книги из ГПНТБ / Сергиевский, Л. В. Наладка, регулировка и испытание станков с программным управлением учебное пособие

П р и м е ч а н и е , и — количество отказов; т — время восста­ новления в ч; р ее потери в %.

194

материалам эксплуатационного журнала составляется ве­ домость отказов, которая является исходным материалом для анализа надежности станков с системами ЧПУ.

В качестве примера приведена ведомость отказов по станкам с фазовой системой ЧПУ за один определенный календарный период (табл. 2).

Для определения среднестатистических данных по надежности станков с системами ЧПУ составляется свод­ ная ведомость отказов (табл. 3). Сводная ведомость отка­ зов составляется по материалам ведомости отказов, ма­ териал в сводной ведомости можно рекомендовать распо­ лагать по узлам, блокам и элементам однотипных станков и систем ЧПУ в соответствии с принятым разделением на подсистемы. Если анализируются узлы, блоки и эле­ менты второго уровня, то таблица и сводная ведомость составляются аналогично.

§ 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТЕРИЕВ НАДЕЖНОСТИ

Под надежностью понимают совокупность свойств изде­ лия, определяющих степень его пригодности для исполь­ зования по назначению и связанных с возможностью появления неисправностей при его эксплуатации [40]. Нарушение работоспособности станка или его элемента называется отказом. К определению отказа следует под­ ходить на основе анализа методов обслуживания и эксплу­ атации, применяемых для станков данного типа. Кратко­ временные вмешательства в технологический процесс и подналадку станка, которые регламентированы систе­ мой обслуживания (подналадка и замена инструмента, регулирование отдельных механизмов) и связаны с недо­ статочной степенью совершенства станка, не следует считать отказами станка. Профилактические работы для многих современных станков включены в нормативы технологического и межремонтного обслуживания и не являются отказами, нарушающими нормальную работу станка. Чем выше степень совершенства станка, тем меньше профилактических нарушений работы оборудования. При­ знаки (критерии) отказов рекомендуется отражать в тех­ нических условиях и паспорте на станок.

При эксплуатации автоматизированная система, ста­ нок с ЧПУ, его узлы и блоки подвергаются воздействию механических нагрузок (вибраций, ударов, ускорений) и электрических нагрузок (напряжения, электрического

тока, мощности); они работают при различных окружаю­ щих условиях (температуре, влажности, давлении). Вли­ яние указанных факторов проявляется в виде отклонений параметров системы от номинальных значений. Эти откло­ нения могут быть настолько значительными, что система становится непригодной к использованию. Когда система (узел, блок, элемент) перестает удовлетворять предъявля­ емым к ней требованиям, ее. (узел, блок, элемент) считают отказавшей.

Для оценки поведения автоматической системы (узла, блока, элемента) в эксплуатационных условиях исполь­ зуется понятие надежности, которая является одной из характеристик качества системы (узла, блока, элемента), поэтому она, как и другие характеристики системы (точ­ ность, быстродействие), должна оцениваться качественно. Особенность надежности станков с ЧПУ, как технической характеристики, состоит в том, что она рассчитывается по поведению основных параметров системы при ее эксплу­ атации.

Физическая природа внезапных отказов (не из-за износа) системы заключается во внезапной концентрации нагрузок, действующих внутри и вне системы (узла, блока, элемента). Такие внезапные концентрации нагру­ зок возникают случайно и случайность внезапных отка­ зов является лишь их непосредственно наблюдаемым следствием. Если бы эти концентрации нагрузок группи­ ровались около определенных значений времени, то их возникновение не было бы полностью случайным. Следо­ вательно, случайность проявляется в том, что события происходят неожиданно и нерегулярно. Однако если сравнивать конкретную временную зависимость, напри­ мер среднее время безотказной работы, среднее время восстановления, то для однотипных элементов и систем можно легко убедиться, что временные зависимости слу­ чайным образом колеблятся с определенным разбросом около некоторой «усредненной» величины. Когда неко­ торая совокупность системы (узлов, блоков, элементов) работает в условиях внешней среды, при которых про­ исходят внезапные концентрации нагрузок, тогда и системы будут отказывать внезапно. Число отказов, возникающих в равные промежутки времени, будет примерно одинако­ вым, если число узлов, блоков, элементов в совокупности поддерживают постоянным путем замены отказавших. Но если не заменять отказавшие узлы, блоки и элементы,

