Основы работоспособности технических систем

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«тюменский государственный нефтегазовый университет»

ФИЛИАЛ «ТОБОЛЬСКИЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ»

Кафедра ХиХТ

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Основы работоспособности технических систем»

Вариант № 1

 

 

 

Выполнил:

студент гр. СТЭз-10 Гутров М.М.

 

 

 

 

 

 

 

Тобольск 2013г.

 

Оглавление

 

 

 

АННОТАЦИЯ

 

Курсовая работа предназначена для углубления и закрепления знаний студентов по основным разделам дисциплины.

Первая глава посвящена практическому использованию теории надежности техники. В соответствии с заданием на выполнение курсовой работы необходимо рассчитать:

- вероятность безотказной  работы агрегата или автомобиля; вероятность отказа агрегата  или автомобиля;

- плотность вероятности  отказа (закон распределения случайной величины);

- коэффициент полноты  восстановления ресурса; функцию  восстановления (ведущую функцию  потока отказов).

Выполняя этот раздел мною было:

- дано определение показателей  надежности;

- описание сферы возможного  практического применения этих  показателей для решения задач управления в технической службе УТТ (АТП);

- описано какие данные  необходимо собрать на предприятии  для того, чтобы рассчитать показатели надежности.

Вторая глава курсовой работы посвящено изучению теоретических основ технической диагностики и усвоению методов практического диагностирования. При выполнении этого раздела необходимо разработать структурно-следственную модель заданного варианта агрегата или системы, взяв при этом все возможные способы и средства диагностирования этого агрегата или системы, проведя их анализ с точки зрения полноты выявления неисправностей, трудоемкости, стоимости. Указать, какие последствия возможны, если пренебрегать диагностированием агрегатов, узлов и систем.

 

 

ЗАДАНИЕ НА ВЫПОЛНЕНИЕ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

 

Наработка до первого отказа (тыс.км.)

 

Наработка до второго отказа (тыс.км.)

 

 

 

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

 

F – (failure) – отказ, авария, повреждение, вероятность этих событий;

R – (reliability) – безотказность, надежность, прочность, вероятность этих событий;

P – (probability) – вероятность.

 

 

ВВЕДЕНИЕ

автомобиль пробег диагностика

Понятие надежности связано с целым комплексом признаков, свойств того или иного изделия, характеризующих его качества, т.е. определяет пригодность к эксплуатации и способность выполнять заданные функции. С течением времени некоторые свойства, составляющие качество изделия, например, для автомобилей динамичность, экономичность, комфортабельность и др., меняются, как правило, в нежелательную сторону. Спецификой надежности как свойства является то, что она характеризует и позволяет оценивать, насколько быстро происходит изменение качества изделия при его работе в определенных условиях эксплуатации. Положительной чертой теории надежности является синтез наук производства и эксплуатации изделий. Действительно, изучение свойств конструкций, влияющих на надежность, и сама ее оценка имеют, по крайней мере, двоякое значение.

Во-первых, зная показатели надежности (о них речь пойдет немного позже) и закономерности их формирования, представляется возможным для данной конструкции машины разрабатывать наиболее эффективные правила эксплуатации, обеспечивая реализацию потенциальных возможностей существующей конструкции.

Во-вторых, рассматривая влияние свойств конструкции данной или других машин на показатели надежности, можно устанавливать причинную связь между ними и разрабатывать конкретные конструктивные мероприятия, позволяющие управлять надежностью. Итак, надежность является сложным комплексным свойством, которое включает в себя безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость.

 

 

1. ОСНОВЫ ПРАКТИЧЕСКОГО  ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ

 

1.1 Надежность  и ее показатели

 

Надежность – это свойство любого изделия выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах.

Транспортные средства обладают рядом технических свойств оказывающих влияние на эффективность перевозок. Важнейшим из них является надежность. Поддержание ТМО в работоспособном состоянии при их эксплуатации требует значительных затрат на их техническое обслуживание и ремонт включая прогнозирование и диагностирование технического состояния. Основные затраты идут на поддержание его надежности. Надежность изделия закладывается при проектировании, обеспечивается в процессе изготовления, поддерживается и восстанавливается в процессе эксплуатации. В связи с этим на уровень надежности влияет множество факторов оказывающих влияние. С понятием надежности тесно связано понятие безотказности, особенно это относится к транспортным средствам как к объектам повышенной опасности.

Одним из путей повышения эксплуатационной надежности машин является использование технического диагностирования.

Техническая диагностика – это область знаний, охватывающая теорию, методы и средства определения технического состояния объектов диагностирования.

Техническое диагностирование – это процесс определения технического состояния объектов.

Задачами технического диагностирования являются контроль и прогнозирование технического состояния объекта, а также поиск мест и причины его отказа. Использование технического диагностирования позволяет:

- повысить техническую  готовность и надежность машин  в эксплуатации,

- снизить объем сборочно-разборочных  работ, а следовательно, трудоемкость и стоимость технического обслуживания;

Для практического расчета необходимо собрать данные о вероятности первого, второго и т.д. отказов и просуммировать их.

Параметр потока отказов – это плотность вероятности возникновения отказа восстанавливаемого изделия, определяемая для данного момента времени или пробега.

Безотказность – это свойство автомобиля сохранять работоспособность в течение определенного времени или пробега. Для оценки безотказности применяют следующие основные показатели: вероятность безотказной работы; средняя наработка до и между отказами; интенсивность отказов для невосстанавливаемых изделий; параметр потока отказов для восстанавливаемых изделий.

Применительно к автомобилю обычно рассматривают безотказность в течение смены (она особенно важна), в течение заданного пробега, диктуемого заданием на перевозки или между очередными видами ТО.

Оценка безотказности по интервалам пробега в течение всего срока работы автомобиля характеризует темп его старения.

Долговечность – свойство автомобиля сохранять работоспособность до наступления предельного состояния и при проведении установленных работ ТО и ремонта.

К основным показателям долговечности относятся: средний ресурс или срок службы; гамма-процентный ресурс (срок службы); вероятность достижения предельного состояния. При определенной надежности эти показатели обычно рассматриваются как для отдельных деталей, так и для агрегатов и автомобилей. Для деталей указанные показатели определяются при проведении их ремонта или реже – при списании деталей. Для агрегатов определяются ресурсы до ремонта и между ремонтами. Для автомобилей, кроме ресурсов до ремонта, определяются и нормируются, как правило, сроки службы до их списания.

Ремонтопригодность (эксплуатационная технологичность) – свойство автомобиля, заключающееся в его приспособленности к предупреждению, выявлению и устранению отказов и неисправностей при проведении ТО и ремонта. Основными показателями ремонтопригодности являются средние продолжительность и трудоемкость выполнения операций ТО и ремонта, которые применяются при нормировании и сравнении различных автомобилей. Определяются также вероятность выполнения операции (вида) ТО и ремонта в заданное время и гаммо-процентное время выполнения операции ТО или ремонта. Эти показатели необходимы для определения возможности проведения операции в заданное (или лимитированное) время. Для характеристики ремонтопригодности используется и ряд частных показателей, определяющих влияние конструктивных особенностей автомобиля на трудоемкость его обслуживания или ремонта. К ним относятся, например, абсолютное или относительное количество мест обслуживания на автомобиле (агрегате и т.д.) и их доступность, а также легкость снятия узлов, агрегатов и деталей, количество марок применяемых эксплуатационных материалов, номенклатура необходимого оборудования и инструмента и др.

Сохраняемость – свойство автомобиля сохранять исправное и работоспособное состояние в течение срока хранения и после, а также при транспортировании. Сохраняемость характеризуется средним и гамма-процентными сроками сохраняемости изделий. На автомобильном транспорте эти показатели применяются: для автомобилей – при длительном их хранении (консервации), транспортировании; для материалов (масел, жидкостей, красок) и некоторых видов изделий (шин, аккумуляторных батарей и др.) – при их кратковременном и длительном хранении.

 

1.2 Закономерности  случайных процессов изменения  технического состояния автомобилей

 

1.2.1 Точечные  оценки случайной величины

Для любого случайно выбранного изделия невозможно заранее определить, будет ли оно надежно. Из двух коробок передач одной марки в одной могут вскоре возникнуть отказы, а вторая будет исправна длительное время.

Отказ – событие случайное. Поэтому для расчета показателей надежности в данной работе я использую методы теории вероятностей и математической статистики. Одним из условных понятий, используемых при расчетах показателей надежности, является «наработка».

Наработкой называется продолжительность или объем работы изделия. Для двигателей наработку обычно измеряют в километрах пробега автомобиля или в часах (моточасах). В технической и учебной литературе можно встретить такие выражения: суточная наработка, наработка до первого отказа, наработка между отказами и т.д. обычно применяется следующая буквенная индексация рассматриваемых далее в курсовой работе событий и понятий:

F - отказ, авария, повреждение, вероятность этих событий;

R - безотказность, надежность, прочность, вероятность этих событий;

Р - вероятность.

Случайная величина – это такая величина, на изменение которой оказывает влияние большое количество факторов, вследствие чего невозможно предсказать ее точное поведение.

Основными характеристиками для оценки СВ являются: среднее значение СВ, среднеквадратическое отклонение, коэффициент вариации СВ, вероятность появления СВ, плотность вероятности появления и интенсивность возникновения СВ.

Рассмотрим простейшие методы оценки СВ. Исходные данные (приложение 1) - результаты наблюдений за изделиями или отчетные данные, которые выявили индивидуальные реализации случайных величин (наработки на отказ). Для расчета вероятности отказа и безотказной работы агрегата или автомобиля, а также для определения плотности вероятности отказа (закон распределения случайной величины) условно принимаем изделия как невосстанавливаемые, то есть, исследуем наработку изделия до первого «условно единственного» отказа.

Случайные величины (от 1 до 100) располагают в порядке возрастания их абсолютных значений (тыс. км.):

 

L1 = Lmin; L2; L3;…;Li;…Ln-1; Ln = Lmax, (1.1)

 

где L1... Ln - реализации случайной величины L;

n - число реализаций.

Среднее значение СВ:

 

  (1.2)

 

=10,03 тыс.км

Размах СВ:

 

z = Lmax - Lmin.  (1.3)

 

Z=10,8 – 9,5=1,3 тыс.км

Далее произведем точечные оценки СВ.

Дисперсия СВ – мера отклонения значения СВ от ее математического ожидания, а математическое ожидание – основная и простейшая характеристика СВ. Слово «дисперсия» означает рассеяние и характеризует разброс СВ.

 

  (1.4)

 

D=0,1 тыс.км

Дисперсия имеет размерность квадрата случайной величины. Так как удобнее пользоваться характеристикой рассеяния, имеющей ту же размерность, что и СВ, то была введена характеристика среднеквадратическое отклонение s :

 

  (1.5)

 

тыс.км

Для оценки рассеяния с помощью безразмерной (относительной) величины используют коэффициент вариации v:

 

   (1.6)

 

В ТЭА различают случайные величины с малой вариацией (v ≤ 0), со средней вариацией (0,1 ≤ v ≤ 0,33) и с большой вариацией (v > 0,33).

В данном случае случайная величина имеет малую вариацию.

Точечные оценки позволяют нам предварительно судить о качестве изделий и технологических процессов. Чем ниже средний ресурс и выше вариация (<r, v, z), тем ниже качество конструкции и изготовления (или ремонта) изделия. Чем выше коэффициент вариации показателей технологических процессов ТЭА (трудоемкость, простои в ТО или ремонте, загрузка постов и исполнителей и др.), тем менее совершенны применяемые организация и технология ТО и ремонта.

 

1.2.2 Вероятностные  оценки СВ

Число СВ, попавших в первый (п1), второй (n2) и остальные интервалы называется частотой. Разделив каждую частоту на общее число СВ, получаем частность. По данным табл. 1.1. строим графическое изображение гистограммы и полигонов распределения (рис. 1.1.). оно будет являться наглядным представлением о величине частости.

Частость является эмпирической оценкой вероятности Р, т.е. При увеличении числа наблюдений частость приближается к вероятности Wi→ pi.

Также важнейшей характеристикой СВ служит вероятность – численная мера степени объективно существующей возможности появления изучаемого события.

 

Рис.1.1.

 

Вероятность безотказной работы R(L) определяется отношением числа случаев безотказной работы изделия за наработку L к общему числу случаев.

 

wi = пi / п.   (1.7)

 

w1 = 16 / 100=0,16w2 = 23 / 100=0,23

w3 = 26 / 100=0,26w4 = 23 / 100=0,23

w5 = 9 / 100=0,09w6 = 2 / 100=0,02

w7 = 1 / 100=0,01

Вероятность отказа F(L) является событием, противоположным вероятности безотказной работы, поэтому

 

F(L) = P{Li<L} =m(L)/n,  (1.8)

 

где m(L) – число отказов за L;

n – число наблюдений (изделий).

F1(L) =16/100=0,16F5(L) =97/100=0,97

F2(L) =39/100=0,39F6(L) =99/100=0,99

F3(L) =65/100=0,65F7(L) =100/100=1

F4(L) =88/100=0,88

Отказ и безотказность являются противоположными событиями, поэтому:

 

R(L) = P{Li ≥ L} = n-m(L)/n.  (1.9)

 

где n-m(L) -число изделий, не отказавших за L.

R1(L) =84 /100=0,84R5(L) = 3/100=0,03

R2(L) =61/100=0,61R6(L) =1/100=0,01

R3(L) =35/100=0,35R7(L) =0/100=0

R4(L) =12/100=0,12

Наглядное представление о СВ дает их графическое изображение интегральных функции распределения вероятностей отказа и безотказной работы

 

Рис.1.2.

 

Следующей характеристикой СВ является плотность вероятности отказа f(L) - функция, характеризующая вероятность отказа за малую единицу времени при работе узла, агрегата, детали без замены. Если вероятность отказа за наработку F(L) = т(L)/п, то, дифференцируя ее при п = const, получим плотность вероятности отказа:

 

  (1.9)

 

где dm/dL - элементарная "скорость", с которой в любой момент времени происходит приращение числа отказов при работе детали, агрегата без замены.

f1(L)= 0,16/9,6=0,017f5(L)= 0,09/10,4=0,009

f2(L)= 0,23/9,8=0,023f6(L)= 0,02/10,6=0,002

f3(L)= 0,26/10=0,026f7(L)= 0,01/10,75=0,001

f4(L)= 0,23/10,2=0,023

Наглядное представление о вариации СВ дает графическое изображение дифференциальной функции или закона распределения СВ.

 

Рис. 1.3.

 

Таблица 1.1 Вероятностная оценка случайных величин

Определяемая величина	Обозначения и формулы расчета	Номера интервалов наработки до первого отказа							Всего
		1	2	3	4	5	6	7
Границы интервала наработки (первый отказ), тыс. км.	∆L	9,5- 9,7	9,7- 9,9	9,9- 10,1	10,1- 10,3	10,3- 10,5	10,5- 10,7	10,7- 10,8	-
Значение середины интервала, тыс. км.	Li	9,6	9,8	10,0	10,2	10,4	10,6	10,75	-
Число отказов в интервале	ni	16	23	26	23	9	2	1	100
Число отказов к моменту наработки Li	m(L)	16	39	65	88	97	99	100	-
Число работоспособных объектов к моменту наработки xi	n - m(L)	84	61	35	12	3	1	0	-
Частость (вероятность)	wi = ni / n	0,16	0,23	0,26	0,23	0,09	0,02	0,01
Оценка накопленных вероятностей отказа	F1(L) = m(L)/n	0,16	0,39	0,65	0,88	0,97	0,99	1	-
Оценка накопленных вероятностей безотказности	R1(L) = n-m(L)/n	0,84	0,61	0,35	0,12	0,03	0,01	0	-
Плотность вероятности отказа	f1(L)= ni /∆L/ n	0,017	0,023	0,026	0,023	0,009	0,002	0,001	-
Плотность вероятности возникновения отказа	l(L)=f1(L)/R1(L)	0,02	0,04	0,07	0,19	0,3	0,2	-	-

 

Знание законов распределения СВ позволяет более точно планировать моменты и трудоемкость работ ТО и ремонта, определять необходимое количество запасных частей и решать другие технологические и организационные вопросы.

Важной характеристикой СВ является интенсивность отказов условная плотность вероятности возникновения отказа восстанавливаемого изделия (т.е. такого, которое после отказа не используется), определяемая для данного момента времени, при условии, что отказа до этого момента не было. Наглядное представление о величине изменения интенсивности отказов реализуется в виде графика

 

Рис. 1.4.

 

Аналитически для получения l(L) необходимо элементарную вероятность dm/dL отнести к числу элементов, не отказавших к моменту L, т.е.

 

   (1.10)

 

l1(L)=0,017/0,84=0,02l5(L)=0,009/0,03=0,3

l2(L)=0,023/0,61=0,04l6(L)=0,002/0,01=0,2

l3(L)=0,026/0,35=0,07

l4(L)=0,023/0,12=0,19

 

1.3 Процесс восстановления

 

1.3.1 Формирование  процесса восстановления

Ранее в курсовой работе были рассмотрены закономерности изменения параметров технического состояния автомобилей по наработке (времени или пробегу) и вариация параметров технического состояния. Эти закономерности достаточно точно характеризуют надежность автомобилей и их элементов, т.е. позволяют оценить среднюю наработку на отказ, вероятность отказа автомобиля при определенной наработке, ресурс агрегатов и др. Для рациональной организации производства необходимо, кроме того, знать, сколько автомобилей с отказами данного вида будет поступать в зону ремонта в течение часа, смены, недели, месяца, будет ли их количество постоянным или переменным и от каких факторов оно зависит, т.е. необходимо иметь информацию о надежности не только конкретного автомобиля, но и группы автомобилей, например автомобилей данной модели, колонны, АТП. При отсутствии этих сведений нельзя рационально организовать производство, т.е. определить необходимое число рабочих, размеры производственных площадей, технологическое оборудование, расход запасных частей и материалов. Взаимосвязи между показателями надежности автомобилей и суммарным потоком отказов для автомобиля и группы автомобилей изучают с помощью закономерностей ТЭА, которые характеризуют процесс восстановления - возникновения и устранения потока отказов и неисправностей изделий по наработке.

Далее рассмотрим работу восстанавливаемого изделия. Для этого будем использовать как наработку до первого отказа, так наработку и до второго отказа. Будем ограничиваться двумя отказами ста исследуемых изделий. Ранее был полностью рассмотрен первый отказ, аналогично проводим исследования по второму отказу, для чего строим таблицу и вносим в нее все необходимые данные. По результатам расчетов строим схему формирования процесса восстановления используя данные обеих таблиц.

 

Рис. 1.5.

 

Таблица 2 Вероятностная оценка случайных величин

Определяемая величина			Номера интервалов наработки до второго отказа
		1	2	3	4	5	6	7	Всего
Границы интервала наработки	∆L	18,5- 19,0	19,0- 19,5	19,5- 20,0	20,0- 20,5	20,5- 21,0	21,0- 21,5	21,5- 21,7	-
Значение середины интервала	Li	18,75	19,25	19,75	20,25	20,75	21,25	21,6	-
Число отказов в интервале	ni	9	9	25	34	14	7	2	100
Число отказов к наработке Li	m(L)	9	18	43	77	91	98	100	-
Число работоспособных объектов к моменту наработки xi	n - m(L)	91	82	57	23	9	2	0
Частость (вероятность)	wi	0,09	0,09	0,25	0,34	0,14	0,07	0,02
Оценка вероятности отказа	F2(L)	0,09	0,18	0,43	0,77	0,91	0,98	1	-
Оценка накопленных вероятностей безотказности	R2	0,91	0,82	0,57	0,23	0,09	0,02	0
Плотность вероятности отказа	f2(L)	0,0048	0,0047	0,0126	0,0168	0,0067	0,0033	0,0009	-

 

 

1.3.2 Закономерности  изменения потока отказов

Закономерности изменения потока отказов описывают изменение по наработке показателей, характеризующих процесс возникновения и устранения отказов автомобилей.

Очевидно, что наработки на отказы, во-первых, случайны для каждого автомобиля и описываются соответствующей функцией f(L), во-вторых, эти наработки независимы для разных автомобилей, в третьих, при устранении отказа в зоне ремонта безразлично, какой автомобиль отказал или какой отказ по счету.

К важнейшим характеристикам этих закономерностей относятся средняя наработка до k-го отказа Lk, средняя наработка между отказами для n изделий Lk,k+1, коэффициент полноты восстановления ресурса h, ведущая функция потока отказов W(L) и параметр потока отказов w(L).

Средняя наработка до k-го отказа:

 

  (1.11)

 

 

 

 

По формуле 11 считаем

 тыс. км

гдеL1 -средняя наработка до первого отказа;

L12 -средняя наработка между первым и вторым отказом

Используя значения данного примера расчета, определяем среднюю наработку до k-го отказа:

 

  (1.12)

 

Коэффициент полноты восстановления ресурса характеризует возможность сокращении ресурса после ремонта:

 

  (1.13)

 

Сокращение ресурса после первого и последующего ремонтов, которое необходимо учитывать при планировании и организации работ по обеспечению работоспособности объясняется: частичной заменой только отказавших деталей, при значительном сокращении надежности других, особенно сопряженных; использованием в ряде случаев запасных частей и материалов худшего качества, чем при изготовлении автомобиля; низким технологическим уровнем работ.

Ведущая функция потока отказов (функция восстановления) определяет накопленное количество первых и последующих отказов изделия к наработке L. В данной работе определяем данную функцию по трем любым наработкам. Смешение отказов не происходит и функции вероятностей 1-го и 2-го отказов F1(L) и F2(L)не накладываются друг на друга.

В общем виде ведущая функция потока отказов:

 

  (14)

 

Процесс формирования ведущей функции восстановления представлен на рис.1.6.

 

Рис. 1.6.

 

Иными словами (L) – это относительное число отказов, приходящееся на единицу времени или пробега одного изделия. Причем при характеристике надежности изделия число отказов обычно относят к пробегу, а при характеристике потока отказов, поступающих для их устранения, ко времени работы соответствующих производственных подразделений. Следует отметить, что ведущая функция и параметр потока отказов определяется аналитически как функции параметров этих законов лишь для некоторых видов законов распределения. Наиболее часто встречаются нормальный, логарифмически нормальный, Вейбулла-Гнеденко и экспоненциальный. Для нормального закона: