Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Основы теории надежности и диагностики

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 681893.01.99
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. Предназначен для обучающихся по направлению подготовки 26.03.02 «Кораблестроение, океанотехникаи гидрографическое обеспечение судоходства, профиль «Кораблестроение» и по специальности 26.05.06 «Эксплуатация судовых энергетических установок», а также может быть полезным студентам других специальностей, плавсоставу и техническим работникам судоремонтных предприятий.
Волхонов, В. И. Основы теории надежности и диагностики : курс лекций / В. И. Волхонов. - Москва : МГАВТ, 2017. - 112 с. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/956608 (дата обращения: 29.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО МОРСКОГО И РЕЧНОГО ТРАНСПОРТА

МОСКОВСКАЯ  ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

ВОДНОГО ТРАНСПОРТА

филиал Федерального государственного бюджетного
образовательного учреждения высшего образования

«Государственный университет морского и

речного флота имени адмирала С.О. Макарова»

В. И. Волхонов

Основы теории надежности и диагностики

Курс лекций

Альтаир–МГАВТ

Москва

2017

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО МОРСКОГО И РЕЧНОГО ТРАНСПОРТА

МОСКОВСКАЯ  ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

ВОДНОГО ТРАНСПОРТА

филиал Федерального государственного бюджетного
образовательного учреждения высшего образования

«Государственный университет морского и

речного флота имени адмирала С.О. Макарова»

В. И. Волхонов

Основы теории надежности и диагностики

Курс лекций

Альтаир–МГАВТ

Москва

2017

УДК 621. 436

Волхонов В. И. Основы теории надежности и диагностики. Курс лек
ций.— М.: Альтаир-МГАВТ., 2017.— 112 с.

Изложены теоретические основы надежности машин и рассмотрены во
просы расчета надежности деталей и механизмов в сборе, исходя из свойств 
материалов, прочности и условий эксплуатации судовых машин.

Предназначен для обучающихся по направлению подготовки 26.03.02 

«Кораблестроение, океанотехника и гидрографическое обеспечение судоходства, профиль «Кораблестроение» и по специальности 26.05.06 «Эксплуатация 
судовых энергетических установок», а также может быть полезным студентам 
других специальностей, плавсоставу и техническим работникам судоремонтных предприятий.

Рецензенты: к.т.н. доц. В.С. Епифанов, к.т.н. доц.  Н.В. Бебега.

Рекомендовано к изданию учебно-методическим советом МГАВТ. 

Рассмотрено и рекомендовано к использованию в учебном процессе на заседа
нии кафедры Судостроения и судоремонта (протокол №7 от 23 марта 2017 г.).

Ответственность за оформление и содержание представленных к изда
нию материалов несут авторы и кафедры академии, выпускающие учебнометодические материалы. 

©МГАВТ, 2017

©Волхонов В.И.,2017

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

1. ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ —БЕЗОТКАЗНОСТЬ , 
ДОЛГОВЕЧНОСТЬ, РЕМОНТОПРИГОДНОСТЬ,
СОХРАНЯЕМОСТЬ……………………………………………………….6

2. ФАКТОРЫ НАДЕЖНОСТИ.............................................................................7
2.1.СРЕДНЯЯ НАРАБОТКА ДО ОТКАЗА……………………………………….8
2.2. ОСНОВЫ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ О НАДЕЖНОСТИ...........................9
2.3.Распределение случайных величин………………………………...11
3. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ БЕЗОПАСНОСТИ ......................................18
3.1. ГРАФИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАКОНОВ 
РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ОТКАЗОВ............................................................................19
3.2. АППРОКСИМАЦИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ОТКАЗОВ....................................21
4. ПРОВЕРКА СОГЛАСИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ .................................24
ОПЫТНОГО С ТЕОРЕТИЧЕСКИМ......................................................24
4.1. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ДОСТОВЕРНОСТИ СТАТИСТИЧЕСКИХ ОЦЕНОК
ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ........................................................................25
4.2. ЭКСПЕРТНАЯ ОЦЕНКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ...........................27
5. ОБРАБОТКА НАДЕЖНОСТИ НА 
СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ. .............................................................28
5.1. РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ ПО ЗАДАННОМУ КРИТЕРИЮ.............................28
5.2. СИЛОВОЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЕ НАГРУЖЕНИЕ ...................................30
5.3. РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ ПО КРИТЕРИЮ ПРОЧНОСТИ.............................33
5.4. РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ ПРИ ИЗНАШИВАНИИ .........................................39
5.5.РАСЧЕТЫ НАДЕЖНОСТИ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ СУДОВЫХ МАШИН И 
МЕХАНИЗМОВ……………………………………………………………….43

ВИДЫ ИСПЫТАНИЙ................................................................................76

6.1. ЭТАПЫ ИСПЫТАНИЙ...............................................................................76
6.2. ОПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ.........................................................77
6.3. КОНТРОЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ .................................................................80
6.4. ФОРСИРОВАНИЕ РЕЖИМА ИСПЫТАНИЙ ...............................................82
6.5. ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ ПО ОТСУТСТВИЮ ОТКАЗОВ.............................83
6.6.НАУЧНОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА.........................................83
7.СИСТЕМЫ НАДЕЖНОСТИ………………………………………………...87
8. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ..................................91
8.1. ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ..........................................................91
8.2. КОНТРОЛЬ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ДИЗЕЛЕЙ........................................94
8.3.Прогнозирование ресурса конструкции и машин………………..97

ПРИЛОЖЕНИЕ 1..........................................................................................100

ПРИЛОЖЕНИЕ 2……………………………………………………………101
ПРИЛОЖЕНИЕ 3............................................................................................103
ПРИЛОЖЕНИЕ4……………………………………………………………104
ПРИЛОЖЕНИЕ №5........................................................................................105
ПРИЛОЖЕНИЕ6……………………………………………………………106
ПРИЛОЖЕНИЕ7……………………………………………………………107

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .......................................................................109

ПРЕДИСЛОВИЕ

Для речного транспорта характерен рост грузоподъемности судов и соста
вов с одновременным уменьшением количества обслуживающего персонала. 
Одним из направлений решения этих сложнейших проблем является повышение надежности, как корпусов судов, так и судовых машин и механизмов. Вопросы повышения надежности решаются в судостроении и судоремонте. 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 каче
ния, 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 усталостных отказов.

В курсе лекций основное внимание уделено влиянию материалов и техно
логии изготовления на повышение долговечности судовых машин и дальнейшее систематическое отслеживание уровня их надежности при эксплуатации. 
Для лучшего понимания особое значение имеют примеры, являющиеся своего 
рода маяками в море формул и коэффициентов, оценивающих качество и состояние, как отдельных деталей, так и судовых машин в сборе.

1. ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ —

Безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость

Все определения и термины в теории надежности стандартизированы. Со
гласно ГОСТ 27.002–2009 «Надежность в технике. Термины и определения» 
под надежностью понимается свойство объекта выполнять заданные функции, 
сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение 
требуемого промежутка времени или требуемой наработки. Термин объект является общим наименованием рассматриваемых изделий: судно, главный двигатель, судовая машина, механизм, узел или деталь.

В процессе эксплуатации объект (например, дизель) может находиться в 

одном из следующих состояний: исправном или неисправном, работоспособном или неработоспособном.

Исправным состоянием объекта (дизеля) считается такое, при котором он 

соответствует всем требованиям нормативно-технической и конструкторской 
документации. Если хотя бы одно из этих требований нарушено, объект (дизель) считается неисправным.

В работоспособном состоянии значения основных параметров дизеля, как 

источника энергии, соответствуют требованиям нормативно- технической и 
конструкторской документации. К таким параметрам относятся, например, 
мощность, частота вращения, время реверса и др. Неработоспособное состояние дизеля наступает, когда хотя бы один из этих параметров выходит за допустимые пределы.

Понятие «работоспособное состояние» шире понятия «исправное состоя
ние». Работоспособный дизель, в отличие от исправного должен удовлетворять 
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, ремонтопри
годность и сохраняемость.

Безотказность — свойство объекта непрерывно сохранять работоспособ
ное состояние в течение некоторого времени или наработки. Для судового дизеля это важное свойство, так как нарушение его работоспособности влияет на 
безопасность плавания.

Долговечность — свойство объекта сохранять работоспособное состояние 

до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта. Характеристикой долговечности является ресурс 
или срок службы.

Ремонтопригодность — свойство объекта, заключающееся в приспособ
ленности его к предупреждению и обнаружению отказов, поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем проведения технического об
служивания или ремонта. Характеристиками ремонтопригодности являются 
среднее время восстановления, стоимость технического обслуживания и др.

Сохраняемость — свойство объекта сохранять значения показателей без
отказности, долговечности и ремонтопригодности после транспортирования и 
хранения. Характеристиками сохраняемости является срок сохраняемости, 
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.

2. Факторы надежности

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. Вероятность находится 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),
работоспособных в первоначальный момент
t=0: P(t) = N(t)/N(0) или P(t) = 1
r t
N

( )
( 0)

, 

r(t) = N(0) — N(t)
где: r(t) — число отказов.

Рис.1. Кривая вероятности 
безотказной работы.
Средняя наработка на отказ То есть отношение наработки объекта к 

математическому ожиданию числа его отказов за эту наработку. Этот показатель 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. 

1

Р(t)

0,5

0
t

2.1.Средняя наработка до отказа

Тср есть отношение наработки N объектов до отказа 






N

1
i

i
cp
N
/
t
Т
(1)

Средняя наработка до отказа является характеристикой невосстанавливае
мых объектов.

Процесс эксплуатации объекта (например, дизеля) может быть описан сле
дующим образом: дизель начинает работать и работает до отказа, после отказа 
происходит восстановление его работоспособности и он вновь работает до отказа и 
т.д.  Момент отказов образует поток, названный в теории вероятности частостью 
отказов f(t), а в статистике  потоком отказов  (t) . Параметр потока отказов определяют как среднее число отказов объекта в единицу наработки:

 
t
N

i

N

1
i







)
(

)
(
t
r

t
t
f

,
(2)

где ri (t) — количество отказов i-го объекта за наработку t; 
N — количество использованных объектов.
Типичное изменение параметра потока отказов в зависимости от наработки 

показано на рис. 2, где видно, что весь период эксплуатации объектов состоит 
из трех характерных участков: приработки (0 …t1), нормальной эксплуатации 
(t1 … t2) и интенсивного старения после достижения наработки до отказа или на 
отказ t2.

Рис.2. Зависимость потока отказов от наработки.

Для периода эксплуатации характерным является постоянство потока отка
зов, 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 эксплуа
тации равна величине, обратной параметру потока отказов, и соответствует 
среднему времени безотказной работы.

Интенсивностью отказов  (t) называют условную плотность вероятности 

возникновения отказа f (t) невосстанавливаемого объекта, определяемую для рассматриваемой наработки при условии, что для этого момента отказ не возник:

 (t) = f t

P t

( )
( ) .
(3)

Статистически интенсивность отказов определяют как отношение числа отка
завших объектов за единицу времени N за единицу 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 кривая 

изменения параметра потока отказов (см. рис. 2), имеет три характерных участка: участок приработки, участок нормальной работы и участок интенсивного 
старения. Интенсивность отказов является показателем надежности невосстанавливаемых объектов, работающих до отказа (например, поршневых колец, 
прокладок, шарикоподшипников и др.)

2.2. Основы обработки информации о надежности

Определение показателей надежности производится путем обработки ста
тистической информации, полученной в результате испытаний или эксплуатации. У объектов одной модели (например, дизелей), работающих в одинаковых 
условиях, показатели надежности будут тем не менее отличаться друг от друга. 
Объясняется это влиянием большого числа различных факторов: качеством изготовления, режимами нагрузки, квалификаций механиков, качеством топливно-смазочных материалов и другими причинами. Все это вызывает рассеивание 
показателей. Таким образом, время наступления отказа является случайным событием. Известно, что при многократном повторении наступление случайных 
событий обладает статистической устойчивостью, которая повышается с увеличением числа испытываемых объектов. На этой особенности и основано оп
ределение показателей надежности, которое сводится к нахождению их усредненных значений и величин разброса для каждой партии объектов.

Распределение случайных величин характеризуется математическим ожи
данием, дисперсией и коэффициентом вариации.

Математическим ожиданием случайной величины называют сумму 

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

 
 
M t
tf t dt






.

На практике для оценки математического ожидания используют среднее 

арифметическое значение величин наработки tcp, полученное путем деления 

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 группировки 

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 математи
ческого ожидания характеризуется вторым параметром распределения, называемым дисперсией:

+

Д (t) =  (t - M (t))2 f (t) dt.
(6)

- 

Поскольку дисперсия имеет размерность квадрата случайной величины, 

для характеристики распределения удобнее пользоваться средним квадратическим отклонением, которое в теории вероятностей  =
Д ( t) .

В статистике среднее квадратическое отклонение обозначают S и вычис
ляют 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 коэф
фициент 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 значений t.

Для одинаковых объектов, эксплуатируемых в одинаковых условиях, эти 

закономерности (t с р, S и ) обнаруживают устойчивость. Поэтому, испытав 
партию дизелей, можно распространить результаты этих испытаний на другие 
двигатели и предсказать их показатели надежности еще до начала эксплуатации.

Результаты испытаний позволяют найти математические формулы, по ко
торым можно вычислить показатели надежности. Такие формулы принято называть математическими моделями или законами распределения случайных величин.

2.3. Распределение случайных величин

Распределение значений показателей надежности чаще всего с достаточ
ной степенью точности можно аппроксимировать одним из следующих законов: экспоненциальным, нормальным и его разновидностями (усеченным нормальным, логарифмически нормальным), Вейбулла и др.

Для получения обобщенных зависимостей математических моделей рас
смотрим некоторые методы математического анализа 11,13,14,17.

С этой целью используем функции распределения случайной величины, 

которые называются интегральными функциями:

t


F (t) =  f(t)dt; P(t) =  f(t)dt.

0
t

P(t)= 1 F(t) или P(t)+ F(t) = 1

Функции f(t) = dF t

dt

dP t

dt

( )
( )
 
называются дифференциальными 

функциями распределения.