196

Рис. 89. Интенсивность отказов в функции вре­ мени эксплуатации:

] — период приработки (О — Тп)\ 2 — период нормальной эксплуатации (7^—!ГИ); 3 —

период износа {7^ —Л1)

то количество исправных элементов будет экспонен­ циально уменьшаться и число отказов в периоды равной длительноетшбудет также экспоненциально уменьшаться.

Построим кривую интенсивности отказов К в зависи­ мости от времени эксплуатации Т для очень большого количества однотипных систем. Результирующая интен­ сивности отказов графически показана на рис. 89.

Для графика интенсивности отказов характерны три области (периода).

1. Начальному периоду эксплуатации свойственны приработочные отказы, которые характеризуются в основ­ ном причинами производственными. В этот период их происходит значительное количество. Отказывают наи­ более слабые элементы со скрытыми дефектами (из-за некачественного изготовления, за счет плохой пайки, неправильного монтажа и т. п.). Продолжительность периода приработки зависит от типа узлов, блоков и эле­ ментов, входящих в систему, культуры производства

исоставляет обычно десятки, а иногда и сотни часов.

2.Период нормальной эксплуатации системы характе­ ризуется пониженным уровнем и примерно постоянной интенсивностью отказов. Отказы в основном носят вне­ запный характер. Продолжительность этого периода за­ висит от среднего срока долговечности массовых элемен­ тов системы и условий эксплуатации.

3.Заключительный период работы оборудования

(узлов, блоков и элементов) обусловлен износом и старе­ нием и характеризуется значительным ростом числа отка­ зов. Наступление периода износа и дальнейшая эксплуа­ тация оборудования без смены узлов, блоков и элементов становится нерациональной.

197

Как показывает опыт обработки статистических дан­ ных при эксплуатации различного оборудования, интен­ сивность отказов автоматизированных систем, а также отдельных узлов, блоков и элементов этих систем, не может быть аппроксимирована аналитической зависи­ мостью, соответствующей только одному теоретическому закону безотказности. Сущность статистической оценки надежности состоит в том, что на основании полученных из опыта данных по разработанным математическим ме­ тодам и законам определяют фактически возможные зна­ чения надежности с заданной точностью и достоверностью. Под достоверностью надо понимать численную величину (меру) практической уверенности получаемой оценки пара­ метра надежности при статистическом методе определе­ ния этого параметра.

При статистической оценке любого параметра надеж­ ности необходимо знать достоверные области определе­ ния параметра надежности. Если для определенного коли­ чества отказов будут указаны доверительные границы (точности оценки) интервала случайных величин, то по формулам определения параметра надежности будут опре­ делены границы максимальных и минимальных значений этих величин. В полученной таким образом области зна­ чений параметра надежности с соответствующей досто­ верностью будут заключены наиболее вероятные значения величин параметра надежности. Наиболее характерными законами безотказности для систем автоматического регу­ лирования, электронных и электрических систем, гидро­ систем и др. являются: экспоненциальный, нормальный, Вейбула, Эрланга, и гаммараспределения. Если рассматри­ ваются какая-то подсистема или отдельные ее элементы, то законы безотказности характеризуются теми же зави­ симостями. В технической литературе [24, 49], посвящен­ ной вопросам надежности, рассмотрены все эти матема­ тические зависимости подробно, мы уже ограничимся только использованием конечных результатов.

Обилие критериев надежности объясняется тем, что последняя зависит от большого числа различных факто­ ров, учесть которые каким-либо одним критерием пред­ ставляется затруднительным. Так как процесс появления отказов в аппаратуре по своей физической основе носит случайный характер, то*критерии надежности являются статистическими величинами, определяемыми на основе правил математической статистики и теории вероятности.

198

Для полной количественной характеристики основных сторон надежности используются различные критерии,

роятность безотказной работы; 2) частота отказов (число отказов в единицу времени, отнесенное к первоначальному числу поставленных на испытание элементов, систем); 3) среднее время безотказной работы; 4) интенсивность отказов (число отказов в единицу времени, отнесенное к числу элементов или систем, оставшихся в исправном состоянии к началу рассматриваемого промежутка вре­ мени); 5) наработка на отказ.

Первые четыре критерия используются главным обра­ зом для оценки надежности невосстанавливаемых изделий, но при каких-то ограничениях могут быть использованы и при оценке восстанавливаемых систем. Пятый критерий имеет смысл только по отношению к восстанавливаемым изделиям,

II.Критерии восстанавливаемости. К ним относятся:

1)вероятность восстановления; 2) среднее время восста­ новления после отказа; 3) интенсивность восстановления (количество восстановлений в единицу времени).

III.Критерии технического обслуживания. К ним

К ним относятся: 1) коэффициент использования; 2) коэф­ фициент готовности (отношение суммарного времени исправной работы ко времени восстановления, взятых за один и тот же период эксплуатации); 3) коэффициент простоя; 4) коэффициент стоимости эксплуатации.

Применительно к станкам с системами ЧПУ можно сформулировать общую методику экспериментальной оценки эксплуатационной надежности в процессе эксплуа­ тации или специальных испытаний на надежность. В про­ цессе эксперимента фиксируются все случайные величины времени безотказной работы станка и системы ЧПУ между очередными отказами, случайные значения вре­ мени восстановления после каждого отказа и общее число отказов. Если оценивается не вся система или станок, а отдельные ее (его) элементы, узлы или блоки, то обра­ ботка статистических данных ведется в том же порядке. В данной работе рассматривается только часть критериев надежности станочных систем с ЧПУ; более подробно

19Э

эти вопросы рассмотрены в работах [1, 13, 21]. По получен­ ным в процессе эксплуатации значениям определяются и рассчитываются статистические оценки показателей экс­ плуатационной надежности, такие как: среднестатисти­ ческое значение наработки на отказ, среднестатистиче­ ское значение времени восстановления, среднестатисти­ ческие значения коэффициентов восстанавливаемости и готовности и другие критерии надежности. По заданной достоверности оценки определяются коэффициенты точ­ ности. По полученным коэффициентам точности рассчи­ тываются доверительные границы для критериев надеж­ ности, такие, как наработки на отказ, время восстановле­

С учетом полученных данных строят графики и области вероятности этих величин.

§ 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАИБОЛЕЕ ВЕРОЯТНЫХ ЗНАЧЕНИЙ НАРАБОТКИ НА ОТКАЗ

Сущность эксплуатационной оценки надежности состоит в том, что на основании статистических данных об отказах по разработанным методам производится определение физически возможного значения надежности с заданной достоверностью и точностью. Для того чтобы определить характеристики надежности станков и систем ЧПУ по статистическим данным необходимо сделать ряд пред­ положений:

1) плотность вероятности времени между отказами имеет экспоненциальную зависимость;

2)восстановление работоспособности системы и станка осуществляется обслуживающим персоналом ручным спо­ собом;

3)период «приработки» станков с системами ЧПУ прошел и наступил период нормальной эксплуатации.

Экспериментальное определение характеристик на­ дежности и обработка статистических данных в этом слу­ чае значительно упрощаются.

Удобным для практики критерием надежности восста­ навливаемых систем является среднее число часов работы между двумя соседними отказами, взятыми за определен­ ный промежуток времени эксплуатации, обычно называе­ мое наработкой на отказ. Для того чтобы определить

среднюю статистическую величину наработки на отказ

200