ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ

Срок службы многих видов ПТМ исчисляется десятками лет (грузоподъемные краны, лифты, эскалаторы и т. д.). Затраты средств, труда и материалов на поддержание и восстановление работоспособного и исправного состояния машины за полный срок службы в 5—10 раз и более превышают затраты на ее изготовление. Например, расходы на техническое обслуживание и ремонт некоторых типов мостовых кранов достигают их стои­мости за 15 мес, башенных кранов и погрузчиков — за один год. Стоимость ремонтов погрузчика до капитального ремонта в среднем превышает его первоначальную стоимость в 4—5 раз. Аналогичная картина имеется- в других отраслях машинострое­ния. Например, эксплуатационные затраты за восемь лет срока службы тракторов ДТ-54, ДТ-74, ДТ-75 в 4-5 раз превысили их начальную стоимость.

При недостаточной долговечности машины изготовляют в большем количестве, чем нужно, что ведет к перерасходу ме­талла, излишкам производственных мощностей, завышению рас­ходов на ремонт и эксплуатацию. Поэтому повышение надеж­ности объектов является одной из важнейших народнохозяй­ственных задач.

Особенностью надежности является ее связь со всеми эта­пами создания и эксплуатации объекта от момента формирова­ния и обоснования идеи создания объекта до его списания и сдачи в лом.

Надежность объекта закладывается при его разработке. Она определяется конструкцией объекта и его узлов, уровнем стан­дартизации и унификации, применяемыми материалами, термо­обработкой, методами защиты от вредных воздействий, приспособленностью к обслуживанию и ремонту и другими особенностями. Надежность объекта обеспечивается при его изготов­лении и зависит от уровня технологического процесса, который характеризуют: качество изготовленных деталей, качество сбор­ки объекта и его узлов, методы контроля и испытания объекта, трудоемкость, материалоемкость и себестоимость изготовления и другие показатели.

Надежность объекта реализуется и поддерживается при его эксплуатации, хранении и транспортировании. Надежность проявляется только при использовании объекта и зависит от условий и методов эксплуатации, режимов работы, методов технического обслуживания и других эксплуатационных фак­торов.

Надежность объекта восстанавливается при его ремонте. Эффективность восстановления надежности объекта опреде­ляется принятой системой ремонта и ремонтопригодностью объекта.

Необходимый высокий уровень надежности можно достиг­нуть только при высоком уровне качества каждого этапа соз­дания и использования объекта. Нельзя компенсировать недо­работки предыдущего этапа на последующем этапе. Рассмотрим основные направления и пути повышения надежности ПТМ при их создании и использовании.

Надежность объекта закладывается при его проектирова­нии. Важным этапом проектирования является разработка и анализ технического задания, неглубокая проработка которого является одной из основных причин возникновения ошибок конструкторов. Поэтому для разработки и анализа технического задания должны привлекаться наиболее квалифицированные конструкторы и специалисты в различных узких вопросах про­ектирования.

Особое внимание должно уделяться начальному периоду проектирования — поиску принципа работы объекта, поиску схемы и структуры объекта, его узлов и механизмов, вариан­тов их конструктивных решений. Начальный период проектиро­вания требует больших творческих усилий конструкторов. Не­достаток времени на поиск наилучших технических решений, как правило, оборачивается значительными затратами в даль­нейшем. Допущенные на стадии проектирования принципиаль­ные просчеты не могут быть компенсированы на стадии про­изводства и приводят к снижению эффективности объекта в эксплуатации. Большое внимание при создании объекта должно быть уделено экспериментальным исследованиям и испытаниям опытных образцов объектов и их узлов. Рассмотрим основные направления повышения надежности ПТМ при их создании: агрегатирование, ограничение уровня действующих __ нагрузок, применение объектов с высокой надежностью по своей природе, ¹ резерв, а также структурные методы повышения надежности.

Агрегатирование является методом компоновки машин или комплексов'машин из взаимозаменяемых, унифицированных агрегатов. Агрегатом называется укрупненный унифицирован­ный (нормализованный) узел машины или комплекса машин, обладающий полной взаимозаменяемостью, самостоятельно вы­полняющий отдельные функции. Характерными агрегатами являются электродвигатели, гидродвигателн, редукторы, на­сосы, тормозные устройства и т. п. Агрегатирование широко применяется при создании машин различного назначения и, в частности, при создании ПТМ и манипуляторов. Агрегатирова­ние способствует существенному повышению ремонтопригодно­сти машин.

Агрегатирование значительно упрощает и удешевляет сво­евременное и непрерывное совершенствование машин путем изменения конструкции морально устаревших узлов; позволяет наиболее рационально организовать производство машин, уве­личить серийность отдельных узлов и снизить стоимость их изго­товления на специализированных заводах благодаря более вы­сокой степени механизации и автоматизации производства.

Агрегатирование значительно улучшает эксплуатацию и ускоряет ремонт машин. Агрегатный метод ремонта заменой неисправных узлов новыми или отремонтированными широко распространен в народном хозяйстве и, в частности, при ре­монте ПТМ.

Ограничение уровня действующих нагрузок является эффективным и широко применяемым методом повы­шения надежности ПТМ.

Ограничение грузоподъемности кранов, транспортирующих грузы, масса которых заранее неизвестна крановщику, регла­ментировано Правилами [30] Госгортехнадзора (ст. 170—173). Эти краны должны быть оборудованы автоматическими огра­ничителями грузоподъемности, отключающими привод механи­зма подъема при превышений, номинальной грузоподъемности крана. В свободно стоящих грузоподъемных кранах ограничи­тели грузоподъемности реагируют не на силу тяжести груза, а на грузовой момент, предотвращая опрокидывание крана.

Ограничение вместимости кабин пассажирских лифтов ре­гламентировано Правилами [31] Госгортехнадзора (ст. 1.1.9). Ограничение вместимости производится либо применением ка­бин, площадь пола которых не позволяет вместить большее, чем допустимо, количество пассажиров, либо проводником (лифте­ром), либо автоматическим ограничителем грузоподъемности лифта.

Ограничение уровня действующих нагрузок в механизмах поворота грузоподъемных кранов с самотормозящим червячным редуктором привода производится с помощью муфты предель­ного момента, которая обычно встраивается в червячный ре­дуктор и размещается на червячном колесе.

Ограничение уровня действующих нагрузок в подвесных конвейерах производится, например, в случае заклинивания полотна конвейера на трассе. Ограничителем является калиброванный штифт из хрупкого материала, встроенный в привод­ную звездочку и срезающийся при превышении действующей нагрузкой допустимого уровня.

Применение объектов с высокой надеж­ностью по своей природе покажем на нескольких ха­рактерных примерах. Агрегаты без механических передач имеют практически неограниченный срок службы и нуждаются в зна­чительно меньшем техническом обслуживании. В быстроходных лифтах используются безредукторные лебедки, в которых канатоведущий шкив размещается непосредственно на валу низко­оборотного электродвигателя. В металлообрабатывающих стан­ках применяются электрошпиндели.

Детали, работающие при напряжениях ниже предела вы­носливости, имеют практически неограниченный срок службы, соответствующий полному сроку службы объекта. Поэтому при­менение таких деталей весьма желательно для повышения на­дежности объекта.

Электрическое торможение (динамическое, генераторный режим, противовключением) взамен фрикционного приме­няется в подъемно-транспортных машинах, железнодорожном подвижном составе для поглощения кинетической энергии движущихся масс. При этом механические тормоза исполь­зуются только как стопорные. Механический износ в таких тормозных системах практически отсутствует.

Система автоматического регулирования скорости при подъ­еме и спуске груза в башенных кранах, основанная на сложении механических характеристик трехфазного электродвигателя при­вода и тормозного устройства, может иметь в качестве тормоз­ного устройства или двухколодочный тормоз с электрогидротолкателем, или электрическую тормозную машину (динами­ческое торможение). Обе разновидности системы имеют при­мерно одинаковые показатели назначения. Однако долговеч­ность электрической тормозной машины несравнимо выше долговечности механического тормоза, так как тормозной мо­мент в ней создается электрическим способом, в то время как механический тормоз нуждается в периодической замене фрик­ционных элементов.

В системах управления ПТМ и манипуляторами в настоящее время все более широкое распространение находит бесконтакт­ное переключение как в цепях управления, так и в силовых цепях электроприводов. Бесконтактные переключающие устрой­ства не имеют подвижных частей, подверженных электроме­ханическому износу. В системах управления лифтами и штабелерами широко используются индукционные датчики пути, час­то в сочетании с транзисторными усилителями, взамен устройств с электромеханическими контактами. В качестве бесконтакт­ных датчиков угла все большее применение находят сельсины или вращающиеся трансформаторы взамен потенциометрических датчиков угла с электромеханическими контактами.

Использование бесконтактных устройств позволяет существенно повысить надежность систем управления.

Долговечность электронной лампы определяется главным образом долговечностью катода (его эмиссией), которая прин­ципиально не может быть бесконечной, в то время как ресурс транзистора может достигать в отдельных случаях 10⁶ ч. Кроме того, электронная лампа значительно чувствительнее тран­зистора к вибрации и тряске.

Структурные методы повышения надежности объектов заключаются или в уменьшении количества эле­ментов при их последовательном соединении, или в увеличении количества элементов при их параллельном соединении (в смы­сле надежности).

Уменьшение количества элементов при их последовательном соединении повышает надежность объекта, что следует из фор­мул (27)— (29), которые позволяют сделать следующие выводы:

1) вероятность безотказной работы системы уменьшается с увеличением числа последовательно соединенных элементов, следовательно, при проектировании объекта необходимо стремиться к возможно меньшему числу последовательно соединенных элементов;

2) вероятность безотказной работы системы всегда будет меньше вероятности безотказной работы наименее надежного элемента. Следовательно, при проектировании объекта необходимо стремиться к выявлению наименее надежного элемента и к увеличению вероятности его безотказной работы.

Структурный метод повышения надежности путем парал­лельного соединения элементов является структурным резерви­рованием и рассматривается ниже.

РЕЗЕРВ И РЕЗЕРВИРОВАНИЕ

Резерв — совокупность дополнительных средств и (или) возможностей, используемых для резервирования.

Резервирование — применение дополнительных средств и (или) возможностей для сохранения работоспособного со­стояния объекта при отказе одного или нескольких его эле­ментов.

Классификация резервирования содержит следующие виды прочностное, энергетическое, структурное, параметрическое функциональное и др.

Прочностное резервирование заключается в по­вышении способности объекта к восприятию нагрузок. Оно при­меняется в механических, гидравлических, электрических электронных и других объектах. Безотказность объектов сильно зависит от режимов работы. Поэтому часто оказывается целесообразным выбирать режим работы объекта менее напряженным чем номинальный, для повышения его безотказности при этом степень уменьшения нагрузок зависит от конкретных условий.

Прочностное резервирование в механических объектах зак­лючается в увеличении запаса прочности использованием ма­териалов более высокого -качества или увеличением площади сечения деталей. Прочностное резервирование обычно оцени­вается коэффициентом запаса прочности, который назначается повышенным для наиболее ответственных элементов и при тяжелых условиях эксплуатации.

Энергетический резерв — запас мощности, который может быть использован в более тяжелых условиях эксплуа­тации или при старении объекта, например установка более мощного двигателя, чем это необходимо в нормальных условиях его работы. Энергетическое резервирование очень широко при­меняется в ПТМ для повышения их надежности, в частности, в механизмах передвижения.

Параметрическое резервирование заключается в увеличении функционального параметра объекта с целью по­вышения надежности в зависимости от режима работы. Пара­метрическое резервирование также находит применение в ПТМ.

Долговечность стального каната очень сильно зависит от отношения диаметра блока к диаметру каната, которое для грузовых канатов нормируется в зависимости от режима ра­боты (см. табл. 13) Правилами [30] Госгортехнадзора. Это отношение тем больше, чем выше группа режима работы, т. е. чем выше класс использования.

Функциональный резерв — наличие в объекте функ­циональных возможностей сверх минимально необходимых для его функционирования. Функциональное резервирование повышает работоспособность объекта, а также его надежность. Оно находит применение во многих объектах, в том числе в подъемно-транспортных машин и манипуляторах.

Изменение вылета груза в портальных кранах является функциональным резервом, так как перемещение груза по го­ризонтали в любую точку зоны обслуживания может быть осуществлено механизмами передвижения и поворота без меха­низма изменения вылета, Однако такая минимальная структура крана весьма далека от оптимальной и обладает целым рядом недостатков по сравнению со структурой, в которой имеется- функциональный резерв.

Введение функционального резерва в виде рабочего измене­ния вылета груза переводит операцию передвижения крана из рабочей в установочную и приводит к резкому облегчению ре­жима работы механизма перемещения. При этом уменьшается скорость передвижения, снижается мощность привода, умень­шается ускорение при разгоне и торможении и, следовательно, уменьшаются динамические нагрузки, повышаются работоспо­собность и надежность. Эффективность перемещения груза по горизонтали при использовании механизма изменения вылета значительно выше, чем при применении механизма передвиже­ния крана, так как эквивалентная подвижная масса при измене­нии вылета значительно меньше, чем при передвижении крана. Функциональное резервирование в виде увеличения числа степеней подвижности вводится в универсальных антропоморф­ных манипуляторах для расширения их функциональных воз­можностей.

Структурное резервирование заключается в при­менении дополнительных элементов, не являющихся функцио­нально необходимыми и используемых только для замены отка­завших основных. При резервировании отказ объекта наступает только после отказа основного и всех резервных элементов. Это резервирование является эффективным методом повышения надежности объектов и позволяет уменьшить вероятность отка­за на несколько порядков, а также создать системы, надежность которых выше надежности входящих в них элементов.

Структурное резервирование усложняет конструкцию объе­кта, увеличивает его массу, габаритные размеры, повышает стоимость. Поэтому его следует применять для наиболее ответ­ственных элементов, отказ которых может привести к аварии или к тяжелым экономическим последствиям, или к недопусти­мому нарушению технологического и транспортного процесса. Структурное резервирование широко применяется в самых разнообразных объектах и, в частности, в ПТМ. Уровень ре­зервирования может быть самым различным: детали, узлы, агрегаты, машины и даже комплексы машин.

В пассажирских и грузопассажирских лифтах кабины подве­шиваются на нескольких канатах для повышения надежности, В ответственных узлах используются двойные и тройные уплотнения.

В транспортных машинах (в частности, в автомобилях) при­меняется двойная и даже тройная система тормозов. Двойная система тормозов используемся в механизмах подъема кранов, транспортирующих жидкий металл, в механизмах подъема тельфера. В пассажирских самолетах применяют два и более двигателя. В морских судах используют две силовые установки.

Количество эскалаторов на станциях метро, количество лиф­тов в административных и жилых зданиях выбирается с учетом возможности отказа и необходимости ремонта. При этом в часы пик могут работать все эскалаторы или лифты.

На производственных предприятиях дублируют даже уни­кальные станки и участки автоматических линий, в станках применяют запасные комплекты специальных инструментов, используют накопители. Применение запасных частей также можно рассматривать как вид структурного резервирования.

Структурное резервирование в ряде объектов обеспечивает сохранение работоспособности, но с пониженными показате­лями. Например, в механизмах подъема специальных грузоподъемных кранов меха­нический привод дубли­руется ручным приводом, обеспечивающим функ­ционирование, хотя с го­раздо меньшей эффек­тивностью. В некоторых системах резервные агре­гаты и машины исполь­зуются как рабочие в ча­сы пик, например эска­латоры в метро, лифты в административных зда­ниях.

Возможности приме­нения структурного ре­зервирования на практике ограничиваются допустимыми зна­чениями массы, объема, стоимости или других параметров резервируемого объекта. Поэтому приходится решать задачу оптимального структурного резервирования, имеющую два аспекта: или обеспечение максимального значения показате­лей надежности при заданном значении ограничивающего фак­тора, или обеспечение заданных значений показателей на­дежности при минимальном. значении ограничивающего фак­тора.

Уровень структурного резервирования может быть самым разным: различают общее и раздельное резервиро­вания. Общим называется резервирование, при котором резервируется объект в целом (рис. 55, б, в). При раздельном резервируются отдельные элементы объекта (детали, узлы, блоки, агрегаты) (рис. 55, г, д). Используется также сочетание общего и раздельного резервирования—смешанное резерви­рование. Раздельное резервирование гораздо эффективнее общего, при этом эффективность повышается при снижении уровня резервирования, т. е. чем меньшая часть объекта резервируется как единое целое, тем больше вероятность безотказной работы объекта.

Постоянное структурное резервирование — резервирование, при котором резервные элементы функциони­руют наравне с основными в течение всего времени работы и находятся в одинаковом с ними режиме. Постоянное резерви­рование часто применяется в ПТМ, например два тормоза в механизме подъема литейного крана, подвеска кабины лифта на нескольких канатах.

Вероятность отказа системы при постоянном резервировании определяется как вероятность отказа при параллельном соединении элементов по теореме умножения вероятностей незави­симых событий произведением вероятностей отказа ее элемен­тов по формуле (33):

где п — число параллельно соединенных элементов; Fi(t) — ве­роятность отказа i-гo элемента системы.

При равнонадежных элементах, что обычно имеет место на практике, Ft(t)=F(t) и формула (165) примет вид

Из этой формулы видно, что параллельное соединение эле­ментов является весьма эффективным средством повышения надежности объекта.