Влияние внешних факторов на надежность сложных технических систем реферат
Обновлено: 02.07.2024
комплекса (климатические факторы, ударно-вибрационные факторы.
студент гр. АУЗ 562
_____________ М.С. Корнеева
"___" ___________ 2009 г.
_________доц. Геркушенко Г.Г.
"___" __________ 2009г.
Волгоград, 2009
5. Эксплуатационные факторы возникновения отказов
6. Влияние человека-оператора на функционирование информационных систем
Технические объекты в процессе эксплуатации испытывают различные вредные воздействия. Эти вредные воздействия можно разделить на субъективные и объективные
Субъективные воздействия происходят из-за неправильных действий людей. Любое, даже полностью автоматизированное устройство требует периодического осмотра и ремонта, т.е обязана подвергаться воздействию людей. При том возможны приводящие к отказам неправильные действия людей, обусловленные недостатком знания, опыта, невнимательностью, а также плохой организацией работы.
Наряду с отрицательными субъективными факторами могут действовать и положительные, например, изобретательство и рационализаторство.
Объективные действия можно разделить на две группы:
a) общие воздействия, которым подвергаются все объекты данного типа;
b) частные воздействия, которым могут подвергаться отдельные конкретные образцы.
Как общие, так и частные воздействия могут быть постоянными или переменными.
К объективным воздействиям относятся (рис. 1):
a) специальные условия работы;
b) климатические воздействия;
c) биологические воздействия.
Специальные условия работы определяются назначением и типом технического объекта. Примеры специальных условий работы: тяжелый температурный режим, тяжелый ударно-вибрационный режим, агрессивная химическая среда, ядерная радиация и т.д.
Надежность всех объектов сильно зависит от температурного режима их работы. Особенно вредно тяжелого температурного режима с ударами и вибрациями. Эти первые два вида условий работы являются основными факторами, определяющими более низкую, чем в других областях, надежность транспортируемых устройств.
Существенное влияние на надежность электронной аппаратуры оказывает ядерная радиация. Элементы этой аппаратуры могут неудовлетворительно работать в поле радиации либо из-за не посредственного влияния поля, либо вследствие изнашивания элемента в поле, либо вследствие обеих причин.
Повреждения, вызванные радиацией могут быть косвенными, т.е. радиация может создавать такие условия, при которых повреждения будут вызываться другими причинами. Например, конденсатор может повредиться при нагревании, если утечка усилилась вследствие ядерной реакции. Совместное действие многих факторов затрудняет изучение влияния ядерной реакции на надежность элементов электронной аппаратуры.
Вредное влияние климата может проявляться в основном за счет высокой или низкой температуры воздуха, повышенной влажности воздуха и различных примесей в нем.
Среди биологического фактора наибольшее значение имеет воздействие грибка (плесени), насекомых и грызунов.
Иногда резкое увеличение интенсивности отказов вызывает сочетание двух внешних воздействий, каждое из которых в отдельности оказывает относительно небольшое влияние на надежность технического объекта.
Тепло к техническому объекту может поступать двумя путями:
a) Извне – по отношению к рассматриваемому устройству источников тепла;
b) Изнутри – за счет внутренних источников тепла, например при трении механических деталей или из-за нагревания элементов электронных схем.
Значение внешнего нагрева может быть сведено к минимуму. В большинство случаев тепло, нарушающее правильное действие аппаратуры, выделяется внутренними источниками за счет рассеивания мощности в термически активных элементах. Увеличение сложности и стремление к уменьшению размеров технических устройств ведет к концентрации высоких температур.
Большое значение имеет применение стойких к высоким температурам элементов. Однако возможности использования таких элементов ограничены. Все элементы становятся ненадежными или отказывают при некоторой чрезмерной температуре, и возникает вопрос о том, как понизить температуру. Этот вопрос решается в трех направлениях:
· Сведения к минимуму выделения тепла;
· Защита наиболее чувствительных элементов;
· Эффективное удаление выделяемого тепла.
Сведения к минимуму тепла в электронной аппаратуре одновременно означает повышение электрической эффективности схемы, так как энергия, рассеиваемая внутри аппаратуры, расходуется без пользы.
Защита наиболее чувствительных элементов состоит в предельном уменьшении возможности теплообмена между активными элементами, рассеивающими тепло при работе, и термически пассивными элементами, которые тепла не рассеивают, но обычно чувствительны к температуре. Изоляция термически пассивных элементов от активны может быть осуществлена несколькими способами:
a) Пассивные элементы размещаются как можно дальше от активных. В идеальном случае пассивные элементы помещают в один индивидуальный блок, а активные в другой, находящийся в некотором расстояние от первого.
b) Между термически активными и пассивными элементами размещаются краны и перегородки.
c) В наличии локализованного рассеивания тепла в определенном месте иногда может быть применена непосредственная теплопередача от активных элементов за пределы корпуса с помощью термических отводов.
d) Охлаждающий воздух или жидкость направляется сначала через более холодные термически пассивные элементы, а затем через более нагретые активные.
К динамическим нагрузкам, испытываемым транспортируемой аппаратурой, относятся:
a) Сильные удары в начале или в конце движения объекта: при маневрировании железнодорожных вагонов происходят удары с ускорением до 40g; сильные удары испытывает аппаратура самолетов при взлете и посадке, значительные перегрузки испытывает аппаратура, установленная в автомобилях при резком торможении.
b) Умеренные или сильные периодические удары в процессе движения объекта, возникающие, например, при движении автомобиля по плохой дороге, в железнодорожных вагонах с плохой амортизацией, при пульсации тяги реактивных двигателей на самолетах и в ряде других случаев;
c) Вибрация в определенном диапазоне частот, характерная для все транспортируемых устройств.
| Вид движущегося объекта | Частота вибрации, Гц | Амплитуда при минимальной частоте, мм. | |
| Минимум | Максимум | ||
| Автомобили | 0 | 15 | 75 |
| Железнодорожный транспорт | 1 | 3 | 35 |
| Торговые суда (грузовые) | 1 | 15 | 3 |
| Боевые корабли | 0 | 15 | 2,5 |
| Вспомогательные суда ВМФ | 0 | 50 | 15 |
| Самолеты с поршневым двигателем. | 10 | 150 | 0,25 |
| Боевые самолеты (реактивные.) | 5 | 500 | 25 |
В таблице один приведены частоты и максимальные амплитуды вибраций на движущихся объектах различных видов.
Измерение вибраций показывают, что они имеют составляющие с различными частотами, комбинированными произвольно. Такую вибрацию называют случайной и рассматривают как стационарный случайный процесс. Основной характеристикой случайной вибрации является спектральная характеристика – распределение дисперсии ускорения по частотам (спектральная плотность ускорения). На спектральной характеристике по вертикальной оси откладывается спектральная плотность ускорения, а по горизонтали частота вибрации f . Спектральная плотность ускорения измеряется в единицах g 2 /Гц , где g – ускорении силы тяжести.
Защита аппаратуры от динамического воздействия осуществляется с помощью амортизаторов. Различают жесткие (противоударные) и мягкие (противовибрационные) амортизаторы.
В противоударных амортизаторах применяются работающие на сжатие упругие материалы (резина). Противоударные амортизаторы рассчитываются так, чтобы собственная частота объектов с этими амортизаторами была выше частоты возбуждающих колебаний. Опыт показывает, что применение только противоударных амортизаторов недостаточно для защиты от динамических воздействий. Вместе с тем устройства небольшой массы способны выдерживать значительные нагрузки противоударных амортизаторов.
В противовибрационных амортизаторах упругий материал обычно работает на сдвиг. Собственная частота устройства с таким амортизатором должна быть ниже частоты возбуждающих колебаний.
Тяжелый ударно-вибрационный режим объектов особенно вреден при наличии вращающихся деталей. В объектах с вращающимися деталями очень часто отказываю подшипники. Повреждения небольших шариковых и роликовых подшипников обычно возникают из-за действия ударной нагрузки, а не из-за усталости металла. Кратковременные ударные нагрузки особенно часто повреждают подшипник, когда он неподвижен или вращается медленно. При резком ударе деформация не успевает распространиться и может произойти вдавливание шариков в обойму, при этом срок службы подшипников сильно снижается. Если в процессе действия кратковременной ударной нагрузки подшипник сделает несколько оборотов, то деформация успевает распространиться по всему подшипнику и вдавливания шариков не происходит. В этом случае допустимо превышение действующей нагрузки над статической грузоподъемностью, под который понимается нагрузка на неподвижный подшипник, при деформациях меньше 0,0001 диаметра шарика. Подшипник может выдержать без повреждения довольно продолжительные нагрузки., в 6-10 раз превышающие его грузоподъемность. Однако, для надежной работы подшипника желательно, что бы допустимая нагрузка не превышала половины статической нагрузки.
Борьбу с последствиями воздействия динамических нагрузок необходимо вести не только путем защиты от них, но и путем создания элементов и систем, стойких по отношению к динамическим воздействиям.
К биологическим факторам относятся воздействия животных и растительных организмов, наносящих вред объекту. Наиболее часто биологические факторы проявляются при хранении устройства. В этот период, если не соблюдены необходимые при хранении профилактические меры, то хранящееся устройство может подвергнуться воздействию термитов, уничтожающих изоляционные материалы, каучуки, полимеры. Аналогичным образом воздействуют на техническое устройство мелкие грызуны. Большой вред для электрических и электронных систем могут принести тараканы. Они становятся причиной короткого замыкания в электрических и электронных схемах.
Многие устройства в холодное время являются источником тепла. Поэтому мелкие животные через различные отверстия могут проникнуть внутрь и стать причиной замыканий, несрабатывания, поломок и разрушения отдельных деталей.
5. Эксплуатационные факторы возникновения отказов
К эксплуатационным факторам относятся технические возможности самих устройств, технологическое оборудование для профилактических работ, а также объективные и субъективные возможности специалистов, задействованных в процессе эксплуатации устройства. К причинам, по которым могут возникать отказы в процессе эксплуатации и проведения профилактических работ, чаще всего относят:
· Несоблюдения требований эксплуатации, чрезмерно высокая интенсивность эксплуатации;
· Невыполнение требуемого объема ремонта;
· Отсутствие технологического оборудования и приспособлений;
· Слабое крепление деталей;
· Постановка нестандартных деталей;
· Отклонение от установленных размеров;
· Отступление от технологических требований;
· Личные качества исполнителей.
Первый из перечисленных факторов определяется неудовлетворительной работой специалистов или созданием сложных условий эксплуатации, как климатических, так и режимных.
На выявление скрытых дефектов тратиться много времени, отведенного для выполнения ремонтных операций. Поэтому трудно переоценить значение средств технической диагностики. Отсутствие необходимого оборудования приводит к низкой распознаваемости скрытых дефектов.Дефекты, возникающие из-за слабого крепления деталей и узлов, характерны для многих типов технических устройств. Отказы, возникающие по этой причине, происходят, во-первых – из-за отсутствия или неприменения необходимых средств контроля, во-вторых – из-за несоблюдения правил сборки. Нестандартными деталями называются такие, которые производятся не предприятием-изготовителем технического устройства, а эксплуатирующими организациями. В основном это детали механических узлов и агрегатов. Их изготовление характеризуется большим разнообразием технологических операций и непостоянством исполнителей. Вследствие этого на устройство могут быть установлены детали низкого качества. Они могут отказываться сами и быть причиной отказа других деталей. Дефекты по отклонению от установленных размеров возникают в местах соединения проводов, деталей и узлов между собой, в их расположении по отношению к друг другу и корпусу объекта. Основными причинами возникновения отказов из-за этих дефектов при исполнении монтажных работ являются несоблюдение исполнителями конструктивных размеров, определяющих взаимное расположение деталей, а также изменение этих размеров в процессе эксплуатации из-за ослабления вследствие агрессивного воздействия внешней среды. Отступление от технологических требований проявляются прежде всего в том, что на ремонтируемое техническое устройство, вопреки требованиям нормативно-технической и ремонтной документации устанавливается некондиционное оборудование.
При неудовлетворительном осмотре в период профилактических работ не выявляются скрытые дефекты, что приводит к отказам оборудования в период эксплуатации устройства. Личные качества и низкие технологические знания являются не только субъективными факторами, но и факторами, носящими социальную окраску. Вопросы воспитания специалистов, соблюдения трудовой дисциплины, технической учебы и повышения квалификации, вопросы самоконтроля и контроля выполняемых работ являются очень важными в деле профилактики дефектов и возникающих по их причинам отказов по вене человеческого фактора. Уменьшение влияния названных и рядя других факторов является одной из основ работы по поддержанию надежности работы объекта.
6. Влияние человека-оператора на функционирование информационных систем
Личные качества и низкие технологические знания являются не только субъективными факторами, но и факторами, носящими социальную окраску. Вопросы воспитания специалистов, соблюдения трудовой дисциплины, технической учебы и повышения квалификации, вопросы самоконтроля и контроля выполняемых работ являются очень важными в деле профилактики дефектов и возникающих по их причинам отказов по вене человеческого фактора.
Ошибки обслуживающего персонала, выход информационной системы из штатного режима эксплуатации в силу случайных или преднамеренных действий пользователе, или обслуживающего персонала – операторов (превышение расчетного числа запросов, чрезмерный объем обрабатываемой информации и другие неоправданные действия), невозможность или нежелание обслуживающего персонала выполнять свои функции приводит к чрезвычайно серьезным последствиям. Это могут быть длительный простой в работе информационной системе, искажение обрабатываемой информации и получение неверных результатов, потеря информации, сбои в работе программ и оборудования, отказы оборудования.
Таким образом, поддержание высокой надежности работы информационной системы в целом является важной и сложной инженерно-технической и социально-организационной задачей.
1) Ермаков А.А. Основы надежности информационных систем: учебное пособие. – Иркутск: ИрГУПС , 2006. – 151с.
Надежность сложных систем зависит от разнообразных факторов, раздельное и комплексное изучение которых необходимо, поскольку без раскрытия физической природы отказов затруднительно выбрать наиболее подходящие направления работ по обеспечению и повышению надежности как отдельных видов оборудования, так и систем в целом.
Все множество факторов, влияющих на оборудование сложных систем, принято классифицировать по области их действия (рисунок 2).
Рисунок 2. Классификация факторов по области действия
В зависимости от вида оборудования классификация факторов, влияющих на надежность, может несколько видоизменяться. Например, для такого специфического оборудования, как АСУ, классификацию факторов можно представить в виде, приведенном на рисунке 3.
К конструктивным факторам относятся:
– выбор структурной и функциональной схем, способов резервирования и контроля;
– определение материалов и комплектующих элементов;
– выбор режимов и условий работы элементов в системе;
– назначение требований к допускам на технологические характеристики элементов;
– выбор установок и защит на технологические параметры установки;
– учет психофизиологических особенностей операторов;
– разработка эксплутационной документации и др.
При проектировании и конструировании объекта закладывается его надежность.
К производственным факторам (технологическим факторам производства, монтажа и наладки оборудования систем) относятся следующие:
– входной контроль качества материалов и элементов, получаемых от предприятий-поставщиков (смежников);
– организация технологического процесса изготовления оборудования;
– контроль качества продукции на всех этапах технологического процесса (точность выполнения заданной формы и размеров, обеспечение прочностных, электрических, магнитных и других характеристик объектов, обеспечение требуемой шероховатости обработанной поверхности, прочности соединений и т.п.);
– обеспечение качества, контроль монтажа и наладки оборудования систем;
– условия работы на производстве и др.
При производстве (изготовлении) объекта обеспечивается его надежность.
Эксплуатационные факторы. К эксплуатационным относятся факторы, которые появляются вне сферы проектирования и производства объектов. По характеру воздействия на объект эксплуатационные факторы можно подразделить на объективные (воздействия внешней среды) и субъективные (воздействие обслуживающего персонала). Объективные факторы, оказывающие влияние на надежность объектов, можно классифицировать на две группы: внешние и внутренние факторы.
К внешним факторамотносятся воздействия, обусловленные внешней средой и условиями применения. Это, прежде всего, климатические факторы (низкие и высокие температуры, влажность, солнечная радиация), механические воздействия (вибрация, удары), электромагнитное и радиационное излучения, агрессивная среда и др. Внутренние факторы связаны с изменением параметров объектов и конструкционных материалов: старением, износом, коррозией. Эти изменения происходят с течением времени под влиянием внешних факторов. Необходимо отметить, что в действительности все перечисленные факторы влияют на надежность объекта в комплексе.
Из климатических факторов наиболее существенно на объекты влияют солнечная радиация, низкие и высокие температуры воздуха, влажность воздуха, скорость ветра, туманы, метели, пыльные бури и т.п. Изменения свойств материалов также зависят от интенсивности и продолжительности воздействия перечисленных факторов и их наиболее неблагоприятного сочетания. Воздействие климатических факторов вызывает определенного вида отказы, интенсифицирует потоки отказов, возникающих в результате случайных перегрузок, усталостных явлений в металле, действия сил трения, несовершенства структурной схемы объекта и др. Так, насосно-компрессорное оборудование находится в основном в закрытых помещениях, и поэтому действие на него климатических факторов и атмосферных явлений ограничено. Однако большая часть технологического оборудования предприятий добычи, транспорта и переработки нефти эксплуатируется на открытом воздухе и в негерметизированных помещениях и подвержено воздействию климатических факторов и атмосферных явлений. Для такого вида оборудования влияние климатических факторов показано на рисунке 4. Меры защиты от неблагоприятного воздействия климатических факторов, атмосферных влияний и других объективных факторов должны приниматься на этапах проектирования и конструирования объектов.
Рисунок 4 – Схема комплексного влияния основных климатических факторов и атмосферных явлений на надежность объектов
Под субъективными эксплуатационными факторами, влияющими на надежность объектов, понимается:
– квалификация обслуживающего персонала;
– обученность обслуживающего персонала;
– организация и качество технического обслуживания и регламентных работ;
– методы и способы организации эксплуатации объектов;
Повышение эксплуатационной надежности, обусловленной влиянием на нее человека, осуществляется в двух направлениях:
1) приспособления техники к психофизиологическим особенностям человека-оператора в процессе ее проектирования (рациональное расположение приборов, кнопок, рычагов, стрелок, индикаторов, выбор освещенности, ограничение шума, учет требований к быстроте реакции человека, к объему его памяти и т.д.);
2) приспособления человека к техническим требованиям машины (отбор операторов, тренировка и обучение их выполнению операций обслуживания).
Расчеты систем на надежность занимают одно из центральных мест в теории и практике надежности. Рассчитать систему на надежность — это значит определить одну или несколько характеристик надежности. Расчеты надежности производят на различных этапах разработки, создания и эксплуатации объектов. Многочисленные цели расчетов привели к большому их разнообразию. Выбор метода расчета надежности системы зависит от ряда факторов. Основными из них являются:
– этап разработки системы;
– характер отказов элементов в системе;
– способ соединения элементов в системе;
– вид закона распределений времени безотказной работы;
– режим работы элементов системы;
– способ анализа объекта;
– класс системы и др.
Обоснование безопасности машины на проектной стадии.
На этапе проектирования расчет надежности производится с целью прогнозирования (предсказания) ожидаемой надежности проектируемого объекта. Такое прогнозирование необходимо для обоснования предполагаемого проекта объекта, а также для решения организационно-технических вопросов: выбора оптимального варианта структуры; способа резервирования; глубины и методов контроля; периодичности и объема профилактики; количества запасных частей; обоснования требований к надежности элементов системы. Поэтому на этапе проектирования выполняют следующие расчеты надежности:
– расчет норм надежности (распределение требований к надежности элементов системы);
– ориентировочный расчет надежности;
– окончательный (полный) расчет надежности.
Если на этапе проектирования изготавливают опытные экземпляры объекта, то производится оценка надежности по результатам испытаний.
На этапе создания и эксплуатации расчеты надежности проводят по результатам испытаний и эксплуатации. Такие расчеты носят, как правило, характер констатации. Результаты расчетов в этом случае показывают, какой надежностью обладали объекты, прошедшие испытания или используемые в некоторых условиях эксплуатации. На основании этих расчетов разрабатывают меры по повышению надежности, определяют слабые места объектов, дают оценки надежности объекта и влияний на нее отдельных факторов.
По характеру отказов элементов системы различают методы расчета надежности при внезапных, постепенных и перемежающихся отказах, а по способу соединения элементов в системе — расчет надежности при основном и резервном соединении элементов.
В зависимости от вида закона распределения времени безотказной работы применяют расчеты надежности при экспоненциальном, нормальном, вейбулловском и других законах распределения.
Режим работы объекта существенно влияет на выбор методов расчета надежности, которые в этом случае учитывают непрерывность действия (насосы, системы управления и защиты, тепловыделяющие сборки, турбины, генераторы и т.д.), периодичность действия (задвижки, клапаны, ЭВМ, если они не выполняют функций управления, элементы системы аварийного расхолаживания и др.), одноразовое и многократное использование элементов объекта.
По признаку восстанавливаемости объекта методы расчета можно разделить на методы расчета восстанавливаемых и невосстанавливаемых объектов. При этом может учитываться глубина и периодичность контроля объектов.
На надежность технических систем оказывают влияние три группы факторов: конструктивные, технологические и эксплуатационные.
К конструктивным факторам относятся: принципиальная схема машины, качество материалов, форма и размеры деталей, запас прочности, применяемые методы расчета на прочность, конструктивные концентраторы напряжений в деталях (зазоры, натяги, галтели, пазы, канавки и др.), характер и скорость приложения нагрузок и др.
Технологические факторы – факторы, связанные с процессом получения стабильных свойств материалов, обеспечивающих стабильность структуры, физико-механических свойств, прочности; факторы, связанные с формообразованием заготовки, методами обработки и сборки; методы и режимы механической, термической, химико-термической обработки; геометрия режущего инструмента; организация технического контроля по этапам технологического процесса.
Эксплуатационные факторы – давления, характер нагружения, скорости, температура среды, влажность среды, виды и способы смазки, соблюдение правил технической эксплуатации, техническое обслуживание, качество ремонта, квалификация ремонтно-эксплуатационного персонала, техническая оснащенность ремонтных служб и др.
На надежность технических систем существенное влияние оказывают обратимые и необратимые процессы, происходящие в системах.
К обратимым процессам относятся температурные и упругие деформации в деталях и узлах машин.
Необратимые процессы – это изнашивание, усталостное разрушение, коррозия, старение, ползучесть, кавитационно-эррозионное разрушение и др.
Влияние температурных деформаций проявляется в увеличении зазоров в сопряжениях, появлении вибрации, стука, заклинивании подвижных соединений, поломках, интенсивных износах. Очевидно, следует учитывать возможность изменения линейных и объемных размеров деталей, приводящих к изменению зазоров в сопряжениях, возможность их коробления под действием температур среды или температур, возникающих в парах трения. Например, в паре вал-втулка диаметром 100 мм при возрастании температуры до 100º С величина зазора уменьшится при втулке из бронзы на 0,18 мм, из пресспорошков на 0,37 мм, из капрона на 1 мм.
Упругие деформации в технической системе не оказывают такого влияния как температурные деформации на работоспособность подвижных соединений. Однако они имеют основное влияние на технологическую надежность процесса механической обработки резанием, на точность механической обработки. Известны зависимости величины погрешности механической обработки, обусловленные упругими отжимами элементов технологической системы станок-приспособление-инструмент-деталь. Величина упругих отжимов, а, следовательно, погрешностей зависит от погрешности заготовки (неравномерности припуска на обработку) и неоднородности свойств материала обрабатываемой детали (неоднородность твердости). Именно эти две составляющие упругой деформации в технологической системе вызывают рассеяние (разброс) размеров при обработке на настроенном на заданный размер станке.
Наибольшее влияние на надежность технических систем оказывают необратимые процессы – изнашивание и поломки. 80-90% всех поломок деталей связаны с усталостным разрушением. Наибольшее количество отказов в машинах обусловлено изнашиванием.
Изнашивание
Изнашивание – процесс постепенного изменения размеров тела при трении, проявляющийся в отделении с поверхности трения материала и (или) в его остаточной деформации. Соответственно, износостойкость – свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях эксплуатации. При контакте двух сопряженных поверхностей и их относительном перемещении в поверхностных слоях возникают механические и молекулярные взаимодействия, которые приводят к разрушению микрообъемов поверхностей, т.е. к износу. При этом исходный (технологический) микрорельеф превращается в эксплуатационный.
Процессы, сопровождающие изнашивание, крайне разнообразны и по разному протекают в различных условиях. Наиболее характерные из них:
- возникновение высоких локальных температур, которые при больших местных давлениях могут достигать значений, соответствующих фазовым превращениям или приводящих к расплавлению металла (образование мостиков сварки);
- протекание процессов переноса материала с одной поверхности на другую;
- возникновение высоких механических и термических напряжений, приводящих к образованию микротрещин;
- протекание химико-термических процессов, образование окисных пленок или других химических соединений, в связи с чем свойства поверхностного слоя резко отличаются от свойств основного материала;
- влияние на трение и износ смазки, которая играет роль эластичной прокладки, ведет к образованию масляного клина, а попадая в микротрещины оказывает расклинивающее действие.
Эти процессы характерны для всех трех родов трения: скольжения, качения, верчения (точечный контакт или контакт конических поверхностей). В зависимости от условий смазки, ее характера, режимов работы различают сухое, граничное и жидкостное трение.
При сухом трении происходит наибольший износ. При жидкостном трении трущиеся поверхности разделены слоем смазки. Наиболее характерным является граничное трение, когда слой смазки не превышает 0,1-0,2 мкм, а износ происходит при локальных разрывах масляной пленки.
Различают три вида изнашивания:
- механическое, которое имеет место только при механическом взаимодействии тел;
- молекулярно-механическое, сопровождающееся воздействием молекулярных или атомарных сил;
- коррозионно-механическое, происходящее при трении материала, вступившего в химическое взаимодействие со средой.
В группе механических видов изнашивания выделяются: абразивное, усталостное, пластическим деформированием.
Абразивный износ происходит вследствие режущего или царапающего действия с отделением микростружки твердыми частицами из окружающей среды или продуктами износа. Усталостный износ происходит вследствие циклического воздействия на микровыступы трущихся поверхностей. Износ пластическим деформированием происходит только вследствие пластического оттеснения материала без его удаления с поверхности трения.
Среди молекулярно-механических видов изнашивания выделяются два: адгезионный износ и избирательный (атомарный) перенос.
В группе коррозионно-механических выделяются окислительный, коррозионный износы и фреттинг-коррозия.
Окислительный износ происходит при наличии на поверхности трения защитных пленок, образовавшихся при взаимодействии основного материала с кислородом воздуха. При взаимном перемещении тел защитные пленки разрушаются, обнажая основной материал, который вновь окисляется и пленка разрушается при трении. Аналогичный механизм и коррозионного изнашивания, только разрушаются при трении не окислительные пленки, а продукты коррозии на поверхностях трения. Фреттинг-коррозия имеет место в неподвижных соединениях, в микрозазорах которых образуются продукты коррозии в виде бурого налета. Даже в неподвижных соединениях двух тел имеют место микроколебания, микроперемещения тел относительно друг друга, что ведет к разрушению продуктов коррозии и цикл повторяется. Явление фреттинг-коррозии было обнаружено Одингом на деталях гидротурбин.
Показателями износа являются:
- линейный износ UМКМ,
- скорость износа (мкм/ч),
- интенсивность износа (мкм/км).
Классическая зависимость величины линейного износа во времени графически носит S-образный характер, как это показано на рисунке 3.
Рисунок 3. Изменение линейного износа во времени
Как видно из рисунка кривая износа имеет три стадии: I стадия – приработка; II – нормального износа и III – катастрофического износа.
Влияние скорости процессов на надежность технических систем
По скорости процессы, протекающие при эксплуатации технических ситем (ТС), делятся на быстропротекающие, процессы средней скорости и медленно протекающие. Они в разной мере оказывают влияние на надежность технических систем.
Быстропротекающие процессы проявляются сразу же после включения ТС в форме вибраций, изменения сил трения в сопряжениях, колебаний рабочих нагрузок, неуравновешенности движущихся деталей и др. Длительность и периодичность их возникновения измеряется секундами. Действие процессов приводит к изменению и рассеянию выходных параметров машин, например, при механической обработке неточность размеров, формы деталей.
Процессы средней скорости происходят при непрерывной работе машин. Длительность их измеряется минутами, часами. Под их действием происходит монотонное изменение начальных параметров на величину , как это показано на рисунке 4. Это могут быть как обратимые, так и необратимые процессы, например, износ металлорежущего инструмента, его стойкость измеряется в минутах.
Медленно протекающие процессы происходят за время между ремонтами машин. Это только необратимые процессы: износ, перераспределение напряжений, ползучесть, загрязнение, коррозия, сезонные изменения температур и др. Эти процессы влияют на производительность, точность, коэффициент полезного действия и др. Они ведут к монотонному изменению выходного параметра, достигающему величины . Методы борьбы с ними это техническое обслуживание и ремонты.
Рисунок 4. Изменение выходных параметров машин под действием процессов разной скорости
Все рассмотренные процессы носят случайный характер, что приводит к разбросу выходных параметров машин, законы рассеяния которых отражаются функциями и на рисунке 4. Суммарное изменение выходного параметра под действием процессов разных скоростей или суммарная погрешность .
Основные количественные показатели надежности технических систем. Методы повышения надежности. Расчет структурной схемы надёжности системы. Расчет для системы с увеличенной надежностью элементов. Расчет для системы со структурным резервированием.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 01.12.2014 |
| Размер файла | 129,7 K |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
1.1 Надежность. Основные количественные показатели надежности технических систем
1.2 Методы повышения надежности
2. Расчетная часть
2.1 Расчет структурной схемы надёжности
2.2 Расчетов для системы с увеличенной надежностью элементов
2.3 Расчетов для системы со структурным резервированием
Надежностью называют свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортировки. Расширение условий эксплуатации, повышение ответственности выполняемых техническими системами (ТС) функций, их усложнение приводит к повышению требований к надежности изделий.
Надежность является сложным свойством, и формируется такими составляющими, как безотказность, долговечность, восстанавливаемость и сохраняемость. Основным здесь является свойство безотказности - способность изделия непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение времени. Потому наиболее важным в обеспечении надежности ТС является повышение их безотказности.
Особенностью проблемы надежности является ее связь со всеми этапами “жизненного цикла” ТС от зарождения идеи создания до списания: при расчете и проектировании изделия его надежность закладывается в проект, при изготовлении надежность обеспечивается, при эксплуатации - реализуется. Поэтому проблема надежности - комплексная проблема и решать ее необходимо на всех этапах и разными средствами. На этапе проектирования изделия определяется его структура, производится выбор или разработка элементной базы, поэтому здесь имеются наибольшие возможности обеспечения требуемого уровня надежности ТС. Основным методом решения этой задачи являются расчеты надежности (в первую очередь - безотказности), в зависимости от структуры объекта и характеристик его составляющих частей, с последующей необходимой коррекцией проекта. Некоторые способы расчета структурной надежности рассматриваются в данном пособии.
Глава 1. Общая часть
1.1 Надежность. Основные количественные показатели надежности технических систем
Надежность - свойство системы сохранять во времени и в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность системы выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях эксплуатации
Надежность, в сущности, является характеристикой эффективности системы.
Обобщенное количественное значение надежности системы в большинстве случаев трудно непосредственно получить из первичной информации, кроме того, она не позволяет оценить влияние различных этапов разработки и эксплуатации системы, поэтому надежность целесообразно рассматривать по трем главным составляющим, которые являются свойствами системы и могут характеризоваться как качественно, так и количественно:
Безотказность - свойство системы сохранять работоспособность в течение требуемого интервала времени непрерывно без вынужденных перерывов.
Безотказность системы является одной из главных и определяющих составных частей надежности автоматической системы.
Для фиксированного интервала времени безотказной работы и заданных условий эксплуатации автоматическая система может находиться в одном из двух состояний: работоспособном (состояние, при котором значения параметров, характеризующих способность системы выполнять заданные функции, находятся в пределах, установленных нормативно-технической документацией) и неработоспособном (состояние системы, при котором значение хотя бы одного параметра не находится в указанных пределах). Эти состояния системы представляют противоположные события, поэтому для них справедливо равенство, основное статическое уравнение безотказности системы:
где: Р -- безотказность (надежность) системы;
Q -- вероятность возникновения отказа системы.
Безотказность автоматической системы может служить лишь общей характеристикой системы, не позволяющей проследить влияние безотказности отдельных ее частей на безотказность автоматической системы в целом
Разделение автоматической системы на элементы зависит от решения конкретной задачи при оценке ее надежности.
Восстанавливаемость - свойство системы, заключающееся в ее приспособленности к предупреждению, обнаружению и устранению причин возникновения отказов, а также поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем проведения технического обслуживания и ремонтов.
Восстановлением называется событие, заключающееся в переходе системы из неработоспособного состояния в работоспособное, вследствие не только корректировки, настройки, ремонта, но и вследствие замены отказавшего оборудования или элемента на работоспособный. Соответственно, к невосстанавливаемым относят системы, восстановление которых непосредственно после отказа считается нецелесообразным или невозможным, а к восстанавливаемым - системы в которых производится восстановление непосредственно после отказа.
Восстанавливаемость автоматической системы является характеристикой ее качества, поэтому восстанавливаемость можно определить как свойство системы, позволяющее обслуживающему персоналу определенной квалификации восстановить систему при заданных окружающих условиях.
Под количественным значением восстанавливаемости системы понимается вероятность того, что параметры ее будут восстановлены до требуемых значений за данный интервал времени обслуживающим персоналом определенной квалификации при заданных окружающих условиях.
Восстанавливаемость систем в значительной степени влияет на готовность системы к выполнению заданных ей функций.
Восстановление системы может быть двух типов:
Профилактическое, или плановое восстановление, предупреждает отказы или неправильное функционирование системы настройкой, регулировкой, а также чисткой, смазкой системы и замену узлов или деталей системы, которые имеют критические значения параметров.
Корректирующее, или неплановое восстановление, требуется при отказах системы.
Восстанавливаемость и не восстанавливаемость представляют противоположные события, поэтому, как и в случае безотказности системы, основное уравнение восстанавливаемости имеет вид
технический система надежность резервирование
где Рв - восстанавливаемость;
Qb - не восстанавливаемость системы.
Восстанавливаемость системы определяется двумя группами основных факторов.
Первую группу составляют факторы, относящиеся к схеме и конструкции системы (сложность системы, взаимозаменяемость отдельных узлов и блоков, конструктивное оформление системы для удобства обслуживания, доступность к отдельным элементам и некоторые другие).
Вторую группу составляют эксплуатационные факторы (опыт, подготовка и мастерство обслуживающего персонала, а также степень совершенства руководства обслуживающим персоналом, методика проверочных испытаний системы, совершенство снабжения запасными частями и др).
Восстанавливаемость можно существенно увеличить, применяя современные методы обнаружения и устранения неисправностей в системе. Эти методы развиваются в трех направлениях:
1 создание встроенных в систему диагностирующих устройств или применение специальных автоматических тестеров;
2 разработка методов и оборудования для граничных испытаний позволяющих профилактически заменять элементы, параметры которых в значительной степени изменились вследствие износа или старения;
3 перераспределение функций, выполняемых элементами при появлении отказов, и самонастройка параметров системы, При этом структура системы выбирается таким образом, чтобы элементы, принявшие на себя функции отказавших элементов, в условиях повышенных на них нагрузок были бы в состоянии обеспечить эффективную работоспособность системы до окончания выполнения стоящих перед системой задач. Отказавшие элементы можно восстановить в период проведения профилактических мероприятий.
Готовность - свойство системы выполнять возложенные на нее функции в любой произвольно выбранный момент времени в установившемся процессе эксплуатации. Готовность определяется как безотказностью, так и восстанавливаемостью системы.
Готовность системы определяется ее безотказностью и восстанавливаемостью, которые в свою очередь являются вероятностными характеристиками системы. Таким образом, готовность системы также является вероятностной характеристикой.
Готовность - вероятность того, что система в рассматриваемый момент времени готова для выполнения предназначенных ей функций, т.е. система должна быть готова к выполнению предназначенных ей функций к началу рабочего интервала времени. Для ряда автоматических систем связи, защиты, блокировки обычно требуется постоянная готовность.
В общем виде готовность системы определяется через вероятность отказа Q и невосстанавливаемость Qв по следующей формуле:
Уравнение (1.4) показывает, что готовность системы при фиксированной одной характеристике безотказности или восстанавливаемости может быть повышена за счет увеличения другой. В частности, при низкой безотказности системы готовность может быть увеличена соответствующим увеличением восстанавливаемости. Если восстановление систем не производится, то, как следует из уравнения (1.4), готовность определяется безотказностью системы.
1.2 Методы повышения надежности
В соответствии с тремя главными фазами, которые проходит каждая система, будем рассматривать три метода повышения надежности систем: при проектировании, производстве и эксплуатации.
Следует отметить, что только объединенными мерами на каждой из этих фаз можно добиться высокой надежности создаваемой и эксплуатируемой системы. Тем не менее, решающее влияние на надежность автоматических систем оказывает фаза проектирования.
Наряду с выбором простой схемы, большое влияние на безотказность системы имеет выбор стабильной схемы. В стабильной по принципу действия схеме обычно наблюдаются минимальные связи между параметрами отдельных элементов, а также обеспечивается минимальное влияние отклонений параметров элементов на величину ошибки в выходной величине системы. Таким образом, выбор простой и стабильной по принципу действия схемы является одной из главных мер обеспечения высокой безотказности системы как при внезапных, так и при постепенных отказах.
Большое влияние на безотказность системы оказывают условия ее работы, а именно: воздействующие на систему и элементы механические, климатические нагрузки и т. д. При проектировании системы необходимо максимально уменьшить влияние внешних и внутренних нагрузок на систему и ее элементы.
В качестве дополнительных конструктивных мер, обеспечивающих повышение безотказности, можно указать на методы снижения влияния механических нагрузок путем применения специальных конструктивных форм устройств, амортизаторов
Таким образом, на стадии проектирования надежность нерезервированной системы обеспечивается следующими основными методами:
1 выбором простых и стабильных схем, учитывающих также возможности повышения надежности системы при эксплуатации;
2 применением качественных и перспективных элементов и выбором режимов работы элементов, соответствующих пониженным электрическим нагрузкам;
3 разработкой конструкции системы и приборов, обеспечивающей минимальные нагрузки на систему и элементы, а также удобство обслуживания системы.
Если в результате проектирования нерезервированной системы не удается обеспечить требуемую безотказность, можно применять следующие методы повышения надежности системы при эксплуатации:
1 обратные связи;
Применение отрицательных обратных связей позволяет стабилизировать параметры отдельных узлов, блоков и приборов системы, т. е. уменьшать вероятность отказа системы вследствие постепенных отказов.
Повышение надежности изделий и систем может быть достигнуто с помощью резервирования.
Резервирование бывает информационное, временное, функциональное, аппаратурное и структурное. Аппаратурное резервирование обеспечивается применением нескольких одинаковых устройств для достижения заданной цели, например, прием и запись уникальной информации одновременно на 2--3 устройства. Структурное (схемное) резервирование состоит в применении специальных схем соединений основного и резервного элементов.
Используют поэлементное резервирование и резервирование всей цепи основных элементов (нагруженный резерв). В полностью резервированной системе отказ одного или нескольких элементов не приводит к отказу всей системы. При постоянном резервировании, которое иногда называют пассивным, резервные устройства постоянно включены в схему, при этом до момента ремонта включенными в схему остаются и отказавшие устройства. Постоянное резервирование отличается простотой схем, возможностью применения к различным конструкциям (системам, приборам, узлам, элементам) и даже к внутриэлементным связям.
Для ряда устройств автоматических систем постоянное резервирование технически трудно осуществить, а в некоторых случаях даже невозможно.
Постоянному резервированию присущи также недостатки, связанные с увеличением веса, объема, стоимости аппаратуры и усложнением эксплуатации. Вес системы с постоянным резервированием может быть значительно уменьшен благодаря применению микроминиатюрных и молекулярных элементов.
Резервирование с поэлементным замещением (ненагруженный резерв). Достоинство -- в сохранении ресурса резервных элементов. Недостаток -- в дополнительной возможности отказа переключающего элемента.
Резервирование с общим замещением (ненагруженный резерв). Общее правило, которое можно применять в схемном резервировании, гласит: чем мельче масштаб резервирования, тем больше надежность.
Резервирование осуществляют также с применением логических схем. Такое резервирование называют активным. Применение логических схем обеспечивает неизменность параметров схемы при отказах элементов, повышает безотказность системы при их использовании для устройств, характеризующихся отказами двух типов, позволяет сохранять ресурс резервных устройств, находящихся в режиме ожидания в ненагруженном состоянии. Резервирование с логическими схемами неизбежно связано с применением дополнительных устройств в виде индикаторов отказа, переключателей и т. д.
Надежность автоматической системы может в значительной степени снизиться также под воздействием внешних помех, перемежающихся или самовосстанавливающихся отказов и др., приводящих к искажению передаваемой информации. В этих случаях эффективным средством повышения надежности систем является применение, особенно в дискретных информационных системах, самокорректирующих кодов и избыточности передаваемой информации. Применение того или иного метода резервирования зависит от конкретных условий, от назначения и особенностей работы системы.
В общем случае невозможно применением только одного метода резервирования добиться высокой надежности автоматической системы. Высокая надежность системы может быть обеспечена только в результате комбинированного применения методов резервирования. Одним из направлений создания высоконадежных автоматических систем на основе комбинированных методов резервирования является применение самонастраивающихся и самоорганизующихся систем. При помощи постоянного резервирования можно обеспечить функционирование системы с вероятностью, весьма близкой к единице. Однако при отказах резервных элементов в значительной степени могут измениться выходные параметры, при этом отклонения параметров могут быть такими, что, несмотря на отсутствие отказа системы, она не удовлетворяет предъявляемым требованиям. Комбинированное применение постоянного резервирования и метода самонастройки параметров при отказе резервных элементов позволяет избежать недостатков, присущих только постоянному резервированию. Еще большие возможности повышения надежности могут представиться в результате применения самоорганизующихся систем, в которых при отказах отдельных элементов или изменении внешних условий изменяется структура системы, перераспределяются функции между ее отдельными элементами.
Одним из наиболее важных средств обеспечения высокой безотказности системы на стадии эксплуатации является строгое соблюдение условий технологических процессов.
Соблюдение установленных технологических процессов должно начинаться с входного контроля материалов и изделий, применяемых в системе, обеспечении при необходимости качественной замены материалов.
Наряду с производственным контролем безотказность сложных систем может быть существенно повышена, особенно для начального периода эксплуатации, проведением тренировочных испытаний системы (приработки) в производственных условиях. Это позволяет устранить большинство производственных и скрытых отказов, если приработка системы проходит при больших, по сравнению с номинальными, нагрузками.
Правильная организация эксплуатации системы является одним из решающих факторов обеспечения высокой надежности. Большое значение имеет и своевременное проведение профилактических мероприятий, позволяющих предупредить появление отказов системы в рабочий период времени. Одним из современных методов профилактики является прогнозирование отказов, позволяющее своевременно заменить так называемые критические элементы и тем самым исключить их отказы. Естественно, что полностью исключить отказы в рабочий период не удается, поэтому необходимо проектировать систему и правила ее эксплуатации таким образом, чтобы обеспечить минимальное время восстановления отказавшей системы. В этой связи большое значение имеет разработка схем автоматической проверки и обнаружения отказов (системы диагностирования), а также, если это возможно, и схем самовосстановления отказов. Из эксплуатационных факторов важная роль в поддержании высокой надежности автоматических систем принадлежит обслуживающему персоналу, его технической подготовке, опыту и другим качествам.
Таким образом, высокая надежность автоматических систем может быть обеспечена только комплексом методов, применяемых на всех фазах создания и эксплуатации системы.
Глава 2. Расчетная часть
2.1 Расчет структурной схемы надёжности
На рис. 1. представлена структурная схема установки ЭЛОУ АВТ.
Рис 1. Структурная схема установки ЭЛОУ АВТ.
На рис. 2 . представлена преобразованная структурная схема установки ЭЛОУ АВТ.
Читайте также: