Файл: Техническая эксплуатацияавтомобилейтеоретические и практические аспекты.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 17.03.2024
Просмотров: 159
Скачиваний: 3
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Элемент № 1
(система питания)
Элемент № 2
(система охлаждения)
Выходные параметры системы
Рис.
Пример взаимодействия разных типов выходных параметров эле- ментов сложной системы многом это зависит от степени расчленения системы на элементы.
В рассмотренном примере система питания и система охлаждения сами являются сложными системами.
Автомобиль является сложной системой, которую можно раз- бить на большое число элементов. При анализе надежности та- кой системы ее элементы разделяют на группы:
1) элементы, отказ которых практически не влияет на рабо- тоспособность автомобиля (повреждение обивки салона, корро- зия крыла). Отказ таких элементов обычно рассматривают изо- лированно от системы;
2) элементы, работоспособность которых за рассматриваемый промежуток времени или наработки практически не меняется (для автомобиля, направляемого на уборку урожая, учитывать измене- ние состояния картера коробки передач не имеет смысла);
3) элементы, восстановление работоспособности которых не требует значительных затрат времени и практически не снижает показателей эффективности работы автомобиля (натяжение рем- ня вентилятора);
4) элементы, отказы которых приводят к отказу автомобиля и регламентируют его надежность.
Функционирование автомобиля связано с выполнением раз- нообразных задач в неодинаковых условиях эксплуатации, поэто- му разделение элементов на группы может быть проблематичным
(отказ стеклоочистителя в сухую погоду не приводит к отказу ав- томобиля, а в дождь и слякоть — приводит к отказу).
62
3.2. Оценка безотказности сложных систем
В зависимости от характера влияния на надежность сложной системы, ее элементы можно считать включенными последова- тельно или параллельно (по аналогии с включением лампочек в гирлянде). При этом реальную конструктивную схему системы следует представлять структурной схемой безотказности. Приве- дем пример структурной схемы подшипникового узла, состояще- го из следующих элементов: — вал, 2 — подшипник, 3 — кор- пус подшипника, 4 — винты крепления крышки подшипника шт.), 5 — крышка подшипника. Если отказ элемента приводит к отказу системы, то можно считать, что элемент включен после- довательно. Если при отказе элемента система продолжает функ- ционировать, то элемент включен параллельно. В соответствии с этим структурная схема подшипникового узла будет иметь вид,
представленный на рис. 3.2.
Безотказность сложной системы, состоящей из последователь- но включенных элементов, определяется произведением вероят- ностей безотказной работы элементов
=
=
Например, если система состоит из 50 элементов с одинаковой безотказностью
= 0,99, то
=
= 0,55.
Как видно из приведенного примера, увеличение элементов при их последовательном включении приводит к снижению без- отказности сложной системы.
Для реальных элементов безотказность является переменной величиной, зависящей от их наработки, ее можно выразить зако- ном распределения вероятностей. На рис. 3.3 показаны графики законов распределения вероятностей для трех последовательно включенных элементов.
. 3.2. Представление подшипникового узла структурной схемой для анализа его надежности:
— номера элементов, представляющих детали подшипникового узла
63
Рис. 3.3. Пример анализа безотказности системы, состоящей из последо- вательно включенных элементов
Из графика следует, что при наработке t\ наибольшую вероят-
/
ность отказа
-
будет иметь первый элемент, однако,
о при увеличении наработки до величины вероятность отказа вто- рого элемента может существенно возрасти. Третий элемент при рассматриваемых значениях наработки остается практически без- отказным. Таким образом, для повышения безотказности систе- мы, состоящей из последовательно включенных элементов, сле- дует в первую очередь повышать надежность наиболее «слабых»
элементов. Одинаково увеличивать средний ресурс всех элементов системы нецелесообразно.
При параллельном включении элементов (рис. 3.4) сложная система откажет только при отказе всех т элементов, вероятность этого события
=
Безотказность сложной системы или
=
Например, для системы из трех элементов с безотказностью
0,9 общая безотказность
= 1 - (1 -
= 0,999.
Таким образом, увеличение числа параллельно включенных элементов увеличивает безотказность сложной системы.
64
Рис. 3.4. Структурная схема сложной системы с параллельно включенными элементами
В качестве примера оценим безотказ- ность грузового двухосного автомобиля по проколу колес (колеса задней оси спа- ренные). Известно, что при определенном пробеге автомобиля безотказность по проколу переднего колеса равна
= 0,999, а по проколу заднего колеса
= 0,995 (часто передние колеса наезжа- ют на лежащий гвоздь, подбрасывают его и он прокалывает зад- нее колесо, поэтому обычно вероятность прокола задних колес больше, чем передних).
Если автомобиль груженый (вариант а), то при проколе любо- го колеса дальнейшее движение автомобиля невозможно — на- блюдается отказ сложной системы. Если автомобиль совершает по- рожний пробег (вариант б), то при проколе одного из спаренных колес дальнейшее движение возможно; отказ будет происходить только при проколе обоих спаренных колес или переднего колеса.
В соответствии с этими условиями на рис. 3.5 показаны структур- ные схемы безотказности сложной системы по обоим вариантам.
Безотказность сложной системы по структурной схеме варианта а
=
Вариант а
Зл
Вариант б
Рис. 3.5. Структурная схема автомобиля при анализе его безотказности по проколу колес:
— переднее левое колесо;
— переднее правое колесо;
— заднее левое колесо;
— заднее правое колесо
65
Безотказность сложной системы по структурной схеме варианта 6
=
(1 -
=
-
= 0,998.
Таким образом, при движении груженого автомобиля отказ по проколу колеса может наблюдаться в 22 случаях из 1 000, а при движении порожнего автомобиля — в двух случаях из 1 000.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 24
3.3. Резервирование как метод повышения
надежности автомобиля
Резервированием называют способ обеспечения надежности объекта за счет использования дополнительных средств и возмож- ностей, избыточных к минимально необходимым при выполне- нии требуемых функций. Иногда вместо термина «резервирова- ние» используют словосочетание «введение избыточности». Меж- ду этими понятиями есть много общего, но есть и различия, по- этому их нельзя воспринимать как синонимы. Под избыточностью
понимают превышение производительности, размеров, прочно- сти и над минимально необходимыми значениями показате- лей. Ясно, что введение избыточности не означает автоматическо- го улучшения показателей надежности. Чтобы улучшение надеж- ности произошло, необходимо должным образом управлять из- быточными ресурсами.
Виды и методы резервирования довольно разнообразны и за- висят как от типа характеристик, которые должны быть улучше- ны, так и от класса систем, в которых резервирование использу- ется. Можно выделить следующие виды резервирования:
структурное резервирование — это способ повышения надеж- ности системы, состоящий в применении в системе дополнитель- ных (резервных) элементов, которые не являются необходимыми для выполнения возложенных на систему функций, но использу- ются системой после отказа основных элементов. Характерной особенностью структурного резервирования является то, что в идеально надежной системе все резервные элементы могут быть удалены из системы без какого-либо ухудшения качества ее функ- ционирования. Резервные элементы нужны только тогда, когда появляется возможность отказа основных элементов;
функциональное резервирование — это способ повышения на- дежности, использующий свойства технических систем при отка- зах элементов обеспечивать безотказное функционирование сис- темы за счет перераспределения функций и более интенсивной работы элементов, выполнявших до отказа только свои основные функции. Этот способ широко применим в живых организмах.
Простейшим примером реализации способа в технике можно счи-
66
тать перераспределение нагрузок в несущих элементах кузова пос- ле появления трещины в одной из его стоек, когда фактического отказа кузова нет и он продолжает работать. При функциональ- ном резервировании в системе нет «лишних» элементов — они все необходимы для выполнения требуемого набора функций в условиях нормальной эксплуатации;
временное резервирование — это способ повышения надежно- сти, при котором системе в процессе ее функционирования пред- оставляется возможность израсходовать некоторое время, называ- емое резервным, для восстановления технических характеристик.
Резерв времени можно израсходовать на переключение структур- ного резерва (установить запасное колесо), обнаружение и устра- нение отказов (например, заменить оборвавшийся ремень), по- вторение работы и при этом выполняя заданные показа- тели функционирования системы (например, сменное задание ав- томобиля по грузообороту).
Рассмотрим более подробно структурное резервирование, ко- торое делят на два вида: «горячий резерв», когда резервируемый элемент дублируется такими же параллельно и постоянно вклю- ченными элементами, и «холодный резерв», когда дублирующий элемент включается в работу только после отказа основного эле- мента. Для автомобиля примером холодного резерва является за- пасное колесо, спаренные задние колеса грузового автомобиля при порожнем пробеге можно считать примером горячего резерва
(при проколе одного из колес порожний автомобиль может про- должать движение).
При резервировании различают два метода (рис. 3.6):
поэлементное резервирование, когда резервируются отдельные элементы сложной системы;
Общее резервирование
Раздельное резервирование и
Рис. 3.6. Структурная схема системы при поэлементном и общем резер- вировании
67
общее резервирование, когда при отказе элемента сложной сис- темы ее может заменять такая же резервная система (резервирует- ся вся элементов).
Безотказность сложной системы при поэлементном резервиро- вании
Например, при
= 0,9, п = 4, т = 3,
(1 -
= 0,996,
отказ системы можно ожидать в четырех случаях из 1 000.
Безотказность сложной системы при общем резервировании
=
Для того же примера при
= 0,9, п = 4, т = 3 безотказность системы
= 1 - (1 -
- 0,958,
отказ системы можно ожидать в 42 случаях из 1 000.
Проведенные расчеты показывают, что поэлементное резер- вирование дает более высокую безотказность сложной системы,
однако реализация этого метода резервирования для механичес- ких устройств практически невозможна (для подключения резерв- ных элементов потребуются специальные устройства, т.е. новые элементы, и система станет иной).
Общее резервирование для механических устройств является более приемлемым (в конструкции автомобиля используется мно- гоконтурная система тормозов), однако и в этом случае резерви- рование сопровождается ростом числа элементов в цепочке слож- ной системы. Рост числа элементов в системе приводит к сниже- нию ее безотказности, и при определенном соотношении увели- чения числа элементов и числа резервных цепочек безотказность системы может не только не увеличиться, а и уменьшиться.
С учетом сказанного для повышения безотказности механичес- ких устройств и, в частности, автомобиля, чаще всего прибегают к повышению запасов прочности деталей или увеличению их из- носостойкости и т.п.
3.4. Оценка параметрической безотказности
и долговечности изделий
Элементы сложной системы, как правило, имеют несколько выходных параметров, по каждому из которых возможен отказ элемента. Например, полнопоточный фильтр может отказать из-за прорыва фильтрующего элемента или вследствие его забивания.
Для оценки безотказности сложной системы необходимо соста-
68
вить структурные схемы по параметрам возможных отказов. При- мер анализа вариантов конструктивной схемы последовательного и параллельного включения двух фильтров приведен на рис. 3.7
Если в рассматриваемом примере безотказность фильтра по прорыву фильтрующего элемента
=
а по его забиванию —
то при параллельном включении фильтров общая безотказ- ность по прорыву будет равна
=
- 0,49, а по забиванию —
1 - (1 -
= 0,99. При последовательном включении фильт- ров общая безотказность по прорыву
=
а по забива- нию —
1 - (1 -
Сравнивая минимальные значения общей безотказности, можно сделать вывод, что при последова- тельном включении фильтров рассматриваемая сложная схема надежнее. (Не следует забывать, что этот вывод справедлив при заданных значениях безотказности по рассматриваемым парамет- рам.)
Для сложных систем с большим числом элементов и их выход- ных параметров рассматривается столько структурных схем, сколь- ко может быть сочетаний возможных отказов по всем параметрам.
Поскольку большинство элементов автомобиля (сложной сис- темы) могут выходить из строя по разным параметрам, при оцен- ке долговечности элемента следует это учитывать. Например, ку- зов легкового автомобиля может быть отправлен в утиль при серь- езных повреждениях в дорожно-транспортных происшествиях
(ДТП) и при сильной коррозии или усталостных разрушениях.
Допустим, что средний ресурс кузова по ДТП
= 100 тыс. км, а средний ресурс кузова по коррозии
= 120 тыс. км при среднем квадратическом отклонении
= 15 тыс. км. Какой в этом случае средний ресурс кузова?
Конструктивная схема
Структурная схема безотказности по забиванию элемента по разрушению элемента
Рис. 3.7. Пример анализа параметрической безотказности двух конструк- схем
69