Лекция 19. Эксплуатация и надёжность автомобилей

1. Периоды эксплуатации машин. Эксплуатация машины — слож­ный процесс, который состоит из различных периодов, во время которых работоспособность машины либо уменьшается, либо восстанавливается.

Под эксплуатацией машины будем понимать весь срок ее су­ществования от выпуска заводом-изготовителем до снятия с экс­плуатации, который может состоять из отдельных периодов (таблица 1).

Таблица 1 - Периоды эксплуатации машин

Для различных машин в зависимости от их назначения харак­терны определенные сочетания перечисленных периодов и различ­ная их длительность.

Например, для технологического оборудования консервация и транспортировка характерны лишь в начальный период экс­плуатации. Основными при эксплуатации будут периоды работы и периодических простоев в ремонте, а также простои при не­полном использовании машины. Для боевой техники, например ракет, наоборот, характерны длительные периоды хранения и периодических проверок и кратковременный период использо­вания.

От структуры процесса эксплуатации, т. е. от чередования и длительности отдельных периодов во многом зависит и выбор показателей надежности, которые отражают требования как к без­отказности изделия в период его работы, так и возможность дли­тельного поддержания работоспособности изделия. Классифи­кация машин по цикличности их работы приведена в таблица 2.

Таблица 2 - Классификация машин по цикличности их работ.

Характер эксплуатации определяет выбор системы ремонта, которая должна так установить структуру ремонтного цикла и со­держание отдельных видов ремонта, чтобы при наименьших за­тратах времени и средств, т. е. при минимальных относительных ремонтных потерях г, обеспечить поддержание машины в работо­способном состоянии.

Кроме того, характер работы машины во времени определяет период, в течение которого следует оценивать ее безотказность. Так, например, для автомобиля — это время пробега между пла­новыми техническими обслуживаниями, для самолета — длитель­ность полета, для металлорежущих станков — время между плановыми ремонтами, для сельскохозяйственных машин — безотказная работа в течение сезона. Для систем с кратковременным периодом работы кроме вероятности безотказной работы при функ­ционировании следует также рассматривать потенциальную работо­способность в период хранения (она может оцениваться, например, коэффициентом готовности).

Для машин, непрерывно работающих в течение всего периода эксплуатации, остановка для ремонта невозможна, а техническое обслуживание либо допустимо (турбины ГЭС), либо -также не­возможно (спутники). В этом случае допустимое значение Р (t)— 1 и характеристикой надежности будет запас надежности при рас­чете на заданную длительность эксплуатации или фактический срок службы, если изделие эксплуатируется до отказа.

На фактические показатели надежности существенное влияние оказывают условия и методы эксплуатации машины, применяе­мая система ремонта и технического обслуживания, квалификация персонала.

2.Спектры эксплуатационных нагрузок. Показатели надеж­ности зависят от тех условий, в которых эксплуатируется ма­шина, и от режимов ее работы.

Рассеивание нагрузок, скоростей, температур, влажности, запыленности и других показателей среды, в которых работает машина, является основной причиной случайного характера про­цесса изменения выходных параметров изделия.

Окружающая среда оказывает существенное влияние на работу тех машин, которые функционируют вне заводских помещений и имеют непосредственный контакт с атмосферой или иной средой. Особенно широк диапазон внешних условий для транспортных машин, функционирующих в различных климатических зонах.

Так, известно, что даже в равнинных условиях центральной европейской части нашей страны атмосферное давление на земле изменяется в диапазоне от 720 до 790 мм рт. ст., а в высокогор­ных условиях Средней Азии может доходить до 400—450 мм рт. ст. Температура воздуха на земле имеет диапазон изменения θ = 220÷ 320 К. Скорость ветра на земле доходит до 20—30 м/с и более, причем возможны различные направления по отношению к изделию.

Машины, эксплуатация которых происходит в стационарных заводских условиях, тем не менее часто воспринимают разнообраз­ные нагрузки, имеют непостоянные циклы работы, испытывают воздействие от соседних машин и агрегатов. Поэтому выявление спектра эксплуатационных нагрузок, действующих на машину и ее элементы, и их вероятностные характеристики являются не­обходимым условием для анализа и прогнозирования надежности.

В последние годы проведены многочисленные исследования по выявлению характера нагрузок и условий эксплуатации раз­личных типов машин. Эти данные отражают не только структуру машины, но в первую очередь те внешние воздействия, восприятие которых она должна испытывать. Полученные спектры эксплуатационных нагрузок можно, как правило, использовать и при расчете новых машин и для оценки их надежности на ста­дии проектирования.

Спектры эксплуатационных нагрузок для различных машин и их элементов представляются обычно в виде кривых плотности вероятности для соответствующего фактора, Например, исследование распределения мощности на шпинделе токарных станков показывает большую неравномер­ность в загрузке станков и малое использование максимально допустимых нагрузок. Аналогичная картина, по данным ЭНИМС, наблюдается и при анализе распределения частоты вращения шпинделя универсальных станков. Эти зависимости могут быть во многих случаях описаны законом Релея, логарифмически- нормальным или другим асимметричным законом распределения. В ряде случаев рассеивание действующих факторов подчиняется нормальному закону распределения, например, распределение крутящих моментов на полуоси заднего моста самоходного ком­байна и распределение напряжений в рамах железнодорож­ных вагонных тележек.

Для оценки нагрузок, действующих на машину, обычно учи­тывается взаимодействие внешних факторов с динамической си­стемой машины, которая, воспринимая их, может усиливать или ослаблять внешние воздействия. Так, для механических нагрузок на машину характерно наличие резонансных зон с повышенными значениями амплитуд и соответственно напряжений при коле­бательных процессах упругой системы. Для выявления этих зон используют метод анализа спектральной плотности. В качестве примера можно привести результаты исследований, проведенных канд. техн. наук Л. М. Аксеновым по оценке процессов нагруже­ния деталей рулевого управления грузового автомобиля при раз­личных режимах и условиях эксплуатации. При этом процесс характеризовался не только математическим ожиданием и дис­персией, но и функцией спектральной плотности G (f).

На рисунке 1 приведена нормированная спектральная плот­ность процесса нагружения рычага трапеции автомобиля ЗИЛ-130 при движении по булыжному шоссе с различными скоростями. Данный анализ показывает, что имеется несколько экстремальных зон, соответствующих собственным частотам колебаний подрес­соренных и неподрессоренных масс (соответственно частоты и /₂) и собственной частоте колебаний колес вокруг шкворней (частота /₃).

Рисунок 1 - Нормированная спектральная плотность процесса нагружения рычага трапеции автомобиля ЗИЛ – 130

В условиях движения автомобиля с постоянной скоростью по прямолинейному участку процесс нагружения относится к кате­гории стационарных случайных процессов. При обычных пере­менных режимах работы дисперсия процесса нагружения а² связана со скоростью v степенной зависимостью типа or² = а + + bv^т, т. е. процесс становится нестационарным.

Для многих типов машин, режим эксплуатации которых состоит из различных периодов, разрабатывается типовой график работы машин, отражающий средние (или экстремальные) воздействия на машину (типовой полет Q самолета, испытание станка при обработке типовой детали и т.д.) Эти данные в сочетании с вероятностью характеристикой внешних воздействий на машину является исходными для оценки и прогнозирования ее надежности в различных условиях эксплуатации.

Следует иметь ввиду, что потенциальные возможности машины по достижению наибольших скоростей, нагрузок, мощностей и т.п. могут при определенном их сочетании привести к недопустимым режимам их работы. Например, мощные реактивные двигатели, установленные на современных самолетах, могут обеспечить более высокие скорости полета, чем это допускается надежностью самолета. Если рассмотреть два параметра режима полета – скоростью υ и высоту Н, то максимальные значения этих параметров ограничены скоростным напором q на крыло самолета, перегрузками n при полете в неспокойном воздухе, изменением температуры 0 материала обшивки. Если учесть также максимальные скорости , которые может обеспечить двигатель на различных высотах, то можно рассчитать область допустимых режимов для полета самолета (рисунок 2, а).

Другим примером выявления областей допустимых режимов работы изделия может служить анализ работы прецизионных по­ступательных пар трения (столов, суппортов, ползунов), работаю­щих при малых скоростях. Возникающие в паре силы трения могут привести к возникновению релаксационных колебаний, при ко­торых работа механизма будет неустойчивой. При данных ха­рактеристиках фрикционного контакта на переход в область неустойчивого трения основное влияние оказывают жесткость привода С и скорость движения υ (рисунок 2, б). Их предельные значения и определяют запас устойчивость > 1 по каждому из этих параметров и для выбранных режимов работы механизма.

Предельные значения и , в свою очередь, зависят от характеристики сил трения и в первую очередь от разницы статического и динамического коэффициентов трения и зависимости, связывающей статическую силу трения с продолжительностью контакта.

В задачу определения спектра эксплуатационных нагрузок входит также оценка условий, в которых протекает работа ма­шины и которые оказывают существенное влияние на интенсив­ность процессов старения.

Рисунок 2 - Область предельно допустимых режимов: а) полета самолета; б) прецизионной поступательной пары при медленных перемещениях.

Часто в ТУ на эксплуатацию оговариваются категории возмож­ных условий работы машины и вводятся относительные коэф­фициенты, характеризующие интенсивность воздействия каждой категории условий на ее работоспособность. Например, для мор­ских судов для характеристики условий плавания все географи­ческие зоны делятся на четыре района, для землеройных машин учитываются категории грунта, для металлорежущих станков рассматриваются легкие, средние или тяжелые условия эксплуа­тации в зависимости от обрабатываемых материалов и т. п.

Особой категорией воздействия на машину, в сильной степени определяющей ее надежность, является влияние человека, ко­торый управляет машиной, определяет режимы ее работы, вос­станавливает ее работоспособность, используя для этой цели свои возможности и знания.

3 Надежность систем «человек-машина» и «коллектив-комп­лекс машин»_. При эксплуатации сложных машин и комплексов человек и машина становятся объединенными в единую систему. Работоспособность и надежность этой системы в сильной степени зависят от показателей качеств человека и от приспособленности машины к взаимодействию с человеком.

Качества человека характеризуются в первую очередь его квалификацией — обученностью управлять данной машиной и исполнительностью — профессиональной ответственностью за вы­полнение порученного задания.

Конструкция машины, в свою очередь, должна учитывать физиологические и психологические возможности человека — возможность нести определенные нагрузки и перегрузки, воспри­нимать и передавать требуемую информацию, находиться в дан­ной ситуации или условиях в необходимое время и т. п.

Эти задачи решаются на базе эргономики — науки, занимаю­щейся исследованием «человеческого фактора» в производствен­ной деятельности человека — оператора, ремонтника, эксплуата­ционника, потребителя. Она изучает функциональные возмож­ности и особенности человека в трудовых процессах, способствуя созданию таких условий, методов и организации труда, которые делают его высокопроизводительным и вместе с тем создают удоб­ства и безопасность в работе. Последнее особенно важно при экс­плуатации машин, отказ которых может привести к катастрофи­ческим последствиям. Решение этих задач предполагает приспособление техники к человеку, к условиям труда. Челове­ческий фактор в современном производстве является одним из важнейших, от которого зависит эффективность и надежность использования техники. Как показывает анализ аварий, наруше­ний технологических процессов, ошибок управления в сложных технических системах, они вызваны часто тем, что в конструкциях машин и приборов недостаточно учтены особенности и возмож­ности человека.

Эргономические свойства человека представляют комплекс антропометрических, физиологических и психологических его свойств (ГОСТ 16035—70). Изделия, в свою очередь, должны учитывать эти свойства человека, способствовать максимальному использованию его возможностей.

Так, антропометрические свойства человека определяют типич­ные размеры и форму человеческого тела и его отдельных частей, что, в свою очередь, определяет размеры машины, расположение отдельных частей и механизмов и в первую очередь механизмов управления.

Машина должна также учитывать такие физиологические свой­ства человека, как возможность воспринимать или создавать опре­деленные нагрузки, его утомляемость, наличие определенных биоритмов, быстроту действий, возможности по восприятию уско­рений и т. п. Имеются попытки численно оценить воздействие эксплуатационных нагрузок на человека. Например, в работе получена приближенная формула для определения сигнала ин­тенсивности ощущения человека q (град/с) при равноускоренном вращении:

где е — угловое ускорение, 1/с²; п — параметр, зависящий от индивидуальных особенностей человека (n = 0, 2÷ 0, 5 1/с); t— время, с.

Эта зависимость связывает угловое ускорение со временем на­чала ощущений при известном пороговом значении интенсивности сигнала q_n.

Большое влияние, особенно на выбор систем управления машиной, оказывают психофизиологические свойства человека, связанные с его органами чувств: слухом, зрением и осязанием. Современные машины должны быть сконструированы так, чтобы сигналы, поступающие к человеку от машины, необходимые для управления, в наибольшей степени отвечали его возможностям.

При необходимости быстрой реакции человека на определен­ные сигналы следует учитывать, что в зависимости от раздражи­теля она колеблется в следующих пределах (в миллисекундах): зрительный сигнал 150—225, слуховой— 120—-182, температур­ный — 150—240 и болевой — 400—1000.

Из этих данных видно, что слух воспринимает сигнал быстрее всего, и в ряде случаев можно разгрузить оператора от визуаль­ных сигналов за счет звуковых.

Конструкция машины должна ограждать человека от недо­пустимых воздействий на его нервную систему — шума, яркого или недостаточного света, обилия сигналов информации и т. п. Органы управления не должны также вызывать физической утом­ляемости человека за счет усилий на рукоятках или неудобства их расположения.

Все эти факторы влияют на надежность системы человек— машина, особенно в аварийных ситуациях. Надо помнить о двоя­кой роли человека с позиций надежности: в одной стороны, чело­век — это весьма совершенная система, он может оценивать слож­ную обстановку и принимать такие решения, которые неспособна принять никакая управляющая машина, с другой стороны, чело­век сам подвержен «отказам», если на его нервную систему и на физическое состояние действуют недопустимые перегрузки.

При взаимодействии человека с машиной и при сравнении возможностей оператора и машины (при замене ручного труда и в первую очередь управления автоматическими системами) в од­них случаях преимущество имеет человек, в других — машина и ее система управления. Так, человек имеет преимущества при работе машины в условиях неожиданных ситуаций, по способ­ности дать заключение о состоянии машины по отдельным сим­птомам, по способности учиться на опыте, по гибкости и оригиналь­ности в действиях. Машина и ее органы могут превосходить че­ловека по точности выполнения заданных и повторных действий, по чувствительности к сигналам, по скорости реакции, по воз­можности накопления в памяти ЭВМ большого числа данных и быстрого их использования для управления машиной.

Поэтому для обеспечения высокой надежности системы чело­век—машина необходимо в наибольшей степени использовать богатейшие возможности и машины и человека, ограждать опе­ратора от недопустимых перегрузок.

Особые проблемы порождает система «коллектив-комплекс машин», так как при эксплуатации современных машин именно это взаимодействие является наиболее характерным. Здесь по­мимо перечисленных выше факторов ведущую роль играют со­циальные отношения, иерархия (соподчиненность) отдельных исполнителей, организационная структура подразделения, идео­логия и взаимоотношения людей, системы управления качеством и надежностью.

Изучение и моделирование систем «человек-техника», исследо­вание и классификация отказов машин по вине оператора, изу­чение механизмов надежности человека как сложной кибернети­ческой системы, создание адаптивных систем «человек-машина» способствуют повышению надежности машин, агрегатов и слож­ных комплексов при их эксплуатации.

4. Сбор и обработка эксплуатационной информации о надеж­ности изделий.

Сведения о типичных отказах машин, о сроках службы деталей и узлов и трудоемкости их ремонта, полученные на основании сбора и обработки данных эксплуатации большого числа наблюдений, дают достоверную информацию о действитель­ной работоспособности машины, хотя полученные сведения от­носятся к уже эксплуатируемым, а не новым машинам. Эта ин­формация может эффективно использоваться для модернизации машин, для создания новых образцов с использованием опыта эксплуатации прототипов и для разработки рациональной системы ремонта и технического обслуживания.

В машиностроении разработана система стандартов, кото­рая регламентирует порядок сбора и учета информации (ГОСТ 20857—75), формы учета и методы оценки эксплуатацион­ной информации о надежности изделий (ГОСТ 19490—74), спо­собы статистической обработки информации (ГОСТ 17509—72) и др.

В качестве источников информации используются данные пер­вичных и сводных хронокарт, технологических и отчетных доку­ментов подразделений, осуществляющих техническое обслужи­вание или ремонт изделий, а также данные, полученные с помощью автоматизированных систем управления (ГОСТ 20857—75).

Для оценки надежности изделий обычно используется первич­ная форма учета в виде журнала учета наработок, повреждений и отказов (ГОСТ 17526—72). В этот журнал заносятся сведения о режимах работы и условиях эксплуатации изделий, о наработ­ках с начала эксплуатации до каждого отказа, описание характера отказа, время его устранения и другие данные. Кроме того, уста­новлен единый для всех отраслей машиностроения сводный пере­чень видов отказов изделий и сводный перечень оценок показате­лей надежности изделия и его составных частей (ГОСТ 19490—74).

Поскольку каждая отрасль машиностроения имеет свою спе­цифику, на основании государственных стандартов разрабаты­ваются отраслевые стандарты, определяющие методы сбора и обработки эксплуатационной информации о надежности.

В качестве примера можно привести ОСТ 70/23.2.8—73 — «Сбор и обработка информации о надежности тракторов и сельско­хозяйственных машин». При сборе информации к отказам не от­носят нарушение работоспособности отдельных узлов и деталей, устраняемое в соответствии с установленными правилами плано­вого технического обслуживания. В этом случае должна быть организована дополнительная информация о надежности из сферы ремонта (см. рис. 73).

При эксплуатации изделий особое внимание уделяется отказам, которые связаны с тяжелыми последствиями. Специальный стан­дарт (ГОСТ 20307—74) предусматривает «донесения об отказах», в которых регистрируются отказы, связанные с опасностью для жизни человека, приводящие (или могущие привести) к большим экономическим потерям. Регистрируются также отказы опытных образцов новой техники и машины, подлежащие подконтрольной эксплуатации.

. В большинстве случаев при разработке систем информации о надежности основное внимание уделяется сведениям о возник­ших отказах функционирования и в меньшей степени о параметри­ческих отказах по изменению во времени выходных параметров изделия. Вместе с тем информация об изменении выходных пара­метров изделия имеет большое значение для оценки надежности не с позиций отыскания конструктивно-технологических недостат­ков и нарушений методов эксплуатации, а для выявления коренных тенденций изменения начальных показателей качества изделия.

Именно эти изменения характеризуют надежность изделия, его внутреннюю сущность и способность сопротивляться различ­ным воздействиям. Изменение выходных параметров во времени характеризуется для машин, эксплуатируемых в разнообразных условиях, большой дисперсией.

Информация из сферы эксплуатации является тем каналом обратной связи, который воздействует на процесс проектирования и производства машины (см. рис. 71), вносит в него коррективы из условия создания изделий с требуемыми показателями надеж­ности. Эта информация позволяет также оценивать методы и усло­вия работы, ремонта и технического обслуживания машин, пра­вильность организации сложного процесса эксплуатации машин.

5. Причины отказа изделия раньше установленного ресурса.

В процессе эксплуатации изделия нередко отказы возникают раньше, чем это установлено ресурсом, что приводит к неожидан­ному прекращению работы машины или к снижению ее эффектив­ности.

Различные факторы, действующие на машину при эксплуата­ции, связанные с климатическими, биологическими условиями и внешними воздействиями, создают комплекс причин для ускоре­ния процессов старения и разрушения.

Так, повышенная влажность среды, колебания температуры, загрязненность атмосферы, ветер, акустический шум, солнечная радиация, плесень, бактерии, насекомые, грызуны — вот не­полный перечень тех факторов, которые приходится учитывать при оценке возможности отказа изделия в различных условиях эксплуатации.

Чем большие воздействия оказывает на машину среда, тем выше вероятность отказа, которая резко возрастает при работе изделия в несвойственной ему обстановке. В этих случаях надо оценивать не вероятность отказа, а вероятность возникновения недопустимой ситуации.

Обычно внешние воздействия имеют большую дисперсию, и возникший отказ может быть следствием как недопустимости эксплуатационных нагрузок, так и недостаточной сопротивляе­мости изделия к их восприятию. Поэтому при возникновении преждевременных отказов, особенно при тяжелых последствиях этих отказов, часто создается конфликтная ситуация между кон- структорами, технологами и эксплуатационниками. Кто вино­ват в возникновении того или иного отказа? Где искать источник отказа? Для ответа на эти вопросы необходимо проанализировать причины преждевременного отказа, те обстоятельства, которые обусловили внезапность его возникновения.

В табл. 32 приведены основные критерии для решения вопроса об ответственности той или иной службы за возникновение отказа.

Из табл. 32 видно, что если отказ возник при нормальных условиях эксплуатации изделия без технологических дефек­тов, а просто ТУ предусматривают вероятность безотказной ра­боты Р (t) < 1, то возникновение такого отказа — допустимое событие, если число случаев отказа находится в регламентирован­ных пределах. Если же отказ связан с нарушением ТУ при изго­товлении и эксплуатации изделий или неправильными расчетами при проектировании изделия, то соответствующие подразделения должны вносить коррективы в свою деятельность «пересмотреть методы расчета и прогнозирования надежности, повысить надеж­ность технологического процесса, усовершенствовать методы экс­плуатации и ремонта машины и т. п.

Большую информацию о преждевременных и недопустимых отказах, возникающих в процессе эксплуатации, могут дать рекламации потребителя, если они подвергаются тщательной обработке и анализу.

Потеря машиной работоспособности требует создания специаль­ной системы ремонта и технического обслуживания с тем, чтобы обеспечить наибольшую эффективность восстановления работо­способности при минимальных затратах времени и средств.