Файл: Смирнов, О. Р. Надежность судовых энергетических установок.pdf

Практика -эксплуатации различного рода сложных систем, в том числе и СЭУ, показывает, что типичная зависимость интенсивности отказов от времени имеет вид, представленный на рис. 32 (кривая 1).

На рис. 32 выделено три характерных периода эксплуатации: I — период приработки (до ix), II — период нормальной работы (от tx до t 2) и II I — период интенсивного старения (после t2).

Период приработки — это начальный промежуток времени экс­ плуатации, когда выявляются наиболее грубые ошибки, допущенные при проектировании и изготовлении элементов СЭУ, неточность монтажа, скрытые дефекты материалов и т. д. В течение этого проме­ жутка времени происходит и наибольшее число отказов по вине лич­ ного состава, так как тре­

дельных элементов, швар­ товные и ходовые испытания установки, когда выявляются и устра­

няются многие из указанных дефектов.- Период приработки закан­ чивается обычно в первый гарантийный год эксплуатации. Число отказов в это время может значительно превышать эту же величину в дальнейшем. Так, например, в первый год эксплуатации число отказов малооборотных дизелей может быть в 1,5—-2 раза больше, чем в последующие годы.

Период нормальной работы характеризуется постоянным значе­ нием интенсивности отказов; здесь справедлив экспоненциальный закон надежности. Этот период занимает большую долю времени эксплуатации.

В последний период — период старения интенсивность отказов растет вследствие износа, старения деталей и т. п. Для транспортных судов повышенный уровень износа наблюдается к 17—20 годам экс­ плуатации. Этот период также не продолжителен [29].

Все изложенное выше свидетельствует о том, что экспоненци­ альный закон надежности часто оказывается справедливым в прак­ тике эксплуатации СЭУ; это подтверждается также рядом исследова­ ний применительно к конкретным элементам и установке в целом.

Так, например, данные [39] о результатах эксплуатации более чем 100 двигателей теплоходов «Ракета» и «Метеор» в навигации 1960— 1966 гг,-показывают, что 95% отказов этих двигателей носило случайный характер. В работе [72] рассматриваются отказы элек­ трооборудования 94 судов (дизель-генераторы, валогенераторы, электродвигатели). Показано, что число отказов хорошо согласуется с законом Пуассона. Постоянство интенсивности отказов судового

1 1 7

электрооборудования отмечено также и в работе [54 ]. Работа [83] посвящена анализу отказов 35 дизелей М-400, 32 дизелей 6ЧНСП и 26 дизелей 6ЧСП в период их работы до первой переборки («Л000 ч работы). Анализ данных об отказах этих двигателей показал, что интенсивность их отказов есть величина постоянная. Справедливость экспоненциального закона и для других элементов СЭУ показана в работе [73 ]. Однако указанное не означает, что при анализе надеж­ ности установки следует использовать лишь показательное распре­ деление времени безотказной работы. Как будет показано далее, в практике расчетов нашли применение и другие законы распреде­ ления, каждый из которых имеет свою область использования.

Найдем теперь вероятность безотказной работы за время Т, т. е. за промежуток времени, равный среднему времени безотказной ра­

боты. Так как Р (t) — e~kt, Т = - ~ , то при t — T Р (Т)=е~1 ^ 0,37.

Таким образом, среднее время безотказной работы в данном слу­ чае есть время, в течение которого вероятность безотказной работы уменьшается в е раз.

В заключение этого раздела остановимся на некоторых вопросах, связанных с влиянием нагрузки на процесс возникновения отказов СЭУ.

Изменение режима работы элемента может привести не только к увеличению или уменьшению параметров закона, но и к изменению его характера, так как во многих случаях от нагрузки зависит вид физических процессов, приводящих к отказам.

Здесь следует отметить, что критерии нагрузки применительно к элементам СЭУ могут быть различны: механические напряжения, частота вращения, скорость, температура и др., причем с изменением режима работы указанные параметры могут меняться различным образом. Выбор того или другого из них в качестве определяющего является специфичным для каждого конкретного случая.

В теории надежности считается обычно, что нагрузка не влияет на ремонтопригодность элемента: от нее зависят лишь безотказность и долговечность. Типичная зависимость количественных характери­ стик этих свойств от нагрузки представлена на рис. 32 (номиналь­ ный режим работы— кривая 1, облегченный — кривая 2) [50]. Рассмотрение этого рисунка показывает, что при облегченном режиме работы интенсивность отказов, оставаясь постоянной, уменьшается, а длительность периодов приработки и нормальной эксплуатации увеличивается. Таким образом, уменьшение нагрузки на работаю­ щий элемент является одним из способов повышения его надежно­ сти, которым широко пользуются в практике проектирования и экс­ плуатации СЭУ. Так, например, эксплуатационная мощность глав­ ного двигателя, как правило, составляет (0,8—0,9)А7НОМ.

Количественно такое облегчение режима работы характеризуется коэффициентом загрузки элемента

is _ М>еж

118

где Л/реж и Уном — соответственно мощность на данном режиме и номинальное значение мощности.

Зависимость надежности от величины К3 обычно выражают сле­ дующим образом:

^реж = ^ном-Кз>

где п — опытный коэффициент, лежащий для механического обору­

Отсюда видно, что даже незначительное снижение нагрузки может привести к существенному росту надежности элемента и наоборот. Не случайно поэтому перегрузка многих элементов установки до­ пускается лишь до 10% и только в течение короткого времени.

Отметим также, что облегчение режима работы элементов уста­ новки наряду с увеличением их надежности во многих случаях при­ водит к ухудшению их массогабаритных и экономических показате­ лей. Так, максимальное значение к. п. д. двигателей и вспомога­ тельных механизмов обеспечено при номинальном режиме работы и уменьшается на других режимах, наличие запасов по мощности, производительности приводит к недоиспользованию массы и габа­ ритов оборудования. Таким образом и здесь вопросы надежности СЭУ целесообразно решать с учетом их связи с другими задачами проек­ тирования установки.

Схема накапливающихся повреждений* Нормальный закон

(закон Гаусса) является предельным: при довольно общих условиях к нему приближаются другие законы распределения. Так, в соответ­ ствии с центральной предельной теоремой сумма большого числа независимых (или слабо зависимых) случайных величин, каждая из которых вносит небольшой вклад в эту сумму, хорошо согласуется

снормальным законом.

Втеории надежности нормальный закон используется, например при описании отказов, вызванных общей коррозией [16]. При нор­ мальном законе плотность (частота отказов) имеет вид:

Кривые плотности нормального распределения симметричны и

По мере удаления от точки Т значения плотности уменьшаются и кривая асимптотически приближается к оси абсцисс. Параметры закона Т и о являются соответственно математическим ожиданием и средним квадратичным уклонением, т. е. Т есть среднее время без­ отказной работы, а о равно корню квадратному из дисперсии времени безотказной работы. Характер кривых плотности нормального закона в зависимости от значений параметров Г и а изображен на рис. 33,

Отложим на оси времени от точки Т вправо и влево отрезки дли­ ной о (рис. 34). Тогда площадь под кривой плотности (т. е. вероят­ ность отказа) в интервале (Т — о, Т + а) для нормального закона

119

равна 0,6827. Если таким же образом отложить отрезки длиной 2а, то вероятность наступления отказа в интервале (Т — 2а, Т + 2а) равна 0,9545. И, наконец, в интервале (Т — За, Т + За) эта вероят­

сюда видно,что в отличие от экспоненциального закона ремонтные, профилактические ме­ роприятия или замена элемента на аналогичный новый являются действенным методом повышения надежности, причем чем чаще они проводятся, тем выше безотказ­

тики точностью можно пренеб­ речь. Указанное соотношение Т и а часто выполняется для элемен­

120