Обоснование надежности работы строительных машин

В. Н. Анферов 
С. И. Васильев 
С. М. Кузнецов

Монография 

Институт нефти и газа

Обоснование 
надежности работы 
строительных машин

В монографии изложены основные результаты натурных испытаний работы строительных машин. Рассмотрены 
вопросы обоснования надежности машин и механизмов для 
строительства зданий и сооружений. Приведены модели расчета комплексных показателей надежности работы машин.

9 785763 829471

ISBN 978-5-7638-2947-1

 

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ  И  НАУКИ  РОССИЙСКОЙ  ФЕДЕРАЦИИ 
 
СИБИРСКИЙ  ФЕДЕРАЛЬНЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
В. Н. Анферов, С. И. Васильев, С. М. Кузнецов 
 
 
ОБОСНОВАНИЕ  НАДЕЖНОСТИ  РАБОТЫ 
СТРОИТЕЛЬНЫХ  МАШИН 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск  
СФУ 
2014 

 

УДК 69.002.5-192 
ББК  39.12 
А736 
 
 
Р е ц е н з е н т ы: 
М. М. Титов, доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Технология строительного производства» Сибирского государственного архитектурно-строительного университета; 
А. Г. Савельев, доктор технических наук, профессор кафедры «Дорожные машины» Московского автомобильно-дорожного государственного университета, руководитель ООО «Русский Сертификационный Центр» 
 
 
 
 
 
 
Анферов, В. Н. 
А736 
 Обоснование надежности работы строительных машин : монография / В. Н. Анферов, С. И. Васильев, С. М. Кузнецов. – 
Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2014. – 164 с. 
ISBN 978-5-7638-2947-1 
 
В монографии изложены основные результаты натурных испытаний 
работы строительных машин. Рассмотрены вопросы обоснования надежности машин и механизмов для строительства зданий и сооружений. Приведены модели расчета комплексных показателей надежности работы машин. 
Предназначена для научных работников и аспирантов, занимающихся 
проблемами надежности строительных и землеройных машин. Может быть 
полезна инженерам, а также студентам строительных и экономических 
специальностей. 
 
Электронный вариант издания см.: 
УДК 69.002.5-192 
http://catalog.sfu-kras.ru 
ББК  39.12 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7638-2947-1 
© Сибирский федеральный  
университет, 2014 

Оглавление 

3 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
 
Введение .........................................................................................................  
4 
1. Определение показателей надежности работы машин, комплектов 
и систем ......................................................................................................  
6 
2. Анализ структуры выборок работы машин ............................................  13 
3. Показатели выборок работы машин ........................................................  15 
4. Модели работы машин .............................................................................  22 
5. Построение доверительных интервалов .................................................  24 
6. Автоматизация построения выборок. Программа Sample ....................  29 
7. Автоматизация построения моделей. Программа Modell .....................  39 
8. Автоматизация построения доверительных интервалов.  
Программа Diagram ..................................................................................  49 
9. Оценка надежности работы бульдозеров ...............................................  56 
10. Оценка надежности работы роторных экскаваторов ..........................  66 
10.1. Вероятностные физико-механические характеристики 
сезонно-мерзлых грунтов .............................................................  66 
10.2. Исследование адекватности вариантов имитационной 
математической модели гидромеханической системы 
привода рабочего органа роторного траншейного 
экскаватора .....................................................................................  89 
10.3. Исследование динамических процессов в системе привода 
рабочих органов траншейных экскаваторов при воздействии 
нагрузок первого типа ..................................................................  97 
10.4. Исследование динамических процессов в системе привода 
рабочих органов траншейных экскаваторов при воздействии 
нагрузок второго типа ...................................................................  100 
10.5. Исследование динамических процессов в системе привода 
рабочих органов траншейных экскаваторов при воздействии 
нагрузок третьего типа .................................................................  103 
10.6. Исследование динамических процессов гидромеханической 
системы привода роторного рабочего органа при изменении 
фазы установки гидромотора .......................................................  105 
10.7. Надежность роторных траншейных экскаваторов .....................  118 
10.8. Закон распределения сил резания сезонно-мерзлых грунтов 
с включениями рабочими органами траншейных экскаваторов  130 
11. Оценка надежности работы стреловых грузоподъемных  
кранов .......................................................................................................  134 
12. Оценка надежности работы гидротранспортных систем ....................  148 
Заключение ....................................................................................................  159 
Список литературы .......................................................................................  160  

Обоснование надежности работы строительных машин 

4 

ВВЕДЕНИЕ 
 
 
Надежность строительных и землеройных машин является 
комплексным показателем, оценивающим степень готовности технического объекта к выполнению основных функций с определенной 
безотказностью и долговечностью, обеспечивая на своем жизненном 
цикле заданную ремонтопригодность. Как комплексный показатель 
надежность строительных и землеройных машин может быть оценена коэффициентами готовности, оперативной готовности, планируемого использования, технического использования и сохранения эффективности. При этом есть понимание, что надежность не является 
абсолютным показателем, а имеет относительное значение, в частности, машины, предназначенные для работы в условиях холодного 
климата, будут иметь показатели выше при эксплуатации в условиях 
обычного климата и наоборот, но если не обеспечить своевременность обслуживания и ремонта, то показатели надежности невозможно выдержать на заданном уровне. Новые условия хозяйствования промышленных предприятий вывели показатель надежность 
в число актуальных. 
Надежность работы механических систем предлагается рассмотреть на примере надежности работы бульдозеров. В работе изложен 
общий подход к оценке надежности работы машинных систем, комплексов, комплектов и отдельных машин. Определены комплексные 
показатели надежности: коэффициенты готовности, коэффициенты 
оперативной готовности, коэффициенты технического использования 
и коэффициент сохранения эффективности. Для оценки надежности 
транспортно-технологического процесса предложено понятие надежности как вероятности достижения комплексом машин и механизмов 
конечной цели при производстве строительно-монтажных работ. Одним из основных факторов надежности работы строительных машин 
является коэффициент использования их по времени. Во всех нормативных документах приводятся устаревшие (25-летней давности) 
данные по коэффициентам использования машин в течение рабочего 
времени, которые требуют обновления, так как машины постоянно 
совершенствуются. Для оценки надежности работы строительных 
машин создана база данных на основе результатов натурных испытаний гидротранспортных систем, комплектов и машин (кранов, экскаваторов, бульдозеров и трубоукладчиков). Для обоснования базы дан

Введение 

5 

ных по результатам натурных испытаний проводились два этапа проверки: логическая и математическая. После формирования выборки 
в соответствии с ГОСТ 8.207–76 проверялась ее принадлежность закону нормального распределения с помощью критерия согласия Пирсона. Далее рассчитывались надежность и риск завершения запланированного объема работ машинными системами, комплексами, комплектами и отдельными машинами в планируемый промежуток 
времени. 
 
 

Обоснование надежности работы строительных машин 

6 

1. 
ОПРЕДЕЛЕНИЕ  ПОКАЗАТЕЛЕЙ  НАДЕЖНОСТИ  
РАБОТЫ  МАШИН,  КОМПЛЕКТОВ  И  СИСТЕМ 
 
 
Исследование показателей надежности занимает значительное 
место в технической и научной литературе, при этом существует 
и множество точек зрения как на значимость этого показателя, так 
и на подходы к определению и прогнозированию показателя надежности машин, комплексов и систем. 
В соответствии с ГОСТ 27.002–89 основными показателями надежности машин являются: 
• показатель надежности – количественная характеристика одного 
или нескольких свойств, составляющих надежность системы; 
• единичный показатель надежности – показатель надежности, 
характеризующий одно из свойств, составляющих надежность 
системы; 
• комплексный показатель надежности – показатель надежности, характеризующий несколько свойств, составляющих надежность системы; 
• расчетный показатель надежности – показатель надежности, 
значения которого определяются расчетным методом; 
• экспериментальный показатель надежности – показатель надежности, точечная или интервальная оценка которого определяется по данным испытаний; 
• эксплуатационный показатель надежности – показатель надежности, точечная или интервальная оценка которого определяется по данным эксплуатации; 
• экстраполированный показатель надежности – показатель надежности, точечная или интервальная оценка которого определяется на основании результатов расчетов, испытаний 
и (или) эксплуатационных данных путем экстраполирования 
на другую продолжительность эксплуатации и другие условия 
эксплуатации. 
При анализе работы строительных машин рассмотрены только основные комплексные показатели надежности: коэффициент готовности, 
коэффициент оперативной готовности, коэффициент технического использования, коэффициент сохранения эффективности. При этом для 
приведенных коэффициентов целесообразно осуществить логическую 
и математическую обработку статистической информации [1; 2]. 

1. Определение показателей надежности работы машин, комплектов и систем 

7 

Под коэффициентом готовности (Kг) понимается вероятность 
того, что гидротранспортная система окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых применение бульдозера по назначению не 
предусматривается. 
Коэффициент готовности представляет собой отношение времени исправной работы к сумме времен исправной работы и вынужденных простоев объекта, взятых за один и тот же календарный срок. 
Коэффициент готовности определяется по формуле 
 

 
р
г
р
п

T
K
T
T
=
+
, 
(1.1) 

 

где Тр – суммарное время исправной работы объекта; Тп – суммарное 
время вынужденного простоя. 
Для перехода к вероятностной трактовке величины Тр и Тп заменяются математическими ожиданиями времени между соседними отказами и времени восстановления соответственно: 
 

 
н
г
н
в

T
K
T
T
=
+
, 
(1.2) 

 

где Тн – средняя наработка на отказ; Тв  – среднее время восстановления. 
Коэффициент оперативной готовности (Kог) показывает вероятность того, что гидротранспортная система окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме планируемых 
периодов, в течение которых применение бульдозера по назначению 
не предусматривается, и, начиная с этого момента, будет работать 
безотказно в течение заданного интервала времени. 

Коэффициент оперативной готовности характеризует надеж
ность изделия, необходимость применения которого возникает в произвольный момент времени, после которого требуется безотказная 
работа изделия в течение заданного интервала времени. Значение коэффициента оперативной готовности Kог определяется по формуле 
 

 
ог
г
 = 
K
K Р, 
(1.3) 

 

где Kг – коэффициент готовности; Р – вероятность безотказной работы системы в течение заданного интервала времени. 

Обоснование надежности работы строительных машин 

8 

Значения коэффициента оперативной готовности используются 

при выполнении работ по оценке эффективности системы, а также 
при оценке расчетных значений надежности по полученным из эксплуатации результатам работы системы.  
Коэффициент технического использования (Kти) характеризует 
отношение математического ожидания суммарного времени пребывания бульдозера в работоспособном состоянии за некоторый период эксплуатации к математическому ожиданию суммарного времени пребывания бульдозера в работоспособном состоянии и простоев, обусловленных техническим обслуживанием и ремонтом за тот же период. 
Коэффициент технического использования обычно оценивается 
за длительный период эксплуатации (от начала эксплуатации до капитального ремонта, между капитальными ремонтами, за весь период 
эксплуатации): 

 
р
ти
р
рем

Т
K
Т
Т
=
+
, 
(1.4) 

 

где Тр – суммарное время пребывания системы в работоспособном состоянии за некоторый длительный период эксплуатации; Трем – суммарное время ремонтов и технического обслуживания за этот же период эксплуатации. 
Коэффициент технического использования можно рассматривать как вероятность того, что в данный, произвольно взятый момент 
времени объект работоспособен, а не находится в ремонте. 
Авторами предлагается формула для расчета коэффициента технического использования: 

 
в
ти
г

K
K
K
=
, 
(1.5) 

 

где Kв – коэффициент использования по времени; Kг – коэффициент 
готовности. 
Авторами предлагается формула для расчета коэффициента эффективности: 

 
в
э
max
в

K
K
K
=
, 
(1.6) 

 

где Kв – коэффициент использования по времени; 
max
в
K
 – максималь
ное значение коэффициента использования по времени за расчетный 
интервал времени (за месяц). 

1. Определение показателей надежности работы машин, комплектов и систем 

9 

Коэффициент сохранения эффективности (Kсэ) – отношение значения показателя эффективности использования машины по назначению за определенную продолжительность эксплуатации к номинальному значению этого показателя, вычисленному при условии, что отказы машины в течение того же периода не возникают. 
Коэффициент сохранения эффективности вычисляется по формуле 

 
сэ
1
н

1
Э
Э

n

i
i
i
K
P
=∑
=
, 
(1.7) 

 

где Эi – эффективность системы в i-м работоспособном состоянии; 
Pi – вероятность пребывания объекта в i-м работоспособном состоянии; Эн = max(Эi) – номинальное значение показателя эффективности 
объекта, определенное при условии отсутствия отказов; n – количество работоспособных состояний объекта. 
Коэффициент сохранения эффективности, вычисленный по 
формуле (1.7), показывает отклонение расчетных параметров за конкретный промежуток времени от номинального значения. 
По мнению авторов, коэффициент сохранения эффективности 
системы можно выразить формулой 
 

 
сэ
в
max
1
в

1
n

i
K
K
nK
=∑
=
, 
(1.8) 

 

где Kв – коэффициент использования по времени (по месяцам); n – 
количество рассматриваемых месяцев; 
max
в
K
 – максимальное значение 

коэффициента использования по времени. 
Коэффициент сохранения эффективности работы бульдозеров за 
первый год равен 93,24 % [3]: 
 

Kсэ = 
1
8,806
12 0,787
⋅
 = 0,9324. 

 
Коэффициент сохранения эффективности работы бульдозеров за 
второй год равен 89,76 %: 
 

Kсэ = 
1
8,865
12 0,823
⋅
 = 0,8976. 

 

Обоснование надежности работы строительных машин 

10 

Коэффициент сохранения эффективности системы можно вычислять по формуле 

 
сэ
э
1
1 n

i
K
K
n =∑
=
, 
(1.9) 

 

где Kэ – коэффициент эффективности; n – количество рассматриваемых месяцев. 
Коэффициент сохранения эффективности, вычисленный по 
формуле (1.8), показывает эффективность использования системы за 
конкретный промежуток времени. 

Ориентировочно время наработки на отказ определяется по 

формуле 
 
Tн = Tф Kти, 
(1.10) 
 

где Tф – календарный фонд рабочего времени; Kти – коэффициент технического использования. 
Предложенные для оценки надежности гидротранспортных систем комплексные показатели не дают полной информации о работе 
строительных машин на конкретных объектах, так как они не учитывают технологию и организацию строительства в конкретных производственных условиях. На наш взгляд, целесообразно дополнить рассматриваемые комплексные показатели надежности показателем организационно-технологической надежности.  
Под организационно-технологической надежностью понимается 
способность технологических, организационных, управленческих, 
экономических решений обеспечивать достижение заданного результата строительного производства в условиях случайных возмущений, 
присущих строительству как сложной вероятностной системе. В основу разработки принципа надежности в первую очередь должен 
быть заложен вероятностно-статистический подход. При этом методы 
математической теории надежности практически неприемлемы, так 
как формальное применение классической теории к реальной строительной системе дает практически нулевую надежность [3]. Выход из 
данной ситуации возможен лишь при детальном изучении специфики 
систем строительного производства, анализе многочисленных организационно-технологических сбоев, дестабилизирующих производство факторов, а также принципов взаимодействия этих факторов 
с имеющимися сбоями [3]. 
Кривая нормального распределения выражается следующим 
уравнением: