1. НАЗНАЧЕНИЯ, ОПРЕДЕЛЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ
ПОНЯТИЯ НАУКИ О НАДЕЖНОСТИ

 

1.1. НАДЕЖНОСТЬ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ И ЭКОНОМИЧЕСКИЕ
АСПЕКТЫ

 

Человек всегда стремился к использованию надежных изделий, однако, до недавнего времени понятие надежности практически не выходило за рамки чего-то качественно-абстрактного и оцениваемого только субъективно. Научный подход к проблеме наметился сравнительно недавно − в 50-х годах нашего века, как только назрела потребность в умении количественно оценивать надежность.

В современных же условиях, когда наука и техника обеспечивают широкое внедрение в повседневную жизнь и деятельность человека сложных изделий с высокими функциональными возможностями, когда затраты на их создание и содержание непрерывно увеличиваются, одной из главных проблем технического прогресса становится обеспечение надежности и долговечности производимых изделий как основных показателей их качества.

Свои первые шаги теория надежности сделала применительно к нуждам машиностроения − в подшипниковой промышленности, наиболее бурно она стала развиваться в послевоенные годы с развитием радиоэлектроники и приборных систем. Однако целый ряд теоретических положений надежности изделий радиоэлектроники оказался непригодным в машиностроении, и в настоящее время по этой причине проводятся интенсивные работы по развитию теории надежности механических систем.

Под теорией надежности вообще следует понимать научную дисциплину, изучающую общие методы и приемы, которых следует придерживаться при проектировании, изготовлении, приеме, транспортировке и эксплуатации изделий для обеспечения максимальной их эффективности в процессе использования. Теория надежности дает ответы на весьма важные для человека вопросы: I) сколько времени изделие может работать без отказов; 2) сколько отказов может произойти за определенный отрезок времени; 3) как следует спроектировать и изготовить оптимально надежное изделие; 4) как необходимо эксплуатировать изделие (периодичность осмотров, профилактических ремонтов, требуемое количество запасных частей, общая длительность эксплуатации) для того, чтобы оно было надежным и экономически целесообразным в использовании.

Терминами «надежность» и «долговечность» принято обозначать следующие свойства изделий [2].

Надежность − свойство изделия сохранять свои функциональные параметры в заданных пределах, необходимых для выполнения своего назначения в определенных условиях в течение определенного времени.

Долговечность − это свойство изделия в течение длительного времени (с возможными перерывами на ремонт) сохранять работоспособность в определенных условиях эксплуатации до разрушения или другого предельного состояния.

Простои оборудования в современном производстве, особенно вследствие аварийных остановок на ремонт, обходятся чрезвычайно дорого. Это особенно характерно для химико-технологических схем, где от одного аппарата зависит возможность работы и остальных, последовательно перерабатывающих исходное сырье в продукт. Современные тенденции развития машин и аппаратов химических производств направлены на создание высокопроизводительного оборудования большой единичной мощности, а, соответственно, и более дорогостоящего, вследствие чего растет стоимость часа простоя единицы основного оборудования и стоимость резервного оборудования, устанавливаемого во избежание простоев.

Из определения надежности и долговечности следует, что надежность машин и аппаратов в значительной мере определяет экономическую эффективность использования оборудования принципиально почти при любых обстоятельствах. Долговечность же имеет особо важное значение только в тех случаях, когда достигнут невысокий срок службы аппарата или машины, значительно меньший, чем срок морального износа.

Отсюда можно сделать вывод, что изучение вопросов надежности и долговечности оборудования должно служить основой экономичного проектирования технологических систем, определения оптимального графика ремонтных работ и для отыскания оптимальных условий повышения технико-экономических показателей работы отдельных видов оборудования.

Опыт промышленной эксплуатации оборудования показывает, что между уровнем его надежности и величиной затрат на создание имеется характерная взаимосвязь, вид которой представлен на (рис. 1.1.)

Рис. 1.1. Взаимосвязь между уровнем надежности оборудования (X) и
величиной затрат на его создание (Y)

 

Кривая A отражает возрастание затрат на повышение надежности изделия при изготовлении. Кривая B показывает снижение эксплуатационных затрат с увеличением надежности изделия. Кривая C соответствует зависимости суммарных затрат на обеспечение надежности и эксплуатацию изделия от уровня его надежности. Представленная качественная взаимосвязь свидетельствует о существовании оптимального уровня надежности Xопт, соответствующего минимальным общим затратам, т.е. наивысшей эффективности изделия

Промышленный опыт показывает также, что существует оптимальное время эксплуатации изделия с момента его изготовления, до того времени, когда его дальнейшая эксплуатация становится нецелесообразной (рис. 1.2) [6].

Рис. 1.2. Зависимость основных затрат на содержание от времени
эксплуатации изделия

 

Кривая F качественно характеризует зависимость затрат 3 на ремонт изделия от времени эксплуатации t. Уменьшение амортизационных отчислений в процессе эксплуатации изделия отражает кривая Е. Суммарные затраты на содержание изделия изменяются в соответствии с зависимостью D, которая имеет минимальное значение при оптимальном времени эксплуатации tопт.

Таким образом, на основании рассмотренных свойств функционирующих объектов можно заключить, что каждый из них характеризуется экономически целесообразным уровнем надежности и временем эксплуатации.

При оценке эффекта от повышения надежности необходимо учитывать конкретные обстоятельства. Если, например, повышение надежности привело к увеличению времени эксплуатации между ремонтами без существенного изменения стоимости оборудования, то годовая экономика Э1 может быть оценена по формуле

  ,

где n1, n2 − число отказов до и после повышения надежности оборудования; tв   − среднее время, необходимое на единичный ремонт оборудования в часах; Сч − стоимость часа ремонтных работ в руб. (учитывает стоимость ремонтных работ как таковых и убыток от часа простоя единицы оборудования для нерезервированных систем); В − число единиц оборудования, установленных на предприятии или выпущенных машиностроительным заводом, в зависимости от того, в каком аспекте решается задача определения экономии.

Если же повышение надежности ведет к увеличению стоимости машины или аппарата, то экономический эффект определяют по следующей зависимости:

где Ц1 и Ц2 − цена оборудования до и после повышения надежности; Р1 и Р2 − вероятность безотказной работы до и после повышения надежности.

Улучшение качества оборудования приводит не только к повышению его надежности, но и к увеличению долговечности – общего времени эксплуатации при условии многократных ремонтов. Приведенные формулы учитывают экономию от снижения простоев в нерезервированной системе. Они показывают, что отказ оборудования не только снижает время полезного использования этого оборудования, но и вносит расстройство в технологический процесс, сопровождающийся убытками, как правило, большими, чем затраты на ремонт.

 

1.2. СТОХАСТИЧЕСКИЙ ХАРАКТЕР ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
ОБОРУДОВАНИЯ

 

По режиму работы оборудование делится на непрерывно действующее и работающее периодически. Особенно важна проблема надежности для непрерывно действующего оборудования, поскольку для него планируется более плотный график рабочего времени, и поэтому предъявляются повышенные требования по надежности [2, 3].

Важным при анализе надежности оборудования является понятие отказа. Под отказом понимают событие, заключающееся в утрате работоспособности аппаратом, узлом или деталью. Утрата работоспособности изделием может быть полной или частичной. При частичной потере работоспособности изделие функционирует, но некоторые эксплуатационные параметры принимают недопустимые значения. Отказ - одно из основных понятий теории надежности, так как последняя посвящена изучению закономерности их появления во времени.

Изучение случаев отказа оборудования является важнейшим средством повышения надёжности оборудования, можно даже сказать точнее−первостепенным. Большой интерес представляет классификация отказов (рис. 1.3) и в табл. 1.1 [7, 8].

 Рис. 1.3. Схема классификации отказов

1.1. Классификация отказов

Наименование отказов

Классификационный признак

1

Зависимый

Обусловлен отказом или повреждением другого элемента

2

Независимый

Не обусловлен отказом других элементов

3

Функциональный

Объект полностью перестает выполнять свои функции

4

По параметру

Один или несколько функциональных параметров выходят за пределы нормы

5

Конструкционный

Возникает в результате нарушения норм конструирования

6

Производственный

Возникает в результате нарушений в процессе изготовления или при ремонте объекта

7

Приработочные

Возникают в результате неполного взаимного соответствия элементов объекта вследствие неправильного изготовления, сборки и "приспособления" их к рабочей нагрузке

8

Эксплуатационный

Возникает в результате нарушения правил или условий эксплуатации объекта

9

Внезапный

Скачкообразное изменение заданных пара метров и их выход за пределы нормы

10

Постепенный

Постепенное изменение параметров и их выход на пределы нормы

11

Сбой

Временный самоустраняющийся отказ

12

Перемежающийся

Многократно возникающий сбой одного характера

 

Дополнительно следует указать, что приработочные отказы возникают в первые часы работы объекта. Применительно к механическим системам влиянием приработочных отказов на надежность, как правило, пренебрегают, так как объекты обычно не ставятся под полную рабочую нагрузку до тех пор, пока не пройдут так называемого периода обкатки, в течение которого устраняются отказы путем замены элементов, регулировки и т.д. Таким образом приработка превращается в дополнительную технологическую операцию изготовления объекта.

Постепенные отказы возникают вследствие постепенного протекания необратимых физических, физико-химических и других процессов, в числе которых можно назвать усталостные разрушения, коррозионный и абразивный износы, старение и др. Они имеют закономерный характер, и поэтому их можно прогнозировать с достаточной степенью достоверности.

Внезапные отказы возникают вследствие причин, которые трудно устранить заранее, например, поломка детали из-за внутренних дефектов, внезапного повышения рабочих нагрузок, коробления от местных перегревов и др. Такие отказы практически невозможно предвидеть путем использования физических закономерностей, так как появление причин их вызывающих носит чисто случайный характер. Единственная их закономерность − постоянная интенсивность во времени (в статистическим смысле). Примерами внезапного отказа могут служить заклинивание подшипника перемешивающего устройства, разрыв трубки теплообменника. Примерами постепенных отказов являются медленное зарастание рабочего объема аппарата отложениями, наростами, отложение накипи на теплообменных трубках в подогревателях выпарных установок, забивка фильтрующей ткани, что ведет к снижению производительности и необходимости остановки аппаратов для очистки.

Таким образом, в общем случае оценка оборудования и исследование его работы в аспекте надежности не могут основываться на детерминированных, строго закономерных явлениях отказа [9]. Отказ в каждый момент является случайным событием, и по этой причине для расчета вероятности состояния оборудования (ситуации работоспособности или отказа) должен быть использован вероятностно-статистический подход. Необходимость такого подхода в решении указанных задач подтверждают следующие обстоятельства:

1) реальная текущая нагрузка обычно отличается от проектной;

даже при наличии автоматического регулирования важнейших параметров их значение колеблется в некотором интервале с частотой, зависящей от свойств объекта и регулятора, поэтому однозначно определенно (детерминированно) предсказать наступление отказа в результате коррозии, абразивного износа, поломки детали и других причин нельзя;

2) прочностные характеристики металла, фактические размеры и другие характеристики также являются величинами случайными по причине существования допусков и определяются с ограниченной точностью; поскольку указанные характеристики существенно влияют на работоспособность оборудования, то их использование также является причиной невозможности детерминированного подхода в оценке надежности;

3) значения кинетических характеристик процессов, которые тем или иным образом приводят к отказу оборудования, известны с ограниченной точностью; причиной тому являются не только физико-химическая сложность процессов, но и, как правило, их статистическая сущность.

Реальные объекты химической промышленности обычно характеризуются наличием полного комплекса причин всех трех категорий, которые тем более не позволяют проводить детерминированную оценку показателей надежности.

1.3. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНЫ НАДЕЖНОСТИ

При ускоренных испытаниях надежности установленного на предприятиях оборудования и обработке материалов по его отказу используются показатели, которые являются, в основном, вероятностными [2, 3].

Вероятность безотказной работы Р(t) − такая функция времени, которая определяет вероятность того, что к моменту времени t данная единица оборудования ни разу не откажет. Р(t) может быть найдена по числу отказов в контрольной группе из N единиц одинакового оборудования, работающего в одинаковых условиях:

Вероятность безотказной работы можно определить и как отношение числа m(t) исправно работающих аппаратов в течение рассматриваемого времени к общему количеству аппаратов N, находящихся под наблюдением. В инженерной практике задачу определения вероятности решают статистически. Для этого интервал (0, t) разбивают на несколько диапазонов (8 - 12) равной величины и для каждого i - диапазона определяют ni(t) число отказавших аппаратов. Тогда

Для принятия рациональных мер по повышению надежности оборудования в соответствующей организации (конструкторское бюро, завод - изготовитель, служба главного механика завода, эксплуатирующего оборудование) важно накапливать систематическую информацию о его работе. Для этого необходимо вести записи в специальных журналах о результатах наблюдений за изнашивающимися деталями, об отказах, наработках, неисправностях, ремонтах. Важнейшей характеристикой надежности при этом является наработка на отказ.

Наработкой на отказ называется продолжительность работы аппарата до отказа в часах и объем получаемого за это время продукта (в м3, т, циклах и др.). Указанная характеристика не включает время простоев и поэтому не является календарным временем с момента пуска аппарата. Средняя наработка на отказ − математическое ожидание наработки объекта до первого отказа.

Для восстанавливаемых объектов наработка на отказ есть отношение общей ее величины за достаточно большой период эксплуатации к математическому ожиданию числа отказов в течение этого периода.

Характеристикой готовности аппарата к эксплуатации является коэффициент готовности, который находят по уравнению [7]

где Т − наработка на отказ; Тв − среднее время восстановления.

По сути коэффициент готовности − это вероятность того, что объект окажется работоспособным в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых использование объекта по назначению не предусмотрено.

Эффективность использования объекта оценивается в теории надежности коэффициентом технического использования, который представляет отношение математического ожидания времени пребывания объекта в работоспособном состоянии за некоторый период эксплуатации к сумме математических ожиданий времени пребывание объекта в работоспособном состоянии, времени простоев, обусловленных техническим обслуживанием, и времени ремонтов за тот же период эксплуатации [7]:

Другими показателями использования объектов являются коэффициенты использования, экспансивного использования и интенсивного использования.

Коэффициентом экспансивного использования аппарата или машины Kэ называют отношение времени Тф, фактически отработанного, к календарному времени [10]:

Коэффициентом интенсивного использования Kи называют отношение фактической производительности Qф к теоретической или оговоренной в технической документации на аппарат или машину Qтеор

Коэффициент использования Kи представляет собой произведение коэффициентов экспансивного и интенсивного использования [11].

Поскольку коэффициент Kэ <1, обычно Kэ = 0,8…1,0, а коэффициент Kи, может быть больше и меньше единицы (обычно 0,8<Kи<1,2), то коэффициент использования может быть также и больше и меньше единицы (обычно 0,4<K<1,2).

Практика эксплуатации больших групп химического оборудования показывает, что при его работе бывают периоды частых отказов и периоды относительно редких выходов из строя, обычно характерных для нового оборудования в течение одного-двух лет его эксплуатации после установки.

Вероятность отказа связана с вероятностью безотказной работы P(t) простым соотношением [14]

  .

Качественные изменения, происходящие в оборудовании во вре­ мя его эксплуатации, удобно выражать интенсивностью отказов λ(t)

где n(t) − число отказов за время ∆t, N ср (t)    − среднее число действующих в этот период аппаратов.

При этом считают, что отказавшие аппараты или машины не ремонтируются и не заменяются новыми.

Сходной характеристикой является также плотность вероятности отказов f(t), представляющая собой отношение числа отказавших аппаратов n(t) к числу первоначально установленных N0 за единицу времени ∆t:

Вероятность безотказной работы может быть определена с использованием приведенных выше характеристик. Так с учетом того, что вероятность отказа     , получаем

или

 

 

Применительно к оценке долговечности оборудования важным является понятие ресурса, которое представляет собой наработку аппарата до наступления предельного состояния, оговоренного в технической документации. Под предельным состоянием следует понимать такое нерабочее состояние эксплуатируемого оборудования, при котором возникает нецелесообразность дальнейшего ремонта.

При серийном изготовлении аппаратов и машин фактически не все машины обеспечат указанный в паспорте ресурс. По этой причине приводится также  процентный ресурс, который представляет собой обусловленное число процентов машин, показывающих или превышающих выведенный ресурс.

Для разработки и внедрения мероприятий по повышению качества ремонта и эксплуатации оборудования инженер-механик химического производства должен уметь рассчитывать и оценивать показатели его надежности. Всесторонне оценить надежность в целом и отдельные ее свойства можно только на основе качественных измерений.

 

на главнуюследующая главатестирование