Надежность технологических процессов

Согласно ГОСТу 27.002—89 н а д е ж н о с т ь — это свойство объекта, в том числе технологического процесса, сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования.

Применительно к технологическим процессам можно определить надежность как свойство обеспечивать в течение заданного промежутка времени изