Надежность судовых машин и механизмов

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА

В. И. Волхонов

НАДЕЖНОСТЬ СУДОВЫХ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ

Альтаир-МГАВТ

Москва

2009

УДК   621. 436
Волхонов В.И. 
Надежность судовых машин и механизмов. Учебное пособие. — АльтаирМГАВТ, 2009г., 143 с.

Изложены теоретические основы надежности машин и рассмотрены 

вопросы расчета надежности деталей и механизмов в сборе, исходя из 
свойств материалов, прочности и условий эксплуатации судовых машин.

Предназначено в качестве учебного пособия по дисциплине «Основы 

теории надежности и диагностики» по специальности «180403 Эксплуатация 
судовых энергетических установок», а также может быть полезным студентам других специальностей, плавсоставу, техническим работникам судоремонтных предприятий и другим организациям.

Рецензенты: 
Зав. кафедры Судовых энергетических установок и автоматики 
Московской Государственной Академии Водного Транспорта, д.т.н., 
профессор – Толшин В.И. 

Главный инженер Московского судостроительно-судоремонтного завода – Немчин В.В.

Рассмотрено на заседании кафедры

«Судостроения и судоремонта»     25.01.2007г.  протокол № 5

Рекомендовано к изданию Учебно-методическим

советом МГАВТ

Ответственность за оформление и содержание передаваемых в печать материа
лов несут авторы и кафедры академии, выпускающие учебно-методические материалы.

©   МГАВТ  2009
©   Волхонов В.И., 2009

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ  НАДЕЖНОСТИ . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.1. ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ .  .  .  .  .  .  . .  .  .  .  .  .  . .  .  .  .  .  .  . .  .  .  .   6
1.2. ПОТОК ОТКАЗОВ. ИНТЕНСИВНОСТЬ ОТКАЗОВ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2. АНАЛИЗ ИНФОРМАЦИИ О НАДЕЖНОСТИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.1. ОСНОВЫ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ О НАДЕЖНОСТИ . . . . . . . . . . . . 10
2.2. ЗАКОНЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СЛУЧАЙНЫХ ВЕЛИЧИН    . . . . . . . . . . . . . . 13

2.3. МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ ИСПЫТАНИЙ ИЛИ 

ЭКСПЛУАТАЦИИ ОБЪЕКТОВ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4. ГРАФОАНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАКОНОВ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ 

ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.5. МЕТОД АППРОКСИМАЦИИ ИНТЕНСИВНОСТИ ОТКАЗОВ . . . . . . . . . . . 27
2.6. ПРОВЕРКА СОГЛАСИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ С ТЕОРЕТИЧЕСКИМ   . . . . . . . . 30
2.7. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ДОСТОВЕРНОСТИ СТАТИСТИЧЕСКИХ ОЦЕНОК ПОКА
ЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.8. ЭКСПЕРТНАЯ ОЦЕНКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ . . . . . . . . . . . . . 34

3. НАДЕЖНОСТЬ СИСТЕМ    . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  .  .  .  .  .  . .  .  .  .  36

4. НАДЕЖНОСТЬ ПО ОСНОВНЫМ КРИТЕРИЯМ .  .  .  .  .  .  . .  .  .  .  .  .  .  .  .  41

4.1. РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ ПО ЗАДАННОМУ КРИТЕРИЮ . . . . . . . . . . . . . . 41
4.2. СИЛОВОЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЕ НАГРУЖЕНИЕ     . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.3. РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ ПО КРИТЕРИЮ ПРОЧНОСТИ    . . . . . . . . . . . . . . 47
4.4. РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ ПРИ ИЗНАШИВАНИИ
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

5. РАСЧЕТЫ НАДЕЖНОСТИ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ СУДОВЫХ МАШИН И МЕХА
НИЗМОВ
.  .  . .  .  .  .  .  .  . .  .  .    .  .  .  .  .  .  .  .  .  . .  .  .  .  .  .  . .  .  .  .  .  .  60

5.1. НАДЕЖНОСТЬ ВАЛОВ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.2. НАДЕЖНОСТЬ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

5.3. НАДЕЖНОСТЬ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.4. НАДЕЖНОСТЬ СОЕДИНЕНИЙ С НАТЯГОМ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

5.5. НАДЕЖНОСТЬ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
87

5.6. НАДЕЖНОСТЬ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
93

6. ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ МАШИН ПРИПРОЕКТИРОВАНИИ  . . 103

7. ИСПЫТАНИЕ МАШИН НА НАДЕЖНОСТЬ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

7.1. ВИДЫ ИСПЫТАНИЙ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

7.2. ОПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
7.3. КОНТРОЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
7.4. ФОРСИРОВАНИЕ РЕЖИМА ИСПЫТАНИЙ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

7.5. ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ ПО ОТСУТСТВИЮ ОТКАЗОВ . . . . . . . . . . . . . 113
7.6. НАУЧНОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

8. ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ СУДОВЫХ  МАШИН И МЕХАНИЗ
МОВ .  .  .  .  .  .  . .  .  .  .  .  .  . .  .  .  .  .  .  . .  .  .  .  .  .  . .  .  .  .  .  .  . .  .  .  .  119

8.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
8.2. ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
8.3. КОНТРОЛЬ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ДИЗЕЛЕЙ
. . . . . . . . . . . . . . . . . 122

8.4. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РЕСУРСА СУДОВЫХ МАШИН . . . . . . . . . . . . . . 127
ПРИЛОЖЕНИЯ .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  130

ПРИЛОЖЕНИЕ 1
.  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .   130

ПРИЛОЖЕНИЕ 2
.  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .   132

ПРИЛОЖЕНИЕ 3
.  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .   134

ПРИЛОЖЕНИЕ 4
.  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .   136

ПРИЛОЖЕНИЕ 5
.  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .   137

ПРИЛОЖЕНИЕ 6
.  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .   138

ПРИЛОЖЕНИЕ 7
.  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .   139

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .  .  .  .  .  .  . .  .  .  .  .  .  . .  .  .  .  .  .  . .  .  .  .  .  .  . 141

Предисловие

Для речного транспорта характерен рост грузоподъемности судов и со
ставов с одновременным уменьшением количества обслуживающего пер
сонала. Одним из направлений решения этих сложнейших проблем является 

повышение надежности, как корпусов судов, так и судовых машин и меха
низмов. Вопросы повышения надежности решаются в судостроении и судо
ремонте. Учитывая, что в настоящее время новых судов строится мало, роль 

судоремонта возросла, так как при судоремонте возможна модернизация 

флота и повышение его надежности.

Наука о надежности выросла из проблемы надежности подшипников 

качения, а затем развивалась в основном в электронике и приборостроении. 

Литературы, посвященной надежности на транспорте, значительно меньше, 

чем в приборостроении. Между тем надежность корпусов судов и машин 

имеет свои особенности, связанные с преобладанием износовых и усталост
ных отказов.

В настоящем учебном пособии основное внимание уделено влиянию 

материалов и технологии изготовления на повышение долговечности судо
вых машин и дальнейшее систематическое отслеживание уровня их надеж
ности при эксплуатации. Для лучшего понимания особое значение имеют 

примеры, являющиеся своего рода маяками в море формул и коэффициен
тов, оценивающих качество и состояние, как отдельных деталей, так и судо
вых машин в сборе.

1. Основные понятия и определения теории 

надежности

1.1. Показатели надежности

Все определения и термины в теории надежности стандартизированы. 

Согласно ГОСТ 13377-85 под надежностью понимается свойство объекта 

выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели 

в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или тре
буемой наработки. Термин объект является общим наименованием рас
сматриваемых изделий: судно, главный двигатель, судовая машина, меха
низм, узел или деталь.

В процессе эксплуатации объект (например, дизель) может находить
ся в одном из следующих состояний: исправном или неисправном, работо
способном или неработоспособном.

Исправным состоянием объекта (дизеля) считается такое, при кото
ром он соответствует всем требованиям нормативно-технической и конст
рукторской документации. Если хотя бы одно из этих требований нарушено, 

объект (дизель) считается неисправным.

В работоспособном состоянии значения основных параметров дизе
ля, как источника энергии, соответствуют требованиям нормативно- техни
ческой и конструкторской документации. К таким параметрам относятся, 

например, мощность, частота вращения, время реверса и др. Неработоспо
собное состояние дизеля наступает, когда хотя бы один из этих параметров 

выходит за допустимые пределы.

Понятие «работоспособное состояние» шире понятия «исправное со
стояние». Работоспособный дизель, в отличие от исправного должен удов
летворять лишь тем требованиям, выполнение которых обязательно для его 

нормального использования. Очевидно, что работоспособный двигатель 

может быть неисправным. Например, при увеличении расхода масла сверх 

допустимого, дизель находится в неисправном состоянии, но он сохраняет 

свою работоспособность.

В понятие надежности входят безотказность, долговечность, ремонто
пригодность и сохраняемость.

Безотказность — свойство объекта непрерывно сохранять работо
способное состояние в течение некоторого времени или наработки. Для су
дового дизеля это важное свойство, так как нарушение его работоспособно
сти влияет на безопасность плавания.

Долговечность — свойство объекта сохранять работоспособное со
стояние до наступления предельного состояния при установленной системе 

технического обслуживания и ремонта. Характеристикой долговечности яв
ляется ресурс или срок службы.

Ремонтопригодность — свойство объекта, заключающееся в приспо
собленности его к предупреждению и обнаружению отказов, поддержанию 

и восстановлению работоспособного состояния путем проведения техниче
ского обслуживания или ремонта.  Характеристиками ремонтопригодности 

являются среднее время восстановления, стоимость технического обслу
живания и др.

Сохраняемость — свойство объекта сохранять значения показателей 

безотказности, долговечности и ремонтопригодности после транспортиро
вания и хранения. Характеристиками сохраняемости является срок сохра
няемости, требования к консервации и транспортированию. Для судов, 

дизелей и механизмов речного флота сохраняемость имеет существенное 

значение ввиду сезонного использования и длительного периода зимнего 

отстоя судов.

1.2. Поток отказов. Интенсивность отказов

Отказ — событие, заключающееся в нарушении работоспособности 

объекта.

Вероятность безотказной работы объекта Р(t) — это вероятность 

того, что в пределах заданной наработки t отказа не произойдет. Вероят
ность находится в следующих пределах(Рис. 1): 0<P(t)<1; 

P(0)=1; Р()=0

Статистически вероятность безотказной 

работы определяют по отношению числа 

объектов N (t), безотказно проработавших в 

течение

наработки t, к числу объектов N(0), работо
способных в первоначальный момент t=0: 

P(t) = N(t)/N(0) или

P(t) = 1r t
N

( )
( 0) ; где число отказов r(t) = N(0) 
N(t).

Средняя наработка на отказ То есть отношение наработки объекта к 

математическому ожиданию числа его отказов за эту наработку. Этот пока
затель характеризует наработку объекта на один отказ:









N

1
i

i

N

1
i

i

o
r

t

T
,

где ti — наработка i-го объекта за период испытаний часов;

ri — количество отказов i-го объекта;

N — количество испытываемых объектов. 

Средняя наработка до отказа Тср есть отношение наработки N объ
ектов до отказа 






N

1
i

i
cp
N
/
t
Т
(1)

1

0,5

0
t

рис. 1. Кривая вероятности безотказной работы

Средняя наработка до отказа является характеристикой невосстанавли
ваемых объектов.

Процесс эксплуатации объекта (например, дизеля) может быть описан 

следующим образом: дизель начинает работать и работает до отказа, после 

отказа происходит восстановление его работоспособности и он вновь рабо
тает до отказа и т.д.  Момент отказов образует поток, названный в теории 

вероятностей частностью отказов τ(t), а в статистике поток отказов (t). 

Параметр потока отказов определяют как среднее число отказов объекта в 

единицу наработки

 
t
N

i

N

1
i









)
( t
r

t
t


, 
(2)

где ri(t)—количество отказов i-го объекта за наработку t; N—количество использо
ванных объектов.

Типичное изменение параметра потока отказов в зависимости от наработки по
казано на рис. 2, где видно, что весь период эксплуатации объектов состоит из трех ха
рактерных участков: приработки (0 ... t1), нормальной эксплуатации (t1 ... t2) и интенсив
ного старения после достижения наработки до отказа (>t2), или на отказ.

Рис. 2. Зависимость потока отказов от наработки

Для периода эксплуатации характерным является постоянство потока 

отказов, т.е.  (t) = const. Так как поток отказов  для периода нормальной 

эксплуатации представляет среднее число отказов r  в единицу наработки 

t, то среднее число отказов за наработку

r =  t.



0
t1
t2
t

В этом случае наработка на отказ: 

T
t
r

0 
 1

 .

Отсюда следует, что наработка на отказ для нормального периода экс
плуатации равна величине, обратной параметру потока отказов, и соответ
ствует среднему времени безотказной работы.

Интенсивностью отказов  (t) называют условную плотность веро
ятности возникновения отказа f (t) невосстанавливаемого объекта, опреде
ляемую для рассматриваемой наработки при условии, что для этого момен
та отказ не возник:

 (t) = f t

P t

( )
( ) .
(3)

Статистически интенсивность отказов определяют как отношение числа 

отказавших объектов N за единицу времени наработки к числу объектов 

N(t), безотказно работавших к рассматриваемому моменту наработки t 4.

 (t) =




N

N t
t
( )
.
(4)

Типичная кривая изменения интенсивности отказов, так же как и кри
вая изменения параметра потока отказов (см. рис. 2), имеет три характерных 

участка: участок приработки, участок нормальной работы и участок интен
сивного старения. Интенсивность отказов является показателем надежности 

невосстанавливаемых объектов, работающих до отказа (например, поршне
вых колец, прокладок, шарикоподшипников и др.

2. Анализ информации о надежности

2.1. Основы обработки информации о надежности

Определение показателей надежности производится путем обработки 

статистической информации, полученной в результате испытаний или экс
плуатации. У объектов одной модели (например, дизелей), работающих в 

одинаковых условиях, показатели надежности будут тем не менее отличать

ся друг от друга. Объясняется это влиянием большого числа различных фак
торов: качеством изготовления, режимами нагрузки, квалификаций механи
ков, качеством топливно-смазочных материалов и другими причинами. Все 

это вызывает рассеивание показателей. Таким образом, время наступления 

отказа является случайным событием. Известно, что при многократном по
вторении наступление случайных событий обладает статистической устой
чивостью, которая повышается с увеличением числа испытываемых объек
тов. На этой особенности и основано определение показателей надежности, 

которое сводится к нахождению их усредненных значений и величин раз
броса для каждой партии объектов.

Распределение случайных величин характеризуется математическим 

ожиданием, дисперсией и коэффициентом вариации.

Математическим ожиданием случайной величины называют сумму 

произведений возможных значений t и вероятностей этих значений 5:

.

На практике для оценки математического ожидания используют сред
нее арифметическое значение величин наработки tcp, полученное путем де
ления суммы результатов наблюдений ti на общее число объектов (дизелей)

N 13.

t
t
t
t

N

t

N

cp

i

i

N







1
2
N
. . .
1
(5)

Среднее арифметическое значение t с р характеризует центр группиров
ки случайных величин ti , и при увеличении числа испытываемых объектов, 

приближается к ее математическому ожиданию, т.е. при N   t с р= M (t).

Степень рассеяния значений случайной величины относительно мате
матического ожидания характеризуется вторым параметром распределе
ния, называемым дисперсией:

+

Д (t) =  (t - M (t))2 f (t) dt.
(6)

- 

Поскольку дисперсия имеет размерность квадрата случайной величи
ны, для характеристики распределения удобнее пользоваться средним 

квадратическим отклонением, которое в теории вероятностей  =
Д (t) .

В статистике среднее квадратическое отклонение обозначают S и вы
числяют по следующим формулам: 

для объектов N  30



S
t
t
i
с





1

N
1

2

р
;
(7)

N  30



S
t
t
i
с




1
N

2

р
.
(8)

Третьим параметром распределения случайной величины является ко
эффициент вариации , представляющий собой отклонение среднего 

квадратического отклонения к среднему арифметическому значению: 

  S

tс р

.
(9)

Коэффициент вариации является мерой рассеяния случайных величин. 

Чем больше значение коэффициента вариации, тем больше рассеяние зна
чений t.

Для одинаковых объектов, эксплуатируемых в одинаковых условиях, 

эти закономерности (t с р, S и ) обнаруживают устойчивость. Поэтому, испы
тав партию дизелей, можно распространить рез-ты испытаний на другие 

двигатели предсказав показатели надежности еще до начала эксплуатации.