1.2. Виды дефектов, качество и надежность машин

Техническое состояние оборудования определяется числом де­фектов и степенью их опасности. Дефектом называют каждое отдель­ное несоответствие детали или технической системы требованиям, установленным технической документацией. По расположению де­фекты подразделяют на наружные и внутренние (скрытые). Наруж­ные дефекты чаще всего обнаруживают визуально, скрытые — по­средством различных методов неразрушающего контроля. По форме дефекты бывают объемные и плоскостные. Объемные проявляются в виде изменения (искажения) начальной формы или размеров объек­та, плоскостные — в виде трещин или полос скольжения. По проис­хождению дефекты подразделяют на производственные и эксплуата­ционные. Производственные дефекты могут быть металлургическими, возникающими в процессе металлургического передела, и технологическими, возникающими при изготовлении детали.

Такие дефекты обычно проявляются в начальный период работы оборудо­вания — период приработки. Эксплуатационные дефекты возникают после некоторой наработки в результате износа, накопления устало­стных и иных повреждений, а также из-за неправильного техниче­ского обслуживания и ремонта. Практика показывает, что можно выделить следующие основные причины накопления дефектов и по­вреждений, приводящих к отказам оборудования по мере его экс­плуатации:

• сквозные трещины, разрушения и деформации элементов оборудования, возникающие при превышении допускаемых напря­жений;

• механический износ, обусловленный трением сопрягаемых по­верхностей;

• эрозионно-кавитационные повреждения, вызванные воздейст­вием потока жидкости или газа;

• деградация свойств материалов с течением времени и под воз­действием эксплуатационных факторов;

• коррозия металлов и сплавов, коррозионно-механические по­вреждения, возникающие под влиянием коррозии, напряжений, тре­ния и т.п.

По степени опасности дефекты разделяют на критические, зна­чительные и малозначительные. Критическими являются дефекты, при наличии которых использование агрегата невозможно или недо­пустимо по условиям безопасности. К значительным относят дефек­ты, существенно влияющие на использование агрегата по назначе­нию или на его долговечность. Малозначительные соответственно не оказывают существенного влияния ни на использование агрегата по назначению, ни на его долговечность.

При определении степени опасности дефекта учитывают напря­женное состояние контролируемого изделия, вид дефекта, его разме­ры и ориентацию относительно действующих напряжений. Основ­ными факторами, определяющими степень опасности дефекта, явля­ются величина утонения герметичных перегородок и коэффициент концентрации механических напряжений (в трещинах — коэффици­ент интенсивности напряжений), показывающий, во сколько раз максимальные местные напряжения в зоне дефекта выше, чем в без­дефектной зоне. Виды допустимых дефектов и их величины приво­дятся в нормативной документации на контроль соответствующего изделия. Наиболее опасными являются плоскостные трещиноподобные дефекты, располагающиеся перпендикулярно действующим на­пряжениям. Основным параметром, характеризующим уровень кон­центрации напряжений в вершинах трещин, является критический коэффициент интенсивности напряжений (см. 12.4).

Совокупность свойств, определяющих степень пригодности ма­шины для использования по назначению, называется качеством. Эти свойства характеризуются эксплуатационными показателями (мощность, расход топлива, скорость, производительность и т.д.), эконо­мической эффективностью, технологичностью, показателями эсте­тики и эргономики, надежностью.

Надежность эксплуатируемой машины определяется в первую очередь ее техническим состоянием. По ГОСТ 27.002—83 надеж­ность — свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях при­менения. Надежность оценивается безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью, ресурсом, а также

сочетанием или совокуп­ностью этих свойств.

Безотказность — свойство оборудования сохранять работоспо­собность в течение некоторого времени или некоторой наработки.

Долговечность — свойство оборудования сохранять работоспо­собность в заданных условиях эксплуатации вплоть до наступления предельного состояния.

Ремонтопригодность - способность оборудования к предупреж­дению, обнаружению и устранению отказов и повреждений при про­ведении технических обслуживании и ремонтов.

Ресурс — наработка оборудования от начала эксплуатации или ее возобновления после капитального ремонта до наступления предель­ного состояния.

Из-за большого числа конструктивных, технологических и экс­плуатационных факторов, влияющих на надежность, точно ее рас­считать или предсказать нельзя. Надежность можно оценить только приближенно путем расчета с использованием теории вероятностей и математической статистики или специально организованных ис­пытаний, а также сбора эксплуатационных данных об отказах.

Для оценки фактического технического состояния и контроля надежности оборудования (его основных узлов) производится анализ данных по временным показателям надежности оборудования — ре­сурсу, сроку службы, наработке (суммарной — с начала эксплуата­ции, с момента проведения последнего капитального ремонта). По­казатели надежности, определяемые по годам за период не менее двух лет эксплуатации в соответствии с ГОСТ 27.002—83, рассчиты­вают по формулам, приведенным в табл. 1.1.

На основе анализа количественных показателей надежности при­нимается решение о необходимости проведения диагностики обору­дования, его ремонта или замены. Уровень количественных оценок различается в зависимости от типа оборудования. Так, для магист­ральных насосно-перекачивающих станций при снижении величины средней наработки на отказ на 10 %, вероятности безотказной рабо­ты на 3 % оборудование, независимо от выработки назначенного ре­сурса, подлежит техническому освидетельствованию. Снижение ко­эффициента технического использования оборудования на 3...5 % свидетельствует о необходимости проведения экономической оцен­ки целесообразности его дальнейшей эксплуатации.

Таблица 1.1

Наименование и условное обозначение показателя по ГОСТ 27.002	Формула для расчета статической оценки показателя надежности
Средняя наработка на отказ (наработка на отказ)
Средний ресурс (средний срок службы)
Среднее время внепланового восстановления (ремонта)
Среднее время планового восстановления (ремонта)
Вероятность безотказной работы P(t)
Коэффициент технического использования

Примечания:

r — число отказов, произошедших за период наблюдений t;

t_i — наработка между двумя последовательными отказами;

n — число объектов, работоспособных в начальный момент времени (эксплуата­ционных наблюдений) t= 0;

t_pecj- наработка каждого из объектов от начала эксплуатации;

t_вi- продолжительность внепланового восстановления после 1-го отказа оборудо­вания;

t_ППРi- продолжительность i-го планового восстановления оборудования;

N_ППР- число плановых ремонтов оборудования за период наблюдений t;

п(t) — число объектов (оборудования), отказавших на отрезке времени 0...t.

Приведенные определения показывают, что надежность оборудо­вания зависит не только от качества его изготовления, но и от свое­временности технического диагностирования и обнаружения дефек­тов, полноты и качества производимых ремонтов.

Требование повышения надежности оборудования вступает в противоречие с требованием достижения максимального экономиче­ского эффекта. Любое повышение надежности достигается за счет увеличения расходов на изготовление машин, оснащения современ­ными системами мониторинга и диагностики их технического со­стояния. Одновременно с повышением затрат на изготовление ма­шины Q_и с целью повышения ее надежности Р уменьшаются затраты на содержание и ремонт Q_Р в течение всего срока службы машины (рис. 1.1). Суммарные эксплуатационные затраты Q_С = Q_и + Q_Р имеют некоторое минимальное значение, соответствующее оптимальной надежности. Снижение эксплуатационных затрат и потерь от аварий

Рис. 1. Затраты на изготовле­ние, ремонт и эксплуатацию оборудования

и простоев оборудования является одним из основных источников повышения рентабельности производственных предприятий.

Наиболее важным показателем надежности является безотказ­ность.

Отказ — событие, заключающееся в нарушении работоспособно­сти технической системы или ее элементов. Критериями отказов оборудования являются: прекращение функционирования, сниже­ние эксплуатационных параметров за предельно допустимый уро­вень. Наиболее опасными являются отказы, приводящие к катастро­фическим ситуациям, возникновение которых создает угрозу для жизни и здоровья людей, приводит к тяжелым экономическим поте­рям или причинению большого вреда окружающей среде.

Если последствием отказа является катастрофическая ситуация, то уровень надежности должен задаваться максимально высоким. Эконо­мические вопросы в таком случае не являются первостепенными.

Отказы можно разделить на два вида: внезапные и постепенные. Внезапные отказы происходят в любой момент времени из-за раз­личных непредвиденных обстоятельств: внезапного повышения на­грузки, механического повреждения, стихийных бедствий и др. По­явлению постепенных отказов предшествует накопление дефектов и повреждений. Общая закономерность распределения интенсивности отказов по времени приведена на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Распределение интенсивности отказов:

Т₁ — период приработки; Т₂ — период нормальной эксплуатации; Т₃ — период ускоренного накоп­ления повреждений

Начальный и завершающий периоды эксплуатации характеризу­ются повышенным количеством неисправностей и отказов по срав­нению с этапом нормальной эксплуатации. Статистически зако­номерность увеличения количества отказов на начальном периоде эксплуатации объясняется приработкой деталей и проявлением кон­структивных и производственных дефектов. Период нормальной эксплуатации является наиболее продолжительным и характеризует­ся практически постоянным значением интенсивности отказов. В третьем, завершающем, периоде проявляются так называемые деградационные отказы, интенсивность которых возрастает по мере увеличения износа, накопления микроповреждений и ухудшения (деградации) свойств материалов. При этом с увеличением зазоров в сопряжениях нарушается кинематика механизмов, ухудшаются усло­вия смазки и возникают дополнительные динамические нагрузки. Обеспечить требуемую безотказность оборудования, особенно при монотонном накоплении дефектов и повреждений, исключить ава­рийные ситуации и минимизировать эксплуатационные затраты воз­можно только путем проведения своевременной диагностики.