказчиком, а также состав­ лением технических заданий и план-графиков разработки доку­ ментации отделам, занимающимся разработкой отдельных узлов и систем, входящих в состав изделия. Кроме того, в функцию ведущего отдела входит разработка несущих металлоконструк­ ций и компоновка узлов и систем на изделии. Как правило, ве­ дущий отдел укомплектовывается высококвалифицированными специалистами, хорошо разбирающимися в вопросах конструи­ рования и компоновки. В целях обеспечения надежности изделий

впроцессе проектирования можно воспользоваться критериями,

воснову которых положены физические приципы и которые ана­

логичны критериям, применяемым при проектировании систем электроавтоматики.

Так, к первой группе критериев следует отнести оценку пра­ вильности представленного технического задания и выдачу пред­ ложений по дополнительной его проработке с уточнением кон­ кретных параметров. С помощью этих критериев проводят ана­ лиз проектируемого изделия и его назначения, окружающих условий, возможности транспортирования на дальние расстоя­ ния, а также оценивают весовые характеристики изделия, без­ аварийность и надежность его функционирования при выполне­ нии поставленной задачи, срок службы, периодичность техниче­ ского обслуживания и другие технические характеристики. Все перечисленные параметры являются основой для определения

65

облика изделия и рационального размещения узлов, механиз­ мов и систем на нем.

Вторая группа критериев, обеспечивающих надежность и ка­ чество изделий, — это их материал, металл, из которого конст­ руируют силовые узлы металлоконструкций. При выборе мате­ риала силовых металлоконструкций исходят из назначения, из­ делия по условиям эксплуатации. Для стационарных изделий чаще всего используют обычные углеродистые стали для изде­ лий, работающих в условиях переменных нагрузок высокой ин­ тенсивности, — высоколегированные стали. При работе изделий в условиях низких температур применяется металл из спокой­ ных сталей. В зависимости от режимов работы изделия окружа­ ющей температуры и влажности выбирается соответствующий материал, обеспечивающий надежную работу изделия в условиях эксплуатации.

Третья группа критериев, обеспечивающих надежность ме­ таллоконструкций, — рациональное размещение узлов, механиз­ мов и систем изделия. Для подвижного транспортного средства с высокой грузоподъемностью необходимо предусматривать равномерное распределение груза по осям (например, на одну ось не должно приходиться более 12—15 т). Узлы и механизмы, работающие от привода силового двигателя, размещают вблизи выходного вала двигателя. Такое размещение обеспечивает су­ щественное сокращение промежуточных устройств.

Важное место при оценке этой группы критериев занимает удобство обслуживания отдельных узлов, механизмов и систем. В процессе конструирования изделия компоновка узлов, меха­ низмов и систем должна быть такой, чтобы доступ к их обслужи­ ванию или замене занимал минимальное время. Такая компо­ новка обеспечивает повышение коэффициента готовности изде­ лия к выполнению поставленной задачи. Вместе с тем при ком­ поновке изделия необходимо предусмотреть возможность защиты отдельных узлов, механизмов, систем от прямого попадания на них грязи, пыли, воды. Наиболее оптимальным является вариант бункерного исполнения, когда в отдельном герметизированном бункере размещается узел, механизм или система, предназна­ ченные для выполнения соответствующих функций.

При трассировке кабельной линии необходимо предусмот­ реть ее защиту от внешних воздействий — ударов, пробоев, по­ рывов. Чаще всего для этого используют металлические кожухи, которыми закрывают трассы, или размещают кабельные линии в углублении, не доступном для внешних воздействий. Кроме того, на подвижных транспортных средствах отдельные кабели не долж­ ны подвергаться трению между собой или с устройствами, рас­ положенными рядом. В этом случае должно быть предусмотрено крепление кабелей в один жгут или закрепление отдельных ка­ белей скобами на неподвижных поверхностях.

66

Особое внимание при конструировании должно уделяться компоновке трубопроводов гидросистемы. Трассы трубопроводов необходимо размещать на изделии таким образом, чтобы трубо­ проводы не подвергались трению о близко расположенные уст­ ройства, а радиусы их изгибов выбирают такими, чтобы много­ циклические нагрузки не приводили трубопровод к разруше­ нию. Обслуживающий персонал должен располагаться в местах, удаленных от трубопроводов высокого давления, на случай ава­ рии во избежание непосредственного воздействия на человека рабочей жидкости. Вращающиеся или перемещающиеся в про­ цессе функционирования узлы и механизмы закрывают кожу­ хами от возможного попадания на них посторонних предметов, а также для обеспечения безопасной работы обслуживающего персонала.

К четвертой группе критериев, обеспечивающих надежную работу силовых металлоконструкций, относятся способы конст­ руирования, благодаря которым конструкции могут выдержи­ вать возможные нештатные перегрузки. В частности, элементы в силовых узлах выполняют в виде сотовых конструкций или коробчатых перегородок, что значительно уменьшает массу конструкции и одновременно повышает ее прочность.

В закрытых полостях металлоконструкций необходимо пре­ дусматривать сливные отверстия от попавшей влаги, а также применять соответствующие покрытия внутренних поверхностей, предохраняющие от окисления и образования ржавчины.

С целью обеспечения надежности металлоконструкций свар­ ку элементов требуется проводить двусторонним швом. Для под­ тверждения правильности конструкторских решений и расчетов на прочность необходимо провести испытания с доведением опыт­ ных образцов до разрушения.

Одним из способов повышения надежности, когда это допус­ тимо с точки зрения ограничений массы, габаритных размеров и стоимости, является увеличение запасов прочности конструкции. Для случая силовых конструкций это означает, например, что нужно рассчитывать конструкцию на нагрузку 0,05 МН, в то время как максимальные нагрузки по техническим условиям со­ ставляют 0,01 МН. Важное место в повышении надежности ме­ таллоконструкций занимает контроль микротрещин, непроваров, раковин с помощью рентгена или других методов, которые долж­ ны быть заложены в сборочных чертежах.

3.4. КОНСТРУКТИВНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ И МЕХАНИЧЕСКИХ УЗЛОВ

При конструировании гидравлических систем возника­ ет ряд проблем, связанных с высокими давлениями, герметич­ ностью и загрязнениями рабочей жидкости. В процессе разра­

67

ботки документации гидравлических систем и механизмов не­ обходимо руководствоваться следующими критериями.

К первой группе критериев, обеспечивающих надежность разрабатываемых систем и механизмов, относится согласова­ ние технического задания. Разработчиками гидравлических си­ стем и механических узлов предварительно проводится анализ образцов-аналогов и на основании проведенного анализа согла­ совываются с ведущим отделом в первую очередь габаритные размеры элементов системы, для которых должно быть выделено место в составе изделия. Далее ведется согласование основных технических параметров, связанных с использованием необхо­ димых мощностей, нагрузок, моментов, давлений и т. п. Этот этап является ответственным моментом, и в нем участвуют ве­ дущие специалисты, разработчики гидравлических систем и ме­ ханизмов.

По второй группе критериев судят о правильности выбора направления конструирования. Этот этап для разработчика яв­ ляется самым ответственным периодом, когда решается судьба выбранной конструкции. Для нахождения оптимального направ­ ления рассматриваются различные варианты систем и механиз­ мов. Так, например, при разработке домкрата заданных габа­ ритных размеров и на заданные нагрузки можно из существую­ щего ряда домкратов (механические с электрическим приво­ дом, механические с гидравлическим приводом, гидравлические), полагаясь на интуицию конструктора, выбрать именно оптималь­ ный вариант. При выборе направления имеется определенная доля риска конструктора, но это и является основой основ проек­ тирования. Боязнь рисковать — большая доля неуспеха конструк­ тора. На данном этапе важно умение делать первые приближен­ ные расчеты возможных габаритных размеров, массы, динамиче­ ских нагрузок, прочности и других параметров. Следовательно, в выборе направления будущей конструкции должны принимать участие высококвалифицированные специалисты, владеющие в совершенстве вопросами анализа и сравнения, конструиро­ вания и расчета. Важнейшим стержнем в выборе направления и разработке конструкции все-таки является конструктор с его индивидуальным мышлением.

К третьей группе критериев следует отнести этап рабочего проектирования. На данном этапе проводится тщательный ана­ лиз выбранного направления конструирования с уточнением всех необходимых расчетов по прочности, динамике, размерных рас­ четов собираемости и т. д. Важное место в этой группе критериев занимает вопрос выбора материалов по изготовлению деталей и согласованию технологии изготовления. Известно, что каждому предприятию присуща своя оснащенность оборудованием, ос­ насткой, технологическими линиями. Конструктору приходится разрабатывать чертежи, исходя из условия производства и нали­

68

чия оборудования на каждом предприятии. В процессе созда­ ния рабочей документации разработчику конструкции, с одной стороны, необходимо сохранить направление выбранного вариан­ та, а с другой стороны, использовать имеющиеся возможности предприятия, на котором предполагается изготовление. Таким об­ разом, вопрос согласования рабочих чертежей является довольно кропотливым и ответственным, так как от него во многом зависит надежность будущей конструкции.

Проверка правильности выбранного направления при кон­ струировании гидравлических систем и механических узлов составляет четвертую группу критериев, обеспечивающих их надежность. Значительное место в обеспечении надежности за­ нимает изготовление деталей и сборка их в узлы, а также испы­ тание опытных образцов. Успех разработанной конструкции во многом зависит от изготовления и сборки узлов. Для обеспе­ чения правильности изготовления и собираемости разработчик конструкции должен непосредственно участвовать в этом процес­ се. Такое активное участие позволяет своевременно выявлять допущенные ошибки и принимать правильное решение по их устра­ нению.

Процесс испытаний и отработки конструкций является за­ вершающим этапом, на основании которого принимается реше­ ние о внедрении. К данному этапу должны привлекаться спе­ циалисты по планированию испытаний, составлению программы обеспечения и оценки надежности по результатам испытаний с учетом проводимых доработок.

Одним из важных методов, используемых для достижения высокой конструктивной надежности гидравлических систем, яв­ ляется конструирование трубопроводов и баллонов на макси­ мальное давление при незначительном рабочем давлении. На­ пример, трубопроводы конструируют на давление 40 МПа, в то время как рабочее давление не может превышать 10 МПа.

Для конструктора, стремящегося обеспечить высокую надеж­ ность, полезны два подхода — упрощение и стандартизация. Чем проще конструкция, тем выше надежность. Уменьшение числа деталей или типов используемых деталей представляет собой очевидный метод повышения надежности. Конструктор должен проявлять интерес к факторам инженерной психоло­ гии. Следует заботиться о том, чтобы невозможно было произ­ вести неправильную сборку.

Очень важной характеристикой высоконадежной конструкции является также возможность проконтролировать ее основные параметры, для чего необходимо их ввести в технологические паспорта для обязательного контроля при изготовлении и испы­ таниях. С целью обеспечения надежности конструкции в процес­ се эксплуатации нужно предусмотреть в документации опти­

69

мальные сроки проведения технического обслуживания, связан­ ного с периодичностью смазывания и регулирования механизмов.

В конструкциях гидравлических систем и механизмов с целью обеспечения надежности нужно, по возможности, вводить руч­ ное управление механизмами для выполнения работ в заданное время или предусматривать параллельное соединение трубо­ проводов с клапаном, включающим дублирующий трубопровод в случае отказа одного из них.

Таким образом, существует несколько методов, с помощью которых можно повысить конструктивную надежность. В каж­ дом случае эти методы необходимо всесторонне оценить, выяс­ нить ограничения, влияющие на данную конструкцию.

3.5. АНАЛИЗ НАДЕЖНОСТИ КОНСТРУКЦИИ НА ЭТАПЕ РАЗРАБОТКИ ДОКУМЕНТАЦИИ

Анализ надежности конструкции на этапе разработ­ ки документации выполняется службой надежности. Суть этого анализа состоит в следующем. На основании технического за­ дания на разработку изделия, назначения этого изделия и усло­ вий его эксплуатации, а также проведенных конструктивных проработок на стадии эскизного проекта службой надежности разрабатывается методика оценки надежности изделия на эта­ пе проектирования.

Разделы методики содержат:

введение — описание изделия, его назначение и формули­ ровку показателей надежности с заданными по техническому заданию значениями;

основная часть — функциональную схему и циклограмму ра­ боты изделия во времени в процессе эксплуатации; принципи­ альную схему для более полного понимания работы изделия с подробным описанием соединений узлов и элементов и их на­ значения; структурную схему надежности, составленную на осно­ вании функциональной и принципиальной схем работы изделия с указанием резервирования отдельных каналов, узлов, дета­ лей, а также составлением таблицы элементной базы с количест­ венными показателями надежности; расчетные формулы оценки показателей надежности, исходя из принятого закона распре­ деления отказов; справочные данные по интенсивности отказов элементов или статистические данные, полученные по резуль­ татам испытаний и эксплуатации и соответствующие отчеты, в которых они приведены; дополнительные сведения о режимах работы и условиях окружающей среды, в которых будут эксплуа­

70