Предельное состояние изделия

Исключительное значение при проектировании изделий с узлами трения имеет информация о возможных видах их предельных состояний. Вид предельного состояния проектируемого изделия может быть определен в результате анализа областей работоспособности изделия.

Области работоспособности изделия

Как видно из рассмотренной модели отказа, надежность изделия определяется соотношением областей работоспособности (область допустимых значений выходных параметров) и состояния (область возможных значений параметров). Рассмотрим характерные виды этих областей для случая независимости выходных параметров, когда данную область можно изображать в координатах X — t (рис. 6.7) Наиболее распространенный вид области работоспособности характеризуется постоянной границей (поле допуска), выход за пределы которой будет квалифицироваться как отказ (рис. 6.7, а). Однако граница этой области может занимать и случайное положение, если гребования к параметрам изделия устанавливаются потребителем (рис. 6.7, б). В этом случае одно и то же изделие, работая в областях с более жесткими требованиями к его параметрам, будет обладать меньшей надежностью, чем при работе в областях с менее жесткими требованиями к техническим показателям. В рассмотренных случаях требования к изделию не изменяются во времени.

Рис. 6.7. Варианты областей работоспособности и состояний [5].

Сужение области работоспособности по мерс эксплуатации изделия (рис. 6.7, в) возможно, если с течением времени повышаются требования к изделию, например, из-за конкурентной борьбы. Наоборот, иногда возможно расширение области работоспособности, например, для возможности дальнейшего использования изношенного изделия в новых областях, где требования к параметрам изделия могут быть ниже. Перевод изделия в другую категорию качества производится обычно после того, как оно отработало свой ресурс и осуществлен его средний или капитальный ремонт (рис. 6.7, г). Примером может служить перевод станка на обработку деталей меньшей точности, использование отработавшего ресурс авиадвигателя для различных стационарных установок и т. п.

Большое разнообразие имеют области состояний, которые определяются видом реализаций X (t) при различных условиях работы изделия.

Характер и вид реализаций Х (t) зависят от многих факторов, и поэтому области состояний могут обладать теми или иными специфическими особенностями.

Как известно, реализация Х_у, описывающая границу области с заданной вероятностью выхода параметра X за ее пределы, достигает своего предельного состояния при Х_у = Х_пшх. Согласно принятым выше определениям, отказ произойдет при выходе параметра за пределы Х_тах независимо от того, на какую величину он превысил Х_тах. Однако при работе многих узлов и машин степень изменения параметра за пределами Х_тах может оказать решающее влияние на последствия отказа.

Так, падение мощности авиационного двигателя ниже установленного предела приведет к незначительным последствиям при малых отклонениях от нормы и к катастрофическим при резком падении мощности.

Поэтому возможно существование нескольких уровней предельных состояний, каждый из которых характеризуется своей степенью опасности последствий отказа. В частности, один уровень определяет параметрический отказ, а другой — отказ функционирования.

На рис. 6.7, д показан второй уровень предельного состояния Х_2тах, выход за который допускается со значительно меньшей вероятностью, чем за Х_]тах. Поэтому граница области Х._[2 соответствует большей вероятности нахождения в ней параметра Х_ч чем для Х_у/, т. е. (у2 «Yi). Потеря работоспособности наступит, когда период непрерывной работы будет Т₀ = Т₂ (при Т₂ < T_f).

Границы области состояний в указанных случаях определены на основании оценки вероятностной природы процесса, физическая сущность которого определяет общий его ход, а различные случайные воздействия приводят к дисперсии значений параметра.

Однако для высоконадежных систем часто необходимо оценить ход процесса потери работоспособности в возможных экстремальных условиях эксплуатации.

Реализация Х_зк на рис. 6.7, д получена не из оценки вероятпостной природы процесса, а из анализа физических процессов разрушения (старения) при наиболее неблагоприятном сочетании факторов. Эта реализация определяет период Т_эк, при котором обеспечивается безотказная работа машины. Область состояний по данному параметру не обязательно ограничена линейными реализациями. Физика процессов старения может диктовать иной ход процесса потери начальных параметров.

На рис. 6.7, е и ж показаны два наиболее типичных случая нелинейных функций. Первый характеризуется стабилизацией процесса, что, например, наблюдается при тепловых деформациях системы. В этом случае при наличии запаса надежности (т. е. при Х_у < Х_тах) период непрерывной работы машины Т₂ (рис. 6.13, е) не лими-тируется данным процессом и выбирается из условия эксплуатации и технического обслуживания машины. Лишь при израсходовании запаса надежности по данному параметру период Т_} определяется из условия t = Т/ при X₇(t) = X_max.

Другой характер области состояний будет при таком виде реализаций процесса старения, когда после некоторого периода работы наступает процесс интенсивного (иногда практически мгновенного) возрастания параметра (рис. 6.7, ж).

Так, если при изнашивании изменяются условия трения, то процесс может принять недопустимые формы, что встречается, например, при износе режущего инструмента. Другой пример — отказ двигателя внутреннего сгорания, когда нагар на свече зажигания достигает величины, при которой искра не возникает. В этих случаях непрерывная работа в течение всего периода Г/, определенного из условия Х_у = Х_тах, нежелательна, так как интенсивное изменение параметра в зоне, близкой к Х_таХ9 повышает вероятность преждевременного отказа.

Более целесообразно ограничить область состояний периодом Т₂, определяющим переход реализации Х_у в зону интенсивного возрастания.

Наконец, возможно такое формирование области состояний, когда изменение выходных параметров изделия происходит в два этапа (рис. 6.13, з). В первый период теряет работоспособность вспомогательный элемент (по параметру Х₂), а затем начинает изменяться состояние основного элемента, определяемое параметром Х₂. Так, вначале изнашивается уплотнение вала, которое препятствует проникновению пыли к опоре, а после достижения им предельного состояния начинается износ опоры. Предельное состояние этой основной пары (Х2ШХ) выбирается, например, по условию точности вращения. Таким образом, здесь формирование области состояний подчиняется схеме на рис. 6.6, когда начало Т_в процесса изменения выходного параметра Х2 (0 является случайной величиной). В рассматриваемом примере это значение Т_а является следствием другого случайного процесса Х_г(().

Следует иметь в виду, что все рассмотренные случаи относятся к постепенным отказам, когда происходит изменение состояния самой машины. Влияние на надежность машин внезапных отказов, как правило, значительно меньше, чем износных.