Основные понятия и показатели надежности автомобильных конструкций


Современный автомобиль является сложной машиной, состоящей из ряда систем, агрегатов и узлов, которые содержат тысячи деталей. Как основной вид наземного безрельсового транспорта автомобили работают в самых различных дорожных, климатических и других условиях эксплуатации.

Разнообразие условий эксплуатации и сложность конструкции предопределили необходимость использования целого комплекса эксплуатационных свойств для оценки возможности и удобства осуществления автомобилем транспортного процесса в конкретных условиях с определенной производительностью, экономичностью и рентабельностью. Основные эксплуатационные свойства автомобиля связаны с его движением. Они определяются параметрами и выходными характеристиками систем, агрегатов и узлов. Уровень этих параметров обеспечивается в процессе конструирования и производства и зависит при эксплуатации от технического состояния автомобиля.

При длительной эксплуатации техническое состояние автомобиля, как и любой машины, неизбежно ухудшается. Поддержание автомобиля в работоспособном состоянии в течение длительной эксплуатации является основной задачей технического обслуживания (ТО) и ремонта.

Техническое состояние автомобилей или их агрегатов и деталей качественно подразделяют на исправное — неисправное, работоспособное — неработоспособное и предельное. В нормативно-технической документации устанавливают требуемые пределы значений параметров, характеризующих качество работы элементов конструкции. Несоответствие автомобиля хотя бы одному из установленных требований свидетельствует о происшедшем повреждении, т. е. о переходе из исправного состояния в неисправное. Если требованиям не соответствует параметр, характеризующий способность автомобиля выполнять заданные функции — совершать транспортную работу, — это значит, что произошел отказ — нарушение работоспособности, и автомобиль неработоспособен.

Агрегаты и большинство деталей автомобиля являются ремонтируемыми объектами, их исправность и работоспособность в случае возникновения отказа или повреждения подлежат восстановлению. В предельном случае нарушения работоспособности, когда эксплуатация автомобиля или его агрегата должна быть прекращена полностью или он должен быть подвергнут капитальному ремонту, состояние объекта называют предельным. Следует отметить, что критерии предельного состояния различных агрегатов автомобиля определяются и неустранимым нарушением безопасности движения, и неустранимым отклонением заданных параметров от установленных пределов, и главным образом неустранимым снижением эффективности эксплуатации автомобиля. Закономерности переходов технического состояния деталей, агрегатов и систем автомобиля из исправного, работоспособного состояния в неисправное, неработоспособное и, наконец, в предельное состояние и обратно изучают методами теории надежности технических объектов. При анализе надежности рассматривают как отдельный технический объект автомобиль, его систему, агрегат или деталь.

Надежность — это свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, ТО, ремонтов, хранения и транспортирования. Надежность является сложным свойством технического объекта, которое для автомобиля и большинства его агрегатов включает безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость. Для деталей и отдельных агрегатов надежность включает одно из указанных свойств или определенное их сочетание. Количественная характеристика свойств надежности производится показателями надежности, которые называются единичными или комплексными в зависимости от того, одно или несколько свойств надежности ими оценивается. Показатели надежности рассматриваются в зависимости от продолжительности работы автомобиля — наработки, которая измеряется в тысячах километров пробега или часах работы.

Безотказностью автомобиля является его свойство непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторого пробега. При анализе безотказности агрегатов и систем автомобиля всегда проводится классификация отказов в зависимости от направленности управленческих решений, для принятия которых проводится анализ. Отказ отдельного элемента конструкции в одних случаях может не вызывать отказа агрегата, а в других — вызывать частичный или полный отказ агрегата, системы и автомобиля в целом. При частичном отказе, например отказе тормозного привода передних колес автомобиля с раздельным приводом тормозов мостов, система остается работоспособной, но работает со значительно меньшей эффективностью. При классификациях отказов рассматривают критерий, причины, признаки, характер и последствия нарушения работоспособности.

Критерии и признаки отказов указываются в нормативно-технической документации (уровень износа протектора шин, расход масла в двигателе и т. д.) и выявляются измерением с помощью приборов или непосредственным наблюдением (определенный шум при работе агрегата, дымление, повышенный нагрев и т. д.). Причинами отказов могут быть дефекты, допущенные при конструировании, производстве и ремонтах, а такж е нарушение правил и норм эксплуатации, в соответствии с чем отказы подразделяют на конструктивные, производственные и эксплуатационные. При длительной эксплуатации автомобилей большинство отказов вызвано различного рода повреждениями и естественными процессами изнашивания и старения, темп нарастания которых зависит от качества ТО.

С позиций выявления и своевременного предупреждения отказов большое значение имеют характер и последствия отказа. Постепенный отказ, характеризующийся постепенным изменением заданных параметров, можно прогнозировать, периодически контролируя эти параметры (например, повышение дымности выхлопа двигателя при износе цилиндропоршневых групп). Внезапный отказ, характеризующийся скачкообразным изменением параметров, предусмотреть значительно сложнее, а в отдельных случаях невозможно (например, перегорание ламп). Отказ отдельных деталей может являться причиной выхода из строя последовательно одного или нескольких других элементов конструкции, поэтому отказы подразделяют на зависимые и независимые.

Зависимые отказы сложных дорогостоящих деталей стремятся максимально возможно исключить, проводя профилактические воздействия, и, в частности, замену сопряженных быстроизнашиваемых деталей (например, для исключения задиров цилиндров заменяют при определенном износе поршневые кольца и поршни).

Показатели безотказности делят на две группы в зависимости от того, рассматривают ли при анализе один или несколько отказов одного и того ж е объекта (детали, агрегата или автомобиля в целом). При анализе безотказности до первого отказа, между отказами или до отказа определенной сложности рассчитывают вероятность безотказной работы, среднюю наработку до отказа и интенсивность отказов. Анализ безотказности элементов конструкции за определенный пробег с учетом их восстановления и наличия повторных отказов проводят по величинам наработок на отказ, параметров потоков отказов и ведущей функции отказов.

Вероятность P (L) безотказной работы (рис. 1.1) определяет вероятность того, что в пределах заданного пробега автомобиля отказ определенного вида не возникнет, и статистически оценивается отношением работоспособных элементов в конце N (L) и в начале N0 этого пробега:

Вероятность безотказной работы

где Σni — количество элементов, отказавших в течение пробега L.

Кривые  вероятности  безотказной работы  коренных  вкладышей  двигателей грузовых  автомобилей

Рис. 1.1. Кривые вероятности безотказной работы коренных вкладышей двигателей грузовых автомобилей:
1 — экспериментальная; 2 — теоретическая

Средняя наработка до отказа является математическим ожиданием пробега автомобиля до первого или последующего отказа рассматриваемого вида. Статистически этот показатель надежности определяется отношением суммы пробегов испытуемых автомобилей до определенного вида отказа к количеству наблю даемых автомобилей, если все они отказали за время испытаний:

Средняя  наработка  до  отказа

где li пробег до отказа i-го автомобиля.

Интенсивностью отказов называют условную плотность вероятности возникновения отказа невосстанавливаемого объекта, определяемую для рассматриваемого момента времени при условии, что до этого момента отказ не возник. Интенсивность отказов статистически определяется по формуле

Интенсивность  отказов

где ΔL — достаточно малый интервал пробега км; N(L), N(L +ΔL) — количество работоспособных элементов на пробеге L и (L +ΔL) соответственно.

Рассмотренные показатели безотказности математически связаны между собой: Lср=∫P(L)dL; λ(L)=-1/P(L)*d/dL*P(L), и при завершенных испытаниях, при которых на всех испытываемых автомобилях имели место отказы данного типа, с помощью показателя (1.1) можно получить два остальных. Вместе с тем, каждый показатель с различных позиций характеризует безотказность элемента конструкции автомобиля. Например, возрастание интенсивности отказов при росте пробега автомобиля свидетельствует о наличии процессов старения и изнашивания конструкции, а уменьшение интенсивности отказов — о наличии дефектов производства, которые проявляются в начале эксплуатации.

Средняя наработка на отказ, являющаяся отношением пробега автомобиля к математическому ожиданию числа отказов анализируемых восстанавливаемых элементов конструкции в течение этого пробега, статистически определяется по формуле

Средняя  наработка  на  отказ

где Li — пробег i-го автомобиля за период испытаний; ni(L) — суммарное количество отказов анализируемых элементов i-го автомобиля за пробег Li; N0 — количество испытываемых автомобилей.

Ведущая функция и параметр потока отказов — показатели безотказности, основанные на описании эксплуатации восстанавливаемого объекта следующим образом: новый автомобиль включают в работу, и он работает до отказа, автомобиль ремонтируют, и он вновь работает до отказа и т. д.; моменты отказов формируют поток отказов. Ведущей функцией Й потока отказов называют математическое ожидание числа отказов за пробег L:

Ведущая  функция  и  параметр  потока  отказов

Параметр потока отказов определяется как отношение среднего числа отказов восстанавливаемого объекта за произвольно малую его наработку к значению этой наработки. П араметр потока отказов определяют по формуле

Параметр  потока  отказов

где ni (L,L+ΔL) — количество отказов i-го автомобиля в интервале пробега от L до L+ΔL при малом ΔL.

Зависимости ведущей функции и параметра потока отказов деталей и агрегатов автомобилей от пробега (рис. 1.2) используют для планирования производства запасных частей, формирования складов и решения других задач управления техническим содержанием автомобилей.

Долговечность автомобиля, его агрегатов и деталей является их свойством сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при заданной системе ТО и ремонта. Это свойство оценивается техническим ресурсом, определяемым пробегом автомобиля, и сроком службы, измеряемым календарной продолжительностью работы автомобильных конструкций до предельного состояния. Срок службы автомобиля определяется физическим старением в процессе работы (физический износ первого рода) и под воздействием сил природы (физический износ второго рода), а также моральным старением, вызванным обесцениванием автомобиля вследствие технического прогресса. Постоянное повышение интенсивности эксплуатации автомобильного транспорта обусловило, что ведущим видом старения автомобильных конструкций является физический износ первого рода. Поэтому долговечность детали и агрегата, а также автомобиля в целом оценивают восновном величиной ресурса.

Ресурс каждой детали автомобиля зависит от большого количества факторов, связанных с качеством конструирования и изготовления, условиями эксплуатации и качеством технического содержания. Группа деталей, изготовленных даж е из одной и той ж е партии исходных материалов в одних и тех ж е технологических условиях, обладает определенным случайным разбросом ресурсов. Поэтому при анализе долговечности выделяют средние и гаммапроцентные ресурсы автомобильных конструкций. Средние ресурсы, рассчитываемые так же, как и средние наработки до отказа (1.2), во многом определяют расходы запасных частей и трудовые затраты на ремонтные воздействия, а потому используются при принятии управленческих решений по технической эксплуатации автомобилей.

Гамма-процентным ресурсом Lγ у называется наработка, в течение которой объект не достигнет предельного состояния с заданной вероятностью у, выраженной в процентах. Вероятность γ-продентов фактически является вероятностью безотказной работы до предельного состояния Р(Lγ)=γ/100 (1.1), и ее величина задается, как правило, на достаточно высоком уровне (γ= 80...90 %) в целях контроля качества изготовления узлов и агрегатов, а также для регламентирования гарантийных пробегов автомобилей. Для анализа отказов, не определяемых предельным состоянием объекта, введен аналогичный показатель — гамма­процентная наработка до отказа.

Средние ресурсы автомобильных конструкций значительно превышают их 80 %-ные и особенно 90 %-ные ресурсы вследствие значительного разброса их распределения. В целом распределения ресурсов часто описывают кривыми убыли, рассматривая процент у работоспособных элементов конструкции или вероятность безотказной работы Р(L) до предельного состояния как функцию пробега (см. рис. 1.1). Из приведенного графика, например, можно видеть, что 80 % групп деталей имеют наработку более 115 тыс. км, следовательно, 80 %-ный ресурс деталей L80=115 тыс. км при среднем ресурсе Lср=145 тыс. км. Общую закономерность распределения ресурса выявляют подбором теоретических кривых, используя статистические оценки распределения. В настоящее время установлено, что в относительно стабильных условиях работы при правильной технической эксплуатации автомобилей распределения ресурсов хорошо согласуются: деталей пар трения, а такж е сложных агрегатов — с нормальным законом; подшипников и шестерен — с законом Вейбулла и т. д.

функции  и параметр  потока  отказов  деталей

Рис. 1.2. Зависимость ведущей функции и параметра потока отказов быстроизнашивающихся деталей автомобиля от пробега

Физическое старение автомобилей при длительной эксплуатации происходит, как уже отмечалось, не только в процессе использования, но и под действием сил природы при хранении. Основной парк автомобилей работает в настоящее время не круглосуточно, поэтому сохраняемость автомобилей имеет значение как при длительных стоянках в условиях консервации, так и при межсменном хранении. Сохраняемость — это свойство автомобиля и его агрегатов сохранять значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в течение и после хранения. Определение срока сохраняемости, являющегося календарной продолжительностью хранения, при которой сохраняются значения заданных показателей в установленных пределах, производится так же, как и ресурсов, по средним и γ-процентным значениям. Сохраняемость оказывает влияние на безотказность и долговечность кузовов и кабин, аккумуляторов, шин и других резинотехнических изделий, а также автомобиля в целом.

Ремонтопригодностью является свойство объекта, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений, а также к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем проведения ТО и ремонтов. Улучшение ремонтопригодности заключается в снижении времени восстановления работоспособности автомобиля — времени, затрачиваемого на обнаружение, поиск причины и устранение последствий отказа. Поэтому основными показателями ремонтопригодности являются среднее время восстановления (математическое ожидание) и вероятность восстановления в заданное время.

Надежность автомобильных конструкций во многом определяют эффективность использования автомобилей, а такж е трудовые и материальные затраты на ТО и ремонт подвижного состава. Поэтому важнейшими комплексными показателями надежности автомобилей являются коэффициент технического использования, который на автотранспорте принято называть коэффициентом технической готовности, коэффициент сохранения эффективности и др.

Коэффициент технического использования является отношением математического ожидания времени пребывания автомобиля в работоспособном состоянии за некоторый период эксплуатации к сумме математических ожиданий времени пребывания в работоспособном состоянии и времени простоев в ТО и ремонте:

Коэффициент  технического  использования

где ΣADи — автомобиле-дни исправного состояния (технического использования) за определенный период работы автомобильного парка; ΣADт — автомобиле-дни простоя на ТО и ремонте за тот же период.

Средние суммарные стоимостные затраты на техническое обслуживание и ремонт складываются из математических ожиданий затрат на запасные части сз.ч, на материалы см, на оплату труда ремонтного персонала стр и на компенсацию простоев спр автомобилей, предусмотренных для выполнения заданного объема транспортной работы:

Средние  суммарные  стоимостные затраты

Для современных грузовых автомобилей соотношения между суммарными затратами и затратами на запасные части составляют с(L)=(2,5 . , . 3,5) сз.ч При этом общий уровень затрат достаточно высок. В нормативных документах рекомендуют, например, эксплуатировать автомобиль ЗИЛ-130 до списания при пробеге примерно 540 тыс. км при условии, что расход запасных частей не превышает 3 руб. на 1000 км за весь пробег с начала эксплуатации.

Средняя суммарная трудоемкость ТО и ремонта отечественных автомобилей в течение десятой пятилетки снижена на 20...30 % , но остается на достаточно высоком уровне.

Показатели надежности выявляют не только технико-экономическую, но и социальную необходимость управления надежностью автомобилей с целью снижения в стране количества рабочих, занятых неизбежным при ТО и ремонте немеханизированным трудом.