Критерии оценки предельного состояния по выходному параметру

Предельное состояние характеризует выход изделия из области работоспособности. Это относится как к машине в це­лом, так и к ее узлам, деталям и элементам. Требования к изделию с точки зрения точности функциониро­вания, обеспечения технических характеристик, безопасности эксплуатации, влияния на окружающую среду, эффективности работы и др. оговариваются, как правило, в технических условиях. При достижении предельного состояния дальнейшая эксплуата­ция изделия должна быть прекращена (ГОСТ 13377—75), так как возникает потребность в ремонте или техническом обслуживании.

Во всех рассмотренных выше моделях отказов считалось, что предельно допустимое значение параметра Х_mах известно. Однако установление нормативов и расчет Х_mах является сложной зада­чей, требующей специального методического подхода. Основная трудность при этом заключается в том, что, как правило, конструк­тором назначаются допустимые пределы изменения выходных па­раметров только для машины в целом (мощность, точность, производительность и др.) или ее агрегатов, представляющих само­стоятельные конструктивные узлы.

Однако для оценки надежности сложного изделия и для обеспе­чения требуемых нормативно-технических показателей необхо­димо установить предельно допустимые значения всех тех параме­тров элементов и деталей, от которых зависит работоспособность изделия в целом.

Следует иметь в виду, что предельно допустимое состояние мо­жет быть установлено как для степени повреждения изделия (U_mах), так и для выходного параметра (X_max). Хотя X и U связаны функ­циональной зависимостью, оценка предельного значения для каждого из этих показателей имеет свой смысл.

Установление Х_mах является основным, так как именно изме­нение выходного параметра определяет область работоспособно­сти изделия. Выходной параметр изделия легче контролировать, и проверка условия работоспособности X < Х_mах не предста­вляет обычно принципиальных трудностей при эксплуатации изделия. Поскольку изменение выходных параметров изделия является следствием повреждений отдельных элементов, для вос­становления работоспособности изделия надо решать вопрос, до­пустима ли степень повреждения отдельных элементов и какие из них требуют ремонта или замены. Поэтому наряду с назначением Х_mах необходимо установить U_max для повреждений, которые уча­ствуют в формировании выходного параметра.

При этом могут быть три основных случая взаимосвязи Х_mах и U_mах: выходной параметр определяет (в основном) один из видов по­вреждения

; (4)

выходной параметр определяется суммарным повреждением элементов с учетом их влияния через некоторое передаточное от­ношение k

; (5)

выходной параметр связан сложной функциональной зависи­мостью с предельными повреждениями элементов

; (6)

Таким образом, предельные состояния по степени поврежде­ния U_mах должны назначаться, исходя из допустимых отклоне­ний выходного параметра Х_mах, и учитывать зависимость между X и показателями степени повреждения элементов изделия.

Основным критерием предельного состояния изделия является то экстремальное значение параметра, которое допуска­ется техническими условиями. Однако сам ход процесса измене­ния выходных параметров и наличие зон их резкого возрастания также служит критерием для установления максимально допусти­мых значений Х_mах. Возможны три основных группы критериев.

1. В результате износа или других повреждений происходит скачкообразное изменение состояния изделия и оно перестает функционировать. Например, потеря герметичности резервуара при коррозии, заклинивание механизма при его износе, поломка детали из-за хрупкого разрушения и т. п. Здесь, как правило, трудно судить по выходному параметру о близости к предельному состоянию и более целесообразно регла­ментировать максимально допустимую степень повреждения U_max.

2. В результате процесса повреждения имеется зона интен­сивного возрастания выходных параметров изделия — рост виб­раций, температуры, шума. Здесь, даже если эти параметры еще находятся в допустимых пределах, необходимо установить зна­чение Х_mах, соответствующее началу интенсификации процесса потери работоспособности.

3. Основной случай назначения Х_maх — когда процесс по­вреждения не имеет экстремальных зон и выходные параметры определяются установленными на изделие техническими усло­виями.

3 Регламентация предельных состояний в нормативно-тех­нической документации

Качество любого изделия характери­зуется количественными показателями его свойств, которые и являются выходными параметрами. Стремление к созданию все более качественных изделий приводит к ужесточению требований к его выходным параметрам и к росту их числа. При установле­нии номенклатуры регламентируемых параметров должны учи­тываться следующие факторы.

Эффективность работы машины определяется ее назначением. Прогресс техники связан с ростом скоростей, нагрузок, темпера­тур, точности, производительности и других эксплуатационных показателей машин. Они определяют уровень развития машины, ее конкурентоспособность и составляют основное содержание ТУ, в которых должны быть указаны предельные значения выходных параметров.

Опасность дальнейшей эксплуатации машины может ограничить значение отдельных параметров, хотя эффективность ее работы может быть при этом достаточно высокой. Например ТУ могут устанавливать предельные значения на температуру масла в дви­гателе, на засоренность топлива, на деформацию конструкции и т. п., если это связано с опасностью нарушения нормальной эксплу­атации и тяжелыми последствиями отказа.

Вредное влияние на окружающую среду. Ряд ограничений на выходные параметры машины может быть совершенно не связан с ее эффективностью, однако эти показатели оказывают недопу­стимое влияние на окружающую среду. Так, устанавливаются ограничения на шум машины, состав выхлопных газов автомобиль­ного двигателя, уровень радиации, вибрации, температуры и дру­гие показатели. Выход любого из них за установленные пределы будет являться также отказом, хотя сама машина при этом может прекрасно функционировать.

Аналогичная картина будет иметь место при оценке влияния работы отдельных агрегатов и механизмов машины на другие ее элементы. Тепловыделения, вибрации, деформации и другие изме­нения в работающем узле могут не влиять на его функциониро­вание, но оказывать существенное воздействие на работоспособ­ность других узлов и машины в целом. Данные показатели также ограничиваются предельно допустимыми значениями.

Трудоемкость восстановления. Изменение выходного параметра в допустимых по условиям эксплуатации пределах может иногда привести к такой степени повреждения изделия, при которой вос­становление утраченной работоспособности будет связано с повы­шенной трудоемкостью. Например, на работоспособность цилиндро­поршневой группы двигателя внутреннего сгорания влияет радиальный зазор между цилиндром и поршневым кольцом.

Однако износ зеркала цилиндра приведет к необходимости проводить тру­доемкий ремонт, в то время, как при износе кольца осуществляется его замена. Поэтому допуск на предельное состояние — макси­мально допустимый износ кольца — должен назначаться с учетом минимального износа цилиндра.

Технические условия на выходные параметры различных ма­шин и агрегатов служат основой для назначения допусков на пре­дельные состояния для узлов и деталей, входящих в изделие.

При назначении технических условий на предельные состояния выходных параметров изделия выбираются лишь те, изменение которых возможно в процессе эксплуатации. Если опыт эксплуата­ции или расчет свидетельствуют, что данный выходной параметр не претерпевает изменений или эти изменения не регламентиро­ваны требованиями к работоспособности изделия, то ТУ не уста­навливают и его предельных значений. Следует отметить, что слож­ность процессов функционирования и потери изделием работоспо­собности часто приводят к необоснованным назначениям ТУ на предельные состояния или к их отсутствию для ряда характери­стик. Кроме того, численные значения допусков на выходные па­раметры часто устанавливаются для новых изделий и не огова­риваются допустимые пределы их изменения. Поэтому весьма актуальной является задача по обоснованию и установлению запа­сов надежности по выходным параметрам изделия. При этом для современных машин часто целесообразно устанавливать норма­тивы не только на предельные состояния по выходным параметрам, но и по степени повреждения отдельных элементов машины, опре­деляющих изменение ее характеристик. Так лимитируются пре­дельные состояния по износу (гл. 7, п. 3), по степени деформации, по величине возникающих трещин и другим повреждениям. На­пример, существуют нормативы на предельные состояния агрега­тов и узлов сельскохозяйственной техники, где указываются кри­терии и величины наибольших повреждений, при достижении которых узел и машина требуют капитального ремонта.