Нормирование показателей надежности станков с ЧПУ

Основные показатели надежности станков и их нормирование

Надежность является одной из основных характеристик качества металлорежущих станков и станочных систем, так же, как и многих других машин и технических устройств.

Надежность характеризует свойство данного изделия сохранять требуемые показатели качества в течение всего периода эксплуатации.

Для оборудования особое значение имеет обеспечение его технологической надежности, которая непосредственно связана с качеством в первую очередь с точностью, выпускаемой продукции. Поэтому надежность станков следует рассматривать как надежность машины, когда оцениваются все виды отказов, и как надежность компонента технологической системы, когда учитываются лишь те отказы, которые связаны с качеством выпускаемой продукции.

Основными источниками отказов станка и станочных комплексов являются собственно станок (его механика и гидросистемы), электрические — электронные системы и система управления (ЧПУ). Для механических узлов по сравнению с электротехническими и электронными устройствами характерно меньшее число отказов, но большая продолжительность устранения их последствий.

При проектировании станка необходимо так рассчитать и сконструировать станок и его основные узлы, чтобы они удовлетворяли установленным требованиям надежности, в первую очередь с точки зрения длительного сохранения показателей точности.

9.1.Оценка длительности работы объекта

Основные термины и определения в области надежности (ГОСТ 27 002—83) опираются на понятие работоспособности (см. раздел 6.1). Надежность — свойство объекта сохранять во времени свою работоспособность. Это сложное свойство, которое в зависимости от требований к длительности работы объекта, условий его применения и эксплуатации характеризуется в основном безотказностью и долговечностью. Период времени, в течение которого работает данный объект (станок, механизм или узел), исчисляют либо в отработанных, либо в календарных часах (табл. 9.1).

Безотказность — свойство объекта непрерывно сохранять свою работоспособность в течение некоторого времени (или наработки). В этом случае рассматривается такой период работы станка, когда не осуществляются мероприятия для поддержания его работоспособности (ремонт, смазывание, проверка состояния, регулировка и т.д.).

Долговечность — свойство объекта сохранять свою работоспособность в течение всего периода эксплуатации (до предельного состояния) при установленной системе технического обслуживания и ремонта. При оценке долговечности учитываются те перерывы в работе станка, которые осуществляются в соответствии с системой планово-предупредительного ремонта (ППР) или при осуществлении ремонта по состоянию (ремонт на основе диагностирования фактического состояния станка).

Период эксплуатации станка связан в основном с экономическими факторами, которые обусловливают предельное состояние объекта. Эксплуатация включает работу объекта (основной период), а также периоды простоев транспортирования, хранения, ремонта и технического обслуживания, переналадки, монтажа.

Предельное состояние — состояние объекта, при котором его дальнейшее применение по назначению недопустимо или нецелесообразно.

Продолжительность эксплуатации станков связана как с их моральным (появление более эффективных моделей), так и с физичес­ким (возрастание затрат на их эксплуатацию и ремонт) изнашиванием. Для современных станков средних размеров это обычно 8—10 лет эксплуатации и для более сложных и тя­желых станков 15—20 лет и выше. Конкретный срок службы до снятия с эксплуатации для каждого станка устанавливают на основании экономических расчетов. Эти расчеты опираются на сравнение затрат на изготовление станка Q_и и его эксплуатацию Q_э с той прибылью Q_п, которую дает станок при его использовании (рис. 9.1). Суммарная эффективность станка Q зависит от времени t и имеет экстремум

Она связана с надежностью, так как с те­чением времени возрастают затраты на ремонт и техническое обслуживание станка из-за его физического изнашивания, а связанные с этим простои снижают положительный эффект от использования станка по назначению. Поэто­му имеет место нелинейная зависимость Q_э и Q_п от времени. Срок окупаемости нового стан­ка Т_ок. наступит при Q_и+Q_э(t)= Q_П(t), и с это­го момента станок начнет давать прибыль. После достижения максимума Q(t) при t = T_max эффективность станка начинает снижаться из-за возрастания эксплуатационных потерь, и когда прибыль и потери сравняются при t = T_пр, насту­пит предельное состояние станка.

Экономически целесообразная длительность эксплуатации станка Т_Э находится в пределах Т_mах < Т_э < Т_пр. Чем выше надежность станка, тем выше экономический эффект от его ис­пользования и тем продолжительнее период его рациональной эксплуатации.

Причины, определяющие надежность изделия, связаны со случайными явлениями, поэтому показатели, применяемые для оценки надеж­ности, имеют вероятностную природу.

Основным показателем надежности является вероятность безотказной работы P(t) — вероят­ность того, что в заданном интервале времени t=T (или в пределах заданной наработки) отказ объекта не возникнет. Допустимая ве­личина P(t) характеризует степень опасности отказа, и поэтому чем выше ее значение, тем, при прочих равных условиях, машина будет работать более надежно. Сопряженным показателем является вероятность отказа F(t) = 1 — P(t). При использовании P(t) или F(t)

Рис. 9.1. Изменение экономической эффективности станка во времени

необходимо указывать период времени t = T, в течение которого рассматривается работа изделия, поскольку P u t связаны функцио­нальной зависимостью

где f(t) — дифференциальный закон распределе­ния (плотность вероятности) для срока службы (или наработки) изделия по данному выход­ному параметру.

На рис. 9.2, а показана схема формирова­ния закона распределения наработки до отказа f(t) при протекании процесса, изменяющего выходной параметр X во времени t. Достиже­ние каждой реализацией X_i(t) случайного про­цесса X(t) своего предельно допустимого значе­ния X_mах приводит к отказу через соответ­ствующий период времени Т. Совокупность реализаций формирует массив Т1, Т2, ..., Т_п, который определяет гистограмму, а следователь­но, и закон распределения f(t). Этот закон, выраженный в интегральной форме F(t), изоб­ражен на рис. 9.2, б.

Закон распределения наработки до отказа в дифференциальной f(t) или интегральной F(t), или P(t) формах является полной характерис­тикой надежности данного объекта и позволяет получить все необходимые показатели.

Рассеяние времени работы до отказа связано с тем, что процессы, приводящие к изменению выходного параметра X (точности, КПД, произ­водительности, несущей способности и т. д.), проявляются как случайные функции, посколь­ку на данный процесс действует большое число случайных факторов (режимы работы, вариа­ции начального уровня качества и др.).

Закон f (t) получают, как правило, ста­тистически на основе испытаний или эксплуа­тационных наблюдений, хотя желательно получение этого закона на стадии проектирования (см. п. 9.4).

Наиболее распространенные теоретические за­коны распределения, которые рассматриваются в теории вероятностей и в математической статистике [2, 10], представлены в табл. 9.2.

При использовании этих законов для решения задач надежности следует иметь в виду, что аргумент t всегда положителен, поэтому при применении нормального закона распределения необходимо вводить нормирующий множитель и рассматривать усеченное распределение. Для отказов характерны асимметричные законы для положительных значений аргумента (Вейбулла, нормально-логарифмический и др.).

Экспоненциальный закон характерен для от­казов, причина возникновения которых во внеш­них воздействиях, не связанных с состоянием объекта (внезапные отказы). Для характеристи­ки возможности возникновения внезапных отка­зов применяют показатель интенсивности отка­зов λ — условная плотность возникновения отказов: λ = f(t)/P(t). Значение λ — это вероят­ность возникновения отказа в единицу времени при условии, что до этого момента времени отказ не возник. Для внезапных отказов λ = const. Если экспериментально получена гистограмма распределения, то соответствую­щий теоретический закон подбирают с приме­нением критериев согласия [10].

Рис. 9.2. Формирование закона распределения на­работки (срока службы) до отказа

9.2. Законы распределения, применяемые для оценки надежности

Обозначения: t—время (аргумент); M(t)—математическое ожидание; σ—среднее квадратическое отклонение; Ф — функция Лапласа (0,5<Ф<1); λ — интенсивность отказов; Г (т) гамма-функция [12]: Т₁, T₂,σ, m — параметры законов распределения.

При известном законе распределения для за­данного периода времени t=T можно опре­делить вероятность безотказной работы P(t) [см. (9.2)] или, задаваясь значением P(t), определить t = T. Численно значения F(t) и P(t) равны соответственно части площади под кривой распределения f(t) до и после значения t=T (см. рис. 9.2).

Показатель надежности выбирают одним из следующих способов [см. (9.2)].

1. При высоких требованиях к надежности изделия (станка или его элементов и механиз­мов) задают допустимое значение P(t) = ϒ, %, и определяют время работы изделия t = T_ϒ, соответствующее данной регламентированной вероятности безотказной работы. Значение Т_ϒ называют гамма-процентным ресурсом и по нему судят о большей или меньшей надежности изделия.

2.При обычных требованиях к надежности (когда отказ не приводит к тяжелым послед­ствиям) задают ресурс изделия t=T_p, напри­мер, из условия необходимости проведения планового ремонта станка. В этом случае о надежности изделия судят непосредственно по значению P(t).

Вероятность безотказной работы изделия P(t) за соответствующий период его функциониро­вания t=T является основным показателем надежности. Однако при определенных усло­виях этот показатель не выполняет своих функций, и требуется привлечение следующих дополнительных показателей надежности.

Если в течение данного периода времени отказы, как правило, возникают (например, легко устранимые отказы, связанные с застре­ванием заготовки в транспортном лотке авто­матической линии), т. е. P(t) - 0, то характеристикой безотказности будет служить сред­нее число отказов Ω(t) в данном интервале времени от 0 до T (так называемая ве­дущая функция) или параметр потока отказов

9.3. Показатели безотказности работы объекта

где Т₀ — наработка на отказ (средняя продол­жительность работы изделия между отказами). Параметр потока отказов характеризует сред­нее число отказов изделия в единицу времени.

2. Если за рассматриваемый промежуток времени отказы недопустимы, т. е. Р(t)- 1, то для оценки безотказности следует принять показатель запаса надежности К_н по отношению к заданному выходному параметру станка X. Для определения запаса надежности объекта в данный момент времени t=T₁ необходимо установить наибольшее (экстремальное) значе­ние Х_эк выходного параметра X, которое он может принимать (см. рис. 9.2) при работе станка во всем диапазоне допустимых условий и режимов эксплуатации. Если предельно допустимое значение пара­метра X_max > Х_эк, то запас надежности по дан ному параметру X

Запас надежности можно подсчитать так же, как отношение X_max к такому значению параметра X_ϒ, при котором с вероятностью ϒ пара­метр не выйдет за данные пределы, т. е.

Запас надежности по выходному параметру точности является одним из основных показа­телей при оценке надежности прецизионных станков. Указанные показатели безотказности сведены в табл. 9.3.

Показатели долговечности связаны с оценкой ресурса станка по показателю точности с уче­том затрат времени на восстановление утра­чиваемой при эксплуатации работоспособности. Для характеристики этих затрат применяют коэффициент технического использования К_ти, который определяет долю времени нахож­дения объекта в работоспособном состоянии относительно рассматриваемой продолжитель­ности эксплуатации

где Т_раб и Т_рем — соответственно суммарная продолжительность работы станка за период его эксплуатации и суммарные простои в ре­монте и техническом обслуживании.

Если известны сроки службы (наработки) до ремонта или технического обслуживания всех основных узлов станка Т₁, Т₂, , Т_n, ч, и соответствующие трудоемкости их ремонта τ₁, τ₂, , τ_n, ч, то значение К_ти можно подсчитать на стадии проектирования.

Значения трудоемкости т, берут из нормати­вов по ремонту и техническому обслуживанию станков, а сроки службы Г, рассчитывают в зависимости от причин отказа (изнашивания (см п 9.3), усталостной прочности и др. ). Трудоемкость ремонта связана с понятием ремонтопригодности, которое заключается в приспособленности объекта к обнаружению, предупреждению и устранению отказов и повре­ждений путем проведения ремонтов и техни­ческого обслуживания. Ремонтопригодность яв­ляется составной частью долговечности. Из формулы (9.7) следует, что основные методы повышения долговечности станка связаны с по­вышением сроков службы его деталей и узлов и сокращением трудоемкости их ремонта и тех­нического обслуживания. Коэффициент готов­ности К_г можно определить по формуле (9.6), если учитывать все простои, кроме плановых, т е непредусмотренные отказы, возникшие в процессе работы оборудования. Значение К_г определяет вероятность того, что станок окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, для которого предус­мотрено его использование по назначению. Для оценки надежности можно применять достаточно широкую номенклатуру показателей, которая для различных изделий машиностроения предусмотрена ГОСТ 27 002—83. Для оцен­ки надежности станков целесообразно приме­нять показатели, указанные в табл. 9.4

Ресурс станка связан с потерей станком точности (ресурс станка по точности) и либо назначается (Тр), либо определяется при задан­ном значении ϒ = P(t), %,— гамма-процентный ресурс (Т_ϒ).

9.4. Номенклатура показателей для оценки надежности станков

Ресурс по точности Т_р определяют: а) на стадии проектирования расчетом станка на на­дежность (см. п. 9.4); б) для опытного образ­ца станка на основе испытания и прогнози­рования (см. п. 17.3); в) для станков, на­ходящихся в эксплуатации, оценивают факти­ческое значение Т_р с использованием средств контроля, диагностики и статистических методов [5, 10].

Запас надежности К_Н сначала устанавли­вают или определяют для нового станка по выходным параметрам точности (см. п. 2.2); он показывает, насколько фактические параметры, определяющие точность станка, отличаются от заданных предельных значений, при которых наступит отказ по точности. При работе станка запас надежности уменьшается и при К_Н = 1 наступает отказ по точности. Чем больше К_Н, тем выше потенциальные возможности станка по сохранению своей работоспособности.

Запас надежности К_Н определяется при прог­раммном методе испытания станков (см. п. 17.3), и его оценка не связана с длитель­ностью работы станка, как это имеет место для всех других показателей надежности.

Коэффициент технического использования К_ти задает изготовитель; К_ти зависит от вре­мени, необходимого для проведения профилак­тических, диагностических и ремонтных работ, предусмотренных системой ремонта и техничес­кого обслуживания, для поддержания оборудо­вания в работоспособном состоянии.

Коэффициент технического использования мо­жет быть определен на стадии проектиро­вания на основании расчета на долговечность узлов и элементов станка, а трудоемкость ремонта и технического обслуживания назна­чают в соответствии с нормативами системы ППР. При эксплуатации станка К_ти определяют по фактическим затратам времени на ремонт и техническое обслуживание.

Наработка на отказ Т_о — средняя продолжи­тельность работы станка между отказами харак­теризует способность к непрерывной работе станка, его комплектующих изделий и системы управления. Нормативы для Т_о устанавливает изготовитель станка для различных категорий отказов в зависимости от сложности восстанов­ления и последствий отказа (согласно приня­той предприятием или отраслью классифика­ции) и раздельно для механической части станка, его электрических и электронных устройств и системы управления. Фактические значения наработки на отказ определяют по статистическим данным, полученным при экс­плуатации станка.

Если известны наработка на отказ Т₀ и среднее время восстановления Т_в утраченной работоспособности станка в период его работы, то коэффициент готовности

Показатели надежности нормируют с учетом достигнутого уровня и выявленных тенденций повышения надежности отечественных и зару­бежных аналогов, результатов исследований и опытно-конструкторских разработок, а также технико-экономических возможностей промыш­ленности. Нормирование показателей надежнос­ти связано, в первую очередь, с анализом отказов станка и с оценкой тех последствий, к которым они приводят. Отказы, возникающие при работе станка, весьма разнообразны по своей природе и последствиям. В первую очередь их следует подразделять на постепенные (износные) и внезапные.

Постепенные отказы возникают в результате протекания того или иного процесса старения, ухудшающего начальные параметры изделия. Основным признаком постепенного отказа яв­ляется то, что вероятность его возникновения F(t) в течение заданного периода времени

9.5. Классы надежности

зависит от длительности предыдущей работы изделия. Чем дольше эксплуатировалось изделие, тем выше вероятность возникновения отказа, т.е. F(t₂)> F(t₁), если t₂> t. К этому виду относится большинство отказов станка, поскольку они связаны с изнашиванием, кор­розией, усталостью, короблением, ползучестью и другими процессами разрушения и деформирования материалов, из которых создан ста­нок.

Внезапные отказы — это те, причина которых заключается в сочетании неблагоприятных фак­торов и случайных внешних воздействий, превышающих возможности изделия к их восприятию. Основным признаком внезапного отказа является то, что вероятность его возникновения F(t) в течение заданного периода времени не зависит от длительности предыдущей работы изделия.

Деление на постепенные и внезапные отказы определяется природой их возникновения, а не тем, установлена или нет причина отказа. Внезапность отказа при эксплуатации машины в силу скрытности процесса разрушения еще не означает, что отказ относится к категории внезапных. Критерием является зависимость F(t) от времени предыдущей работы станка. Для станков внезапные отказы играют второстепенную роль и связаны обычно с недопустимыми методами эксплуатации. Деление на отказы функционирования и параметрические отказы см. п. 6.1.

При нормировании показателей надежности в первую очередь назначают допустимую вероятность безотказной работы P(t) как для станка в целом, так и для основных его узлов и механизмов. Принятое значение P(t) зависит от последствий отказа, от оценки того экономического (а в ряде случаев и социального) ущерба, который будет иметь место при выходе станка из строя. При этом для одного изделия (станка или его узла) все элементы, определяющие его надежность, должны быть разбиты на категории по последствиям отказов. Например, для прецизионного станка, предназначенного для обработки ответственных деталей, к формообразующим узлам предъявляют высокие требования безотказности, в то время как к элементам, не связанным непосредственно с точностью обработки, таких требований нет. Следует, однако иметь в виду, что станочные фирмы с позиций авторитета стремятся созда­вать надежные конструкции для всех элементов станка.

В табл. 9.5 приведена градация изделий на классы (категории) надежности в зависимости от последствий отказов. Для станка в целом эти значения относятся к его параметрической надежности по показателю точности, т. е. когда отказ означает обработку на станке детали с недопустимым значением любого из заданных показателей качества (точности размера и фор мы, волнистости, шероховатости или дефектнос­ти обработанной поверхности).

Ресурс по точности Т_р, который определяет продолжительность работы станка до среднего или капитального ремонта, когда требуется восстановление координат станка и первоначальных траекторий перемещения формообразующих узлов, колеблется в достаточно широких пределах и зависит от конструкции и качества изготовления станка

В табл. 9.6 приведены нормы надежности, разработанные в отечественном станкостроении (руководящий технический материал РТМ2 Н00—14—80 Нормы надежности) для значений ресурса по точности Т_р и наработки на отказ То Назначаемые показатели должны быть не ниже указанных

Для станков с ЧПУ К_ти = 0,8 0,9 особенно

9.6. Нормы надежности универсальных станков

для станков, работающих в автоматизированных станочных системах. Типичным режимом для ГПС является 20 ч. работы в автоматизированном режиме и 4 ч на техническое обслуживание (К_ти = 0,83).

Значения К_ти для универсальных станков с ЧПУ, не включенных в автоматические системы, рекомендуется иметь не ниже указанных (при двухсменной работе) для универсальных станков К_ти = 0,96, для одношпиндельных автоматов К_ти=0,97, для многошпиндельных автома­тов К_ти=0,87

Для того чтобы обеспечить установленные показатели надежности, необходимо выявить основные причины, приводящие к потере станком работоспособности, знать их закономерности и применять методы расчета и проектирования, обеспечивающие требуемый уровень надежности станка и его компонентов.