Управление надежностью и ресурсом металлургических машин и оборудования

Изложены основы надежности технологических 
машин горного и металлургического производств. 
Приведены методики расчетов показателей надежности и методы их обеспечения при проектировании, изготовлении, эксплуатации машин. 
Представлены структурные схемы и формулы 
для управления надежностью машин, их узлов и 
деталей. Показаны возможности управления ресурсом машин, в том числе и остаточным, на всех 
стадиях создания и функционирования машин и 
оборудования.

УПРАВЛЕНИЕ  НАДЕЖНОСТЬЮ 
И  РЕСУРСОМ
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ 
МАШИН  И  ОБОРУДОВАНИЯ

Учебное пособие

ИНСТИТУТ ГОРНОГО ДЕЛА,  
ГЕОЛОГИИ И ГЕОТЕХНОЛОГИЙ

Оглавление 
 

1 

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
УПРАВЛЕНИЕ  НАДЕЖНОСТЬЮ  
И  РЕСУРСОМ 
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ  
МАШИН  И  ОБОРУДОВАНИЯ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2020 

Управление надежностью и ресурсом металлургических машин и оборудования 
 

2 

УДК 669.01/.09(07) 
ББК 65.305.2я73 
        У677 
 
 
 
Р е ц е н з е н т ы: 
А. А. Хорешок, доктор технических наук, профессор, директор Горного института КузГТУ им. Т. Ф. Горбачёва;  
Г. Д. Буялич, доктор технических наук, заведующий кафедрой горных машин и комплексов КузГТУ им. Т. Ф. Горбачёва 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
У677           Управление надежностью и ресурсом металлургических 
машин и оборудования : учеб. пособие / В. А. Карепов, В. Т. Чесноков, Т. А. Бровина, Т. А. Герасимова. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 
2020. – 112 с. 
ISBN 978-5-7638-4278-4 
 
Изложены основы надежности технологических машин горного и металлургического производств. Приведены методики расчетов показателей надежности и методы их обеспечения при проектировании, изготовлении, эксплуатации 
машин. Представлены структурные схемы и формулы для управления надежностью машин, их узлов и деталей. Показаны возможности управления ресурсом 
машин, в том числе и остаточным, на всех стадиях создания и функционирования машин и оборудования. 
Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям 21.05.04 
«Горное дело», 15.04.02 «Технологические машины и оборудование». 
 
 
Электронный вариант издания см.: 
http://catalog.sfu-kras.ru 
УДК 669.01/.09(07)  
ББК 65.305.2я73 
 
ISBN 978-5-7638-4278-4                                                           © Сибирский федеральный  
                                                                                                         университет, 2020 

Оглавление 
 

3 

 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 

ВВЕДЕНИЕ .......................................................................................................... 5 
 
1. АКТУАЛЬНОСТЬ  И СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ  НАДЕЖНОСТИ  
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ  МАШИН  И  КОМПЛЕКСОВ ............................ 7 
1.1. Показатели надежности .......................................................................... 7  
1.2. Способы повышения надежности ........................................................ 12  
1.3. Обеспечение надежности машин при их изготовлении .................... 14 
1.4. Поддержание надежности машин в процессе эксплуатации ............ 18 
Контрольные вопросы и задания ................................................................ 25 
 
2. РАСЧЕТ  И  ПУТИ  ПОВЫШЕНИЯ  ЕДИНИЧНЫХ  
И  КОМПЛЕКСНЫХ  ПОКАЗАТЕЛЕЙ  НАДЕЖНОСТИ ...................... 26 
2.1. Единичные показатели .......................................................................... 26 
2.2. Комплексные показатели ...................................................................... 35 
Контрольные вопросы и задания ................................................................ 37 
 
3. ЗАКОНЫ  РАСПРЕДЕЛЕНИЯ  
И  ЧИСЛОВЫЕ  ХАРАКТЕРИСТИКИ  СЛУЧАЙНЫХ  ВЕЛИЧИН .... 39 
Контрольные вопросы .................................................................................. 48 
 
4. ОТКАЗЫ  ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ  МАШИН ............................................ 49 
4.1. Выбор критериев отказов ..................................................................... 49 
4.2. Виды и характеристики отказов ........................................................... 50 
4.3. Установление причин отказов .............................................................. 60 
4.4. Детальное определение причин отказов  
в передачах технологических машин .................................................. 62 
Контрольные вопросы и задания ................................................................ 64 
 
5. СТРУКТУРНЫЙ  АНАЛИЗ  НАДЕЖНОСТИ .......................................... 65 
5.1. Определение требуемого уровня надежности  
проектируемого изделия ...................................................................... 65 
5.2. Влияние структурных схем на надежность машин ............................ 68 
5.3. Определение требуемого ресурса машин при проектировании ....... 75 
5.4. Определение требуемого ресурса узлов машин ................................. 78 
5.5. Расчет ресурса деталей узлов ............................................................... 82 

Управление надежностью и ресурсом металлургических машин и оборудования 
 

4 

5.6. Методы повышения надежности машин и их узлов .......................... 82 
Контрольные вопросы и задания ................................................................ 87 
 
 
6. ОРГАНИЗАЦИЯ  РАБОТ  
ПО  УПРАВЛЕНИЮ  НАДЕЖНОСТЬЮ  МАШИН ............................... 88 
6.1. Мероприятия по обеспечению надежности машин ........................... 88 
6.2. Порядок сбора и обработки информации о надежности машин ...... 89 
6.2. Определение показателей сохраняемости изделий ............................ 94 
6.3. Определение показателей ремонтопригодности ................................ 95 
6.4. Особенности расчета безотказности технологических машин ......... 96 
Контрольные вопросы и задания ................................................................ 97 
 
7. РЕЗЕРВЫ  ПОВЫШЕНИЯ  НАДЕЖНОСТИ   
В  ЭКСПЛУАТАЦИИ ................................................................................... 98 
7.1. Определение оптимальной надежности машин и оборудования ..... 98 
7.2. Влияние условий эксплуатации на надежность  
машин и оборудования ....................................................................... 102 
7.3. Резервы повышения надежности машин .......................................... 104 
Контрольные вопросы и задания .............................................................. 106 
 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................................... 107 
СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ .............................................................................. 108

Введение 
 

5 

 
ВВЕДЕНИЕ 
 
 
В горнорудной и металлургической промышленности особое внимание уделяется качеству и надежности технологических машин. Причем по 
мере развития техники к ней предъявляют повышенные требования. Машины и оборудование должны быть эффективны в широком диапазоне условий работы весь период эксплуатации. 
Работоспособность машин определяется их способностью выполнять 
заданные функции при сохранении допустимых значений выходных параметров, заданных в технических характеристиках. 
В процессе эксплуатации технологических машин изменяются заложенные при проектировании и изготовлении показатели надежности. Они 
снижаются из-за возникновения неисправностей и отказов. 
В рассматриваемых областях промышленности машины и оборудование являются ремонтируемыми. Неремонтируемыми в их конструкциях 
бывают только узлы и детали, для которых любой отказ – это предельное 
состояние, а наработка до отказа – ресурс изделия. Устранение таких отказов возможно только заменой элементов новыми. В этом случае работоспособность всего изделия сохраняется. 
Многие узлы и детали в изделиях можно восстановить путем ремонтов того или иного вида. Определяющими для этих элементов конструкции 
в вопросах надежности являются показатели безотказности: вероятность 
безотказной работы и наработка на отказ. 
Но восстанавливать детали и узлы возможно до тех пор, пока это 
экономически целесообразно. К тому же ремонтные заводы, как правило, 
оснащены современным оборудованием несколько хуже, чем заводыизготовители машин. Отремонтированные изделия по качеству уступают 
заводским, и надежность их ниже. 
Чтобы управлять надежностью машин и оборудования, необходимо 
знать, от чего зависят разброс их ресурса, наработки до предельного        
состояния на всех стадиях существования машины: при проектировании, 
изготовлении, эксплуатации. 
При проектировании необходимо знать закон распределения ресурсов, при изготовлении – влияние технологии изготовления на качество изделий, при эксплуатации – стабильность условий и степень нагруженности 
ответственных узлов. 

Управление надежностью и ресурсом металлургических машин и оборудования 
 

6 

В пособии кратко изложены основные положения надежности,  приведены методики структурного анализа машин на стадии проектирования 
и определения оптимальной надежности с учетом затрат при изготовлении, 
эксплуатации и корректировке остаточного ресурса машин (с учетом фактических показателей надежности).  

1. Актуальность и способы повышения надежности технологических машин и комплексов 
 

7 

 
1. АКТУАЛЬНОСТЬ  И  СПОСОБЫ  ПОВЫШЕНИЯ  
НАДЕЖНОСТИ  ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ  МАШИН  
И  КОМПЛЕКСОВ 
 
 
1.1. Показатели надежности 
 
В современной рыночной экономике основным конкурентным преимуществом становится качество производимой продукции, которая 
должна соответствовать требованиям потребителей. Качество по международному стандарту ИСО 9000,  ИСО 2000 рассматривается как совокупность свойств и характеристик продукции, которые придают ей способность удовлетворять обусловленные или предполагаемые потребности. 
Качество – это комплексное понятие, включающее показатели назначения, технологичности и экономичности изготовления и эксплуатации, 
надежности, эргономические, патентно-правовые, технической и пожарной 
безопасности и др. 
Одним из наиболее важных показателей качества является надежность, в значительной мере определяющая эксплуатационные свойства 
технологических машин. Разработано много стандартов по надежности. На 
практике используются: ГОСТ 24.701–86, ГОСТ 27.001–95, ГОСТ 27.002–89, 
ГОСТ 34.003–90, ГОСТ 27.004–85, ГОСТ 27.202–83, ГОСТ 27.301–95, 
ГОСТ 27.402 – 95 и др. 
Уровень надежности машины основывается не только на выработке всего заданного ресурса. Уровень надежности характеризуется затратами на освоение изделия, его отработку, изготовление и эксплуатацию. Поэтому надежность должна иметь интегральную оценку и назначаться такой, какая 
необходима в каждом конкретном случае. 
Так, например, ходовая часть танка или двигателя самолета имеет 
строго ограниченный заданный ресурс, отличный от транспортных машин. 
Вместе с тем ряд сложных машин, систем, комплексов не допускает даже 
единичных отказов, так как резко снижается экономический эффект от 
применения такой техники. Отказ одного из элементов ЭВМ способен 
привести к остановке всего вычислительного комплекса или производственного процесса. 
Первые исследования по надежности относятся к концу Второй мировой войны. Основанием послужили факты отказов электронных систем 

Управление надежностью и ресурсом металлургических машин и оборудования 
 

8 

самолетов и устройств военно-морского флота США (до 70 % электронных 
устройств отказывало в начальный период их эксплуатации после 20 ч работы [3]). 
Отечественный и зарубежный опыт повышения надежности машин 
показывает, что наибольший эффект достигается, когда соблюдаются следующие требования: 
● надежность изделия закладывается при его проектировании; 
● заданные показатели надежности определяются в техническом задании на изделие и должны быть не ниже стандартных, лучших зарубежных аналогов; 
● новые модификации изделий подвергаются отработке на надежность; 
● отработка на надежность включает комплекс конструктивных 
и технологических мероприятий, выполнение расчетов и испытаний, установление правил пользования, состав и комплектность запасных частей по 
годам и на весь срок службы изделий; 
● допуск к серийному производству производится после подтверждения нормируемых техническим заданием показателей надежности; 
● испытания на надежность комплексные, включают стендовые испытания, поузловые, эксплуатационные; 
● проведение расчетов по надежности выполняется в процессе проектирования (до испытаний) по современным методикам, заложенным 
стандартами по надежности.  
Термины и определения. Термины установлены ГОСТ 21623–86; 
ГОСТ  16504–81; ГОСТ 27.002–89 и ГОСТ 18322–87. Они обязательны 
к применению для всех видов техдокументации и литературы. Для каждого 
понятия стандартизован один термин, а применение терминов-синонимов        
не допускается. 
Технический объект – это предмет, подлежащий расчету, анализу, 
испытанию и исследованию в процессе проектирования, изготовления, 
применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования (в целях обеспечения эффективности функционального назначения). 
Механическая система – сложный объект, представляющий собой 
совокупность взаимосвязанных функционально и расположенных в определенном порядке объектов. Это машины, агрегаты, сборочные единицы, 
которые в зависимости от цели исследования могут входить в более сложную механическую систему в качестве подсистемы или элемента. 
Элемент (механической системы) – объект, представляющий собой 
часть системы в конкретном исследовании. Элементами могут быть детали, 
сборочные единицы, агрегаты и даже машины, если они в исследовании 

1. Актуальность и способы повышения надежности технологических машин и комплексов 
 

9 

(расчете) представлены только признаками и характеристиками (без раскрытия их внутреннего содержания). 
Понятия «система» и «элемент системы» должны рассматриваться 
как целое и часть в конкретном исследовании, поэтому они относительны. 
Что было системой в отношении части, то будет элементом при рассмотрении целого. 
Надежность – свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность 
выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования. Надежность является комплексным показателем, который в зависимости от назначения объекта и условий его применения может включать такие свойства, как безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость или определенные сочетания этих свойств. 
Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки. Проявляется в режиме как работы, так и ожидания. 
Долговечность – свойство объекта сохранять работоспособность состояние до наступления предельного состояния при установленной системе 
технического обслуживания и ремонта. Долговечность разделяют на физическую и моральную. 
Физическая долговечность – это продолжительность работы машины 
в средних условиях эксплуатации до капитального ремонта или списания. 
Списание производится тогда, когда эксплуатация становится опасной, 
технически невозможной, а восстановление экономически нецелесообразным. 
Моральная долговечность – это продолжительность работы машины, 
после которой ее конструкция становится технически и экономически не 
эффективной по сравнению с новыми типами машин. 
Ремонтопригодность – свойство объекта, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонта. 
Сохраняемость – свойство объекта сохранять в заданных пределах 
значения параметров, характеризующих его способность выполнять требуемые функции в течение и после хранения и транспортирования.

Изделие в период его применения (эксплуатации) может находиться 
в исправном, неисправном, работоспособном, неработоспособном состояниях. Особое состояние изделия – предельное. Переход из одного 
состояния в другое характеризуется событиями – повреждением или отказом. 

Управление надежностью и ресурсом металлургических машин и оборудования 
 

10 

Исправное состояние (исправность) – состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям нормативно-технической и конструкторской (проектной) документации. 
Неисправное состояние (неисправность) – состояние объекта, при 
котором он не соответствует хотя бы одному из требований нормативнотехнической или конструкторской (проектной) документации. 
Работоспособное состояние (работоспособность) – состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность 
выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативнотехнической и конструкторской (проектной) документации. 
Неработоспособное состояние (неработоспособность) – состояние 
объекта, при котором значение хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям нормативно-технической и конструкторской (проектной) документации. У сложных объектов может быть несколько неработоспособных 
состояний; при этом из множества состояний выделяют неработоспособные, при которых объект способен частично выполнять требуемые 
функции. 
Предельное состояние – состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна либо восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно. 
Повреждение – событие, заключающееся в нарушении исправного 
состояния объекта при сохранении его работоспособного состояния. 
Отказ – событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта. 
Причина отказа – явления, процессы, события и состояния, вызвавшие возникновение отказа. 
Ремонтируемый объект – объект, для которого возможность проведения ремонтов и технического обслуживания предусмотрена нормативнотехнической документацией (НТД). 
Неремонтируемые объекты – объекты, для которых ремонт и техобслуживание не предусмотрены НТД. 
Абсолютное большинство машин и их сборочных единиц относятся 
к ремонтируемым. К неремонтируемым могут быть отнесены подшипники 
качения, ременные и зубчатые передачи, рукава высокого давления, манжеты и уплотнения, фрикционные накладки, пружины и др. 
Величина, характеризующая одно из свойств или несколько свойств 
надежности, называется показателем надежности. 
Наработка – продолжительность (или объем) работы объекта. Наработка может быть как непрерывной (продолжительность работы в часах, ки

1. Актуальность и способы повышения надежности технологических машин и комплексов 
 

11 

лометраж пробега и т. п.), так и целочисленной (число рабочих циклов, запусков и т. п.) величиной. 
Ресурс – суммарная наработка объекта от начала его эксплуатации 
или ее возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние. 
Критерием исправного состояния являются установленные нормативно-технической документацией параметры технической характеристики изделия, а также внешнего вида, комфортности, обзорности, удобства 
управления и другие параметры качества изделия. 
Критерием работоспособного состояния являются параметры техники безопасности, технической характеристики изделия, установления НТД 
для заданных условий режимов применения. 
Критерием неисправного состояния является выход за установленные пределы хотя бы одного параметра, но при этом работоспособность 
изделия сохраняется полностью в режимах, оговоренных в НТД. 
Критерием неработоспособного состояния является выход за установленные пределы НТД значения хотя бы одного параметра технической 
характеристики или появление дефекта, являющегося по признакам НТД 
отказом. 
Критерием предельного состояния является также его неработоспособное состояние, при котором по установленным НТД признакам фиксируется факт недопустимости или невозможности дальнейшего применения 
изделия по назначению, необходимости его замены или списания.  
Срок службы – календарная продолжительность эксплуатации изделия от начала эксплуатации до наступления предельного состояния. 
Срок сохраняемости – календарная продолжительность хранения или 
транспортирования изделия в заданных условиях, в течение и после которой сохраняются исправность и свойства надежности. 
Оперативное время восстановления – затраты времени каждого исполнителя на выполнение операций по восстановлению работоспособности изделия, определяемые его конструкцией и техническим состоянием. 
Оперативная продолжительность восстановления – время проведения операций по восстановлению работоспособности изделия, определяемое его конструкцией, техническим состоянием и приспособленностью 
к одновременному выполнению работы несколькими исполнителями. 
Оперативная трудоемкость восстановления – сумма затрат времени 
всех исполнителей, участвующих в восстановлении работоспособности изделия, при выполнении ими операции. 
Оперативная стоимость восстановления – стоимость выполнения 
операций восстановления работоспособности изделия, определяемая его 
конструкцией, техническим состоянием и квалификацией всех участвующих исполнителей.