Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

Плютов Ю.А., Хомич Л.В.
В настоящее время при анализе надежности транспортных машин используется, как правило, классическая (системная, математическая) теория надежности, основанная на статистических методах обработки эксплуатационных данных [1, 2]. Такие подходы получили в технике чрезвычайно широкое распространение, что, на наш взгляд, обусловлено преимущественно достаточной простотой сбора и обработки статистической информации, и возможностью получения достаточно в перспективе эффективных методов и приемов построения научно обоснованных систем эксплуатации [3, 4].

Вместе с тем, будучи в свое время разработана для оценки надежности компонент изделий радиоэлектронной промышленности, математическая теория надежности может быть применена к объектам и системам другой природы с большой осторожностью. При этом формальный аппарат теории надежности таков, что не возникает никаких затруднений в применении его к любым системам. Получаемые при этом результаты и прогнозные оценки надежности, выглядя правдоподобными, в значительной степени расходятся с действительными значениями, однако выявляется это гораздо позднее, после длительных сроков эксплуатации и накопления статистики по отказам.

Не касаясь объектов и систем другой природы, применительно к механическим конструкциям основная причина такого положения заключается в следующем. К механическим конструкциям, как и к другим техническим объектам, вполне применимы системные подходы, однако специфика этих конструкций в чрезвычайно тесном взаимодействии элементов таких систем. Это взаимодействие настолько сильно, что, хотя формально и можно разделить конструкцию на подсистемы, работает она всегда как единое целое, объединенное общими силовыми потоками, полями напряжений и деформаций. Практически не выполняется допущение математической теории надежности о независимости отказов отдельных элементов. Отказ или снижение работоспособности элемента механической конструкции приводит к перераспределению силовых потоков, изменению интенсивности деградационных процессов, изменению показателей надежности всех остальных элементов.

Понимание ограниченных возможностей математической теории надежности применительно к механическим конструкциям сформировалось достаточно давно. Так, в [5] отмечается, что при анализе надежности механической системы необходимо учитывать следующее.

  1. Расчет надежности механической системы по схемам с параллельным и последовательным соединением элементов - необходимое (дает зависимость надежности системы от надежности входящих в нее элементов), но недостаточное условие для правильного суждения о ее надежности, поскольку результат расчета по этим формулам не учитывает разницу в протекании физико-химических процессов в деталях и отдельных звеньях механической системы под влиянием действующих нагрузок и окружающей среды.
  2. Для окончательного заключения о надежности механической системы необходимо определить ведущий вид разрушения в наиболее слабом элементе системы и исследовать его вероятностные закономерности.

В [6] отмечается, что последовательное и параллельное соединение подсистем правомерно только в том случае, если все процессы механического и физико-химического взаимодействия локализованы в пределах каждой подсистемы, так что с точки зрения надежности их взаимодействие является чисто логическим.

В течение нескольких десятилетий разрабатывались подходы, совмещающие математическую теорию надежности и физику процессов деградации элементов механических конструкций. Наиболее последовательное развитие теории приводит практически к отказу от формального аппарата теории надежности и построению методов оценки вероятности отказа и ресурса в рамках чисто механических представлений о процессах в деталях и элементах конструкций [6]. Вместе с тем, продолжается и развитие более сложных структурно-логических схем, которые, однако, имеют в своей основе те же схемы параллельного и последовательного соединения элементов.

В наиболее полном виде эти схемы рассмотрены в [7]. В настоящее время в теории надежности известен ряд логических схем, демонстрирующих структуру и механизм формирования показателей надежности систем произвольной природы. При этом в качестве основного показателя обычно рассматривается вероятность безотказной работы. Кроме классических схем последовательного и параллельного соединения элементов рассматриваются мажоритарные, мостиковые, комбинированные и многофункциональные схемы.

В настоящее время накоплены и обработаны статистические данные по технологической и эксплуатационной дефектности, отказам, разрушениям и аварийным ситуациям ленточных конвейеров, большегрузных автосамосвалов и грузовых вагонов.

Анализ этих данных и опыт численного моделирования напряженно-деформированного состояния несущих конструкций транспортных машин позволили сформулировать ряд положений и перспективных направлений развития методов оценки и формирования показателей надежности конструкций этого класса.

  1. Очевидно, показатели надежности не формируются в результате игры случая, а являются внешним проявлением протекающих в машине механических, физико-химических и термодинамических процессов. Применительно к подавляющему большинству машин и конструкций, в том числе для всех элементов и узлов транспортного оборудования именно напряженно-деформированное состояние оказывает решающее влияние на формирование отказов и разрушений. При этом конструктивные формы транспортных машин таковы, что распределение напряжений и деформаций весьма неравномерно по конструкции. В связи с этим необходима разработка структурно-логических схем конструкций, элементами которых были бы не узлы и детали, как в классических схемах последовательного и параллельного соединения, а элементы объемов и конструктивные зоны, напряженные до определенного уровня в соответствии с принимаемой градацией и шкалой напряжений. Именно для этих силовых элементов необходимо построение логических, преимущественно комбинированных, схем надежности. Накопленный опыт моделирования напряженного состояния позволяет для основных элементов и узлов транспортных машин представить структурно-логические схемы надежности, составленные из силовых элементов с учетом их взаимодействия.
  2. Деградационные процессы и формирование отказов конструкций оказываются локализованными в области технологической и эксплуатационной дефектности. При этом технологическая дефектность, практически неизбежная при современном техническом уровне технологических процессов в машиностроении, оказывается первоначальной причиной, так порождает в большинстве случаев и эксплуатационную дефектность. В связи с этим физико-математической основой расчетов надежности является механика хрупкого, пластического и усталостного разрушения. Базовым понятием в механике разрушения является модель трещины, форма и размеры которой в совокупности с параметрами напряженного состояния и определяют интенсивность деградационных процессов. Таким образом, именно технология производства в совокупности с условиями эксплуатации и уровнем нагруженности формирует картину надежности. Для практических расчетов надежности необходимо располагать статистическими данными по дефектности, формирующимися при неразрушающем дефектоскопическом контроле. В настоящее время собраны статистические данные по дефектности рам карьерных автосамосвалов, колесных пар железнодорожных вагонов, представленные в виде вероятностных распределений размеров дефектов и геометрических параметров их локализации. Распределение дефектности в соответствии с этими данными по силовым элементам структурно-логических схем в совокупности с аппаратом механики разрушения позволяет строить количественные прогнозные оценки показателей надежности.
  3. Интенсивность деградационных процессов в значительной степени определяется характеристиками реальных процессов нагружения транспортных машин. Погрешность результатов при использовании усредненных данных, замене случайных характеристик процесса нагружения детерминированными и других упрощениях настолько велика, что обесценивает расчетные значения показателей надежности. В связи с этим необходимо развитие расчетно-экспериментальных методов обоснования параметров случайных процессов нагружения. Очевидно, необходимо накопление определенного количества экспериментально полученных осциллограмм и соответствующая статистическая обработка в соответствии с принятыми методиками и нормативными документами. Далее, необходимо численное моделирование внешних воздействий и подбор таких параметров моделей, чтобы было обеспечено удовлетворительное совпадение с экспериментальными данными.
  4. При наличии значительных накопленных повреждений, не приводящих, однако к немедленному нарушению работоспособности транспортной машины, необходим переход от понятия и показателей надежности к рассмотрению категории живучести. Живучесть представляет собой характеристику стойкости системы к внешним (главный отличительный признак от надежности) воздействиям со стороны окружающей среды при возникновении и развитии допустимых повреждений [8]. Общие подходы к оценке и обеспечению живучести технических систем произвольного назначения в настоящее время интенсивно разрабатываются и широко представлены в литературе. При этом, очевидно, что на формирование живучести в решающей степени влияют конструктивные формы и параметры машин того или иного класса, а также характерные условия их эксплуатации. Что касается транспортных машин вообще, и работающих на горных предприятиях в частности, практически не известны какие либо подходы к оценке живучести (за исключением объектов авиационной техники и водного транспорта). В связи с этим первоочередную важность представляют исследования в области определения структуры понятия живучести, системы и алгоритмов ее количественных оценок применительно к транспортным машинам горных предприятий.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Гнеденко Б.В., Беляев Ю.К., Соловьев А.Д. Математические методы в теории надежности. - М.: Наука, 1965. - 524 с.
  2. Барлоу Р., Прошан Ф. Статистическая теория надежности и испытания на безотказность. - М.: Наука, 1984. - 328 с.
  3. Дедков В.К., Северцев Н.А. Основные вопросы эксплуатации сложных систем. - М.: Высшая школа, 1976. - 406 с.
  4. Барзилович Е.Ю. Модели технического обслуживания сложных систем. - М.: Высшая школа, 1982. - 231 с.
  5. Дмитрюк Г.Н., Пясик И.Б. Надежность механических систем. - М.: Машиностроение, 1966. - 184 с.
  6. Болотин В.В. Ресурс машин и конструкций. - М.: Машиностроение, 1990. - 448 с.
  7. Надежность технических систем / Под общ. ред. Е.В. Сугака, Н.В. Василенко. - Красноярск: НИИ СУВПТ, 200. - 608 с.
  8. Махутов Н.А., Котоусов А.Г. Принципы повышения безопасности сложных технических систем // Защита металлов. - 1996. - Том 32, № 4. - С. 346-351.