Надежность технологических процессов

Надежность изделия или системы — это качественный показатель, определяемый вероятностью того, что объект будет работоспособным в данный период времени. Технологический процесс — это система, составными частями которой являются операции, а элементами операции — оператор, заготовка, оборудование, технологическая оснастка, информация, энергия, вспомогательные материалы и др. Показателем надежности обладают операции и все ее составные элементы.

Использование на стадии проектирования технологических процессов их оценки по показателю надежности позволит найти подходы, исключающие затраты на восстановление работоспособности как в первоначальный период освоения новых ТП, так и в период дальнейшей эксплуатации системы.

В соответствие с принятой терминологией надежность всего объекта или его частей определяется как свойство, которое в зависимости от назначения и условий эксплуатации может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость (рис. 4.7).

Рис. 4.7. Показатели оценки надежности.

Различие между понятиями безотказности и долговечности заключается в том, что о безотказности судят по сохранению работоспособности в течение ограниченного времени, а о долговечности — в течение длительного времени с возможными перерывами на ремонт.

Безотказность часто рассматривается как основной показатель надежности. Коэффициент безотказности Р_И < 1 определяется вероятностью того, что за период времени t при регламентированных режимах работы и условиях эксплуатации отказ объекта не произойдет. Иначе говоря, работа будет безотказной, если время от начала работы объекта до первого отказа будет большим, чем заданное время t.

В случае простейшего потока отказов вероятность безотказной работы Р" определяется экспоненциальной зависимостью.

где X — интенсивность отказов объекта (вероятность отказов в единицу времени); t — время, для которого определяется вероятность безотказной работы.

Показатель X определяется как интенсивность отказов в единицу времени. Формула справедлива для объекта, прошедшего приработку, но еще не испытывающего износа. Время t устанавливают при испытании нового объекта. К примеру, изготовленный станок с ЧПУ проходит проверку на безотказность работой по тестовой программе в течение 48 ч.

На рис. 4.8 показана интенсивность отказов в период эксплуатации.

Рис. 4.8. Распределение интенсивности отказов в процессе эксплуатации:

1 — приработка; 2 — нормальная эксплуатация; 3 — период износа В первый момент при Т = 0 в системе оказывается некоторое число дефектных элементов, что определяет сравнительно высокую интенсивность отказов. В первоначальный период от нуля до Г" интенсивность отказов падает. Этот период называется приработкой. Затем наступает период нормальной эксплуатации от Т_п до T_IV в течение которого число отказов является постоянным. Через определенное время в результате износа число отказов начинает возрастать. В какой-то момент Г_м эксплуатацию объекта необходимо прекратить во избежание возникновения аварийной ситуации. Необходимы либо ремонт, либо замена объекта целиком.

Показателем долговечности объекта служит коэффициент Р_л < 1, который равен коэффициенту технического использования^[1], взятому за весь срок эксплуатации объекта:

где Г_р — время работы объекта за весь период эксплуатации; Ет_п — суммарное время простоев объекта из-за отказов за весь период эксплуатации.

Если, например, у металлорежущего станка Р_я = 0,94, то это означает, что за весь период эксплуатации, равный сроку службы, станок 6% времени находится в ремонте, а остальное время работает. Для металлорежущих станков принят срок службы, равный 10 годам. За этот период станкам проводят техническое обслуживание и два текущих ремонта. Через 10 лет необходим капитальный ремонт, в ходе которого полностью восстанавливают все исходные показатели точности и работоспособности.

Ремонтопригодность оценивают сроком восстановления работоспособного состояния после аварии и затратами времени на проведение восстановительного ремонта.

Сохраняемость определяется календарным сроком сохранения объектом своих качеств и затратами па осуществление этого показателя.

Если система состоит из нескольких элементов, то ее безотказность зависит от безотказности отдельных элементов. Возможны два различных случая связи элементов между собой, но аналогии с электрической цепью:

• — последовательная (рис. 4.9, а);
• — параллельная (рис. 4.9, б).

Рис. 4.9. Виды связи элементов

При последовательном соединении отказ хотя бы одного элемента выводит из строя всю систему (рис. 4.10, а). При параллельном соединении (рис. 4.10, б) выход из строя элемента сохраняет работоспособность системы, она станет неработоспособной только при отказе элементов в каждом из параллельных участков цепи.

Рис. 4.10. Выход из строя системы при связи элементов.

При последовательной связи безотказность системы Р_посл равна произведению безотказности ее отдельных элементов Р_{, Р₂, … Р_г

Следовательно, если безотказность каждого из элементов системы равна 0,95, то безотказность всей системы из двух элементов будет равна 0,9025, а из трех элементов — 0,857. Общая надежность системы с последовательной связью всегда ниже надежности самого худшего элемента.

Безотказность системы из двух параллельно соединенных элементов Р2nap;i выражается следующей формулой:

где Р_{ и Р₂ — безотказность каждого из элементов.

При параллельном соединении двух элементов с безотказностью 0,95 безотказность системы равна 0,9975, т. е. выше безотказности каждого отдельного элемента, а в общем случае выше безотказности самого лучшего элемента. Становится понятной сущность резервирования — метода введения в систему дополнительных избыточных элементов сверх минимально необходимых для выполнения требуемых функций.

Рассмотренные теоретические сведения позволяют обусловить направления работы по повышению надежности технологических процессов (рис. 4.11).

Рис. 4.11. Пути повышения надежности технологических процессов

• 1. Более надежным будет тот технологический процесс, в котором будет использовано меньшее число элементов. Это достигается при уменьшении числа операций, т. е. при интеграции обработки. Автоматически уменьшается число рабочих мест, операторов, станков, крепежных приспособлений, транспортировок и других элементов ТП.
• 2. Использование резервирования в ТП реализуется путем создания возможности выполнять одну и ту же работу на разных рабочих местах. Наилучшие условия для реализации этого подхода создает использование станков с ЧПУ. Универсальность этих станков и их широкие возможности позволяют выполнять на них самые разнообразные работы. Даже если на производственном участке размещены станки с ЧПУ разных моделей, это не препятствует переброске работы с одного станка на другой в случае остановки первого в связи с технической неисправностью.

Резервировать нужно и станочные приспособления. Это не отжившее себя дублирование, когда в инструментальной кладовой в обязательном порядке хранились специальные приспособления-дублеры, потребность в которых возникала при выходе из строя любого из работающих приспособлений.

Современный подход заключается в использовании универсальных, универсально-сборных и групповых переналаживаемых приспособлений, которые можно при необходимости в короткие сроки собрать и начать эксплуатировать взамен вышедших из строя.

Резервирование операторов обеспечивается тем, что в технологических процессах одного производственного подразделения отсутствуют уникальные операции-одиночки, выполнением которых владеют уникальные для предприятия рабочие.

• 3. Повышение надежности каждого из отдельных элементов является довольно действенным способом повышения надежности всего технологического процесса.
• 4. Если представление о надежности станков и технологической оснастки не нуждается в подробном разъяснении, то отнесение термина «надежность» к человеку может этого потребовать (рис. 4.12).

Рис. 4.12. Показатели надежности производственного персонала

Надежный работник не нарушает трудовую дисциплину, добросовестно выполняет все возложенные на него обязанности и данные ему поручения. Он психологически устойчив и не впадает в депрессию при неудачах, также не предается излишней эйфории при успехах. Он имеет достаточно хорошее физическое здоровье, которое позволяет ему полноценно трудиться весь трудовой день и весь календарный год.

5. Проектировать технологические процессы требуется с минимальным использованием последовательных связей элементов.

Рассмотрим для сравнения два технологических процесса обработки зубчатых колес.

В одном после зубофрезерования выполняется зубошевингование, затем закалка токами высокой частоты (ТВЧ) и финишная обработка отверстия и торцов (рис. 4.13). Показатель качества, плавность работы зубчатых венцов, зависит от большого числа последовательно связанных параметров различных элементов. Качество зубофрезерования определяется состоянием зубофрезерного станка, точностью червячной фрезы после ее заточки, точностью оснастки и заготовки. Достигнутые результаты изменятся при закалке, уровень снижения точности определится качеством материала заготовки и режимами термообработки.

Рис. 4.13. Параметры при шевинговалыюм варианте зубообработки

При переходе на иную технологию — зубошлифование, общее число параметров сокращается, а последовательные связи почти полностью отсутствуют (рис. 4.14). Отсутствует влияние на точность зубофрезерования, предшествующего зубошлифованию. Нужно иметь точный зубошлифовальный станок, точную оснастку для установки заготовки, хорошо подготовленную заготовку и обученного оператора.

Рис. 4.14. Параметры при зубошлифовальном варианте обработки.

При зубошлифовании, в отличие от зубошевингования, все перечисленные элементы независимы друг от друга, что определяет отсутствие последовательных связей.

Характер связей между параметрами технологического процесса отражается на точности обработки. Рассмотрим технологический процесс, состоящий из п последовательных операций (рис. 4.15).

Рис. 4.15. Формирование показателей качества.

В результате ТП в окончательно обработанной детали необходимо обеспечить в пределах допуска т показателей качества (х_и х₂, …, х_т). Вероятность Р^ц означает безотказность каждой операции в течение заданного периода времени t = Г, определяемой выходом одного из показателей качества за пределы допуска.

Часть показателей качества предыдущих операций (I гр) переходит в разряд выходных показателей качества изделия. Нет гарантии, что они достигнут финиша в неизменном виде. Каждая последующая обработка вносит изменения в перераспределение внутренних напряжений в материале детали, что связано с возникновением деформаций. Чем ближе операция к финишу обработки, тем сильнее ее влияние на выходные параметры качества.

Большинство показателей качества финишных операций непосредственно определяет надежность ТП (II гр). Именно вероятность их получения в пределах допуска во многом определяет надежность всего ТП. Незыблемо правило построения ТП: самые точные поверхности следует обрабатывать на самом финише.

Часть выходных показателей качества финишной операции (III гр) функционально связана с показателями качества предыдущих операций.

Действует так называемая технологическая наследственность. Например, неправильное положение просверленной оси отверстия не может быть выправлено последующим зенкерованием, развертыванием и хонингованием.

Технологи должны также серьезно отнестись к назначению допусков на параметры точности при выполнении промежуточных операций. Если требования будут занижены, то это отразится на точности последующих операций и сделает ТП ненадежным. Чрезмерное завышение требований экономически нецелесообразно, так как это чрезмерно удорожит ТП.

6. На этапе освоения нового технологического процесса происходит его приработка. Чаще случаются отказы техники, так как происходит ее обкатка. Усугубляются трудности тем, что у персонала не хватает знаний всех особенностей технологии и каждого из ее элементов.

Объективные трудности, связанные с пониженной надежностью технологического процесса на начальном этапе его функционирования, усугубляются субъективными, природой которых является психологический фактор персонала. Интересы предприятия, такие как повышение производительности, сокращение расхода материалов и энергии, экология, не всегда совпадают с интересами рядового исполнителя, которому предлагают отказаться от старого, привычного технологического процесса и начать работать по-новому.

Нужно понимать, что период приработки завершится тем скорее, чем больше труда будет уделено восстановлению работоспособности каждого вышедшего из строя элемента. Допускают ошибку те руководители предприятий, которые повышенное число отказов в период приработки воспринимают как нечто сверхординарное и готовы отказаться от нового технологического процесса, объявляя его ненадежным.

• [1] По ГОСТ 27.002—89 «Надежность в технике».