11. НАДЕЖНОСТЬ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ И ПНЕВМАТИЧЕСКИХ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И УСТРОЙСТВ

В гидроприводе, кроме внезапных отказов в работе, имеют место отказы из-за старения и износа элементов. При длительной эксплуатации гидропривода наступает период изнашивания и старения, когда интенсивность отказов возрастает. В этот период выходят из строя

уплотнения, подшипники, увеличиваются утечки, уменьшается чувствительность привода и т. д. При отклонении какого-либо параметра от установленных пределов наступает отказ.

Для того, чтобы определить ожидаемую надежность, необходимо знать закон распределения отказов во времени в период износа и старения. При обработке статистических данных по результатам испытаний находят момент возрастания отказов и считают в первом приближении отказы, имеющие место до этого момента, внезапными. Длительная работа гидропривода приводит, как уже отмечалось, к потере чувствительности. Кроме этого, при длительной работе меняются скорость нарастания температуры масла, жесткость характеристики (скольжение), диапазоны регулирования и утечки.

Опыт показывает, что наиболее критичными из перечисленных выше параметров являются чувствительность и объемный к. п. д.

Некоторые конструкции гидроприводов имеют между гидромотором и насосом трубопроводы, которые вводят постоянное запаздывание в динамический режим работы.

Передаточная функция гидропривода в этом случае имеет вид

где — постоянное запаздывание из-за наличия трубопроводов и неточности изготовления.

В результате старения и износа элементов запаздывание увеличивается и передаточная функция в этом случае имеет вид

где — функция распределения случайной величины;

— изменение величины запаздывания в результате старения и изнашивания.

Для уменьшения величины запаздывания уменьшают длину маслопроводов, применяют нераздельное исполнение насоса и гидромотора. Кроме этого, золотник получает дополнительные вибрации, что также позволяет уменьшить влияние постоянного запаздывания. Однако запаздывание в гидроприводе все же остается и при длительной работе продолжает расти из-за старения и износа. Увеличение запаздывания может привести к отказу в работе, так как оно связано с уменьшением запаса устойчивости привода, если он применен в замкнутой системе регулирования, и потери точности работы.

В связи с этим важно определить момент времени, когда изменение запаздывания в приводе станет таким, что потребуется регулировка привода (изменение амплитуды колебания золотника), в противном случае может наступить постепенный отказ. Для определения этого момента времени необходимо знать функцию распределения случайной величины.

Из практики известно, что отказы, связанные с постепенным изменением параметров в процессе старения и износа, распределены примерно по нормальному закону.

Вероятность отказа гидропривода из-за постепенного изменения параметров за время

где — среднее время безотказной работы гидропривода;

— среднеквадратическое отклонение времени безотказной работы от его среднего значения:

При нормальном законе распределения вероятность безотказной работы можно определить по формуле [14]

Испытания на надежность. Перед проведением испытаний гидропневмоприводов на надежность составляется программа испытаний, в которой указывается их цель, количество образцов, место и сроки проведения испытаний. Обоснование объема испытаний рассмотрим на следующем примере.

Пример VIII. 1. Пусть при где — минимально допустимая вероятность безотказной работы, а — принимаемая вероятность безотказной работы.

Тогда точность оценки

где — максимальная вероятность отказа;

— минимальная вероятность отказа.

Риск поставщика и заказчика принимаем одинаковым:

Тогда ожидаемое среднее количество периодов работы привода при последовательном методе оценки результатов испытаний определяется по формуле

При установке на испытание гидропривод пломбируется и в течение всего времени испытаний не разрешается подрегулировать и заменять детали и элементы, кроме деталей и элементов, замена и регулировка которых предусмотрена технической эксплутационной документацией.

Испытания привода согласно нормам проводятся при повышенной влажности, пониженной и повышенной температуре, а также в нормальных условиях. Каждый вид испытаний проводится в два этапа: при и рраб При проведении испытаний контролируется время каждого этапа и параметры.

Отказы стендового оборудования не учитываются. Отказом работы привода считается выход его из строя вследствие разрушения деталей или нарушения нормального функционирования.

При проведении испытаний ведется учет времени работы образцов элементов. Среднее время работы определяется по формуле

где — время работы одного образца; — число образцов.

Гидропривод обычно является элементом длительного использования, который после появления отказа восстанавливается и эксплуатируется до выработки ресурса. Время, потраченное на обнаружение и устранение отказов, является величиной случайной и зависит от многих факторов.

Восстанавливаемость характеризуется средним временем восстановления

где — время на обнаружение и устранение одного отказа;

— количество отказов.

Для восстанавливаемых изделий надежность определяют по формуле

где — вероятность безотказной работы; — коэффициент готовности:

где — время наработки на один отказ;

— среднее время восстановления.

Рис. VIII.23. Расчетные схемы: а — при дублировании; б — при троировании

Повышение надежности резервированием. Резервирование является одним из эффективных методов повышения надежности; различают постоянное резервирование и резервирование замещением. Под постоянным резервированием понимают такое состояние элемента, когда он

включает и постоянно готов выполнить свое назначение. Под резервированием замещением понимают такое состояние элемента, когда он при исправном состоянии основного элемента выключен и включается в случае выхода основного из строя.

На рис. VIII.23, а показана схема двукратного, а на рис. VIII.23, б трехкратного резервирования. Резервирование позволяет создать системы, надежность которых будет превосходить надежность входящих в них элементов. Однако резервирование связано с усложнением схемы привода, увеличением его массы и стоимости. В связи с этим целесообразность увеличения надежности путем резервирования следует рассматривать с учетом всех особенностей эксплуатации привода.

Надежность гидропривода с постоянно работающими и резервными элементами определяют по формуле

где — вероятность безотказной работы;

— вероятность отказа элемента.

Вероятность безотказной работы схемы, приведенной на рис. VIII. 23, а

где — вероятность безотказной работы первого и второго элементов.

Вероятность безотказной работы схемы, приведенной на рис. VIII. 23, б,

где Р — вероятность безотказной работы одного элемента.

На рис. показаны характеристики нерезервированной системы и системы при трехкратном резервировании. При этом учтены только внезапные отказы. Для десятичасового периода работы вероятность отказной работы нерезервированной системы

Для нерезервированной системы закон вероятности безотказной работы экспоненциальный, а для резервированной — неэкспоненциальный. Из рис. VIII.24 видно, что резервирование существенно позволяет повысить надежность изделий с небольшим временем работы. При длительных сроках работы изделий существенного увеличения вероятности безотказной

Рис. VIII.24. Вероятность безотказной работы троированной схемы: при кривая кривая

работы не наблюдается. Среднее безотказное время работы нерезервированной системы а для резервированной

На практике, кроме схем резервирования с последовательными и параллельными элементами, встречаются схемы, в которых не может быть осуществлено такое соединение. Для оценки надежности схемы (рис. VIII.25, а) может быть применена формула Байеса

где — вероятность отказа системы;

— вероятность отказа системы, когда элемент С исправен;

— вероятность отказа системы, когда элемент С неисправен;

— вероятность отказа элемента С;

— вероятность безотказной работы элемента С.

Тогда надежность системы

Вероятность безотказной работы системы (рис. VIII.25, б)

Однако схема, показанная на рис. VIII.25, б, не эквивалентна схеме рис. VIII.25, а. Определим надежность сложной схемы, показанной на рис. VIII.25, а, используя равенство (VIII. 108),

Если элемент С неисправен, то система может отказать только при условии одновременного отказа элементов Л и В.

Рис. VIII.25. Схема резервирования

Так как элементы А и В соединены параллельно, то надежность системы в случае, когда элемент С исправен

Если элемент С неисправен, то система может отказать при условии одновременного отказа обоих параллельных каналов и Надежность системы в случае, когда элемент С неисправен,

где — ненадежность канала, в котором элементы А и А соединены последовательно;

— надежность второго канала, в котором В и В соединены последовательно,

Так как два канала параллельны, произведение их ненадежности дает ненадежность параллельного соединения.

Ненадежность всей системы

Вероятность безотказной работы

Сопоставляя эти равенства, можно сделать вывод: схема, показанная на рис. VIII.25, а, не может быть заменена схемой, приведенной на рис. VIII.25, б. В сложных системах иногда целесообразно использовать один или несколько резервных элементов привода, которые включаются взамен любых основных, если основные элементы одинаковы. Такой способ резервирования называется скользящим (рис. VII 1.26).

Скользящий резерв для гидропривода является наиболее выгодным, так как требует незначительного увеличения массы малой стоимости и небольших габаритных размеров оборудования.

Если два элемента привода резервируются одним, то вероятность безотказной работы в этом случае

где — вероятность безотказной работы системы;

Р — вероятность безотказной работы отдельного элемента;

— интенсивность отказов элемента.

Электрогидравлический привод в процессе эксплуатации может подвергаться значительным динамическим воздействиям (вибрациям, ударам и т. п.), вызывающим механические напряжения в отдельных элементах привода и приводящим к выходу его из строя. Поэтому указанные динамические воздействия можно рассматривать как факторы, понижающие надежность привода. Для защиты привода от

Рис. VIII.26. Принципиальная схема гидропривода объемного регулирования (1 — насос; 2 — насос подпитки; 3 — гидромотор)

Рис. VIII.27. Зависимости значений к от виброускорения и перегрузок

вибраций и ударных перегрузок применяются специальные упругие элементы — амортизаторы, устанавливаемые между изолируемым приводом и вибрирующей опорой [14].

Влияние механических воздействий характеризуется экспериментальной зависимостью частоты отказов привода от величины действующего вибрационного ускорения (рис. VIII.27). Эта зависимость представляет собой семейство характеристик при разных частотах ударов в минуту.

ЛИТЕРАТУРА

(см. скан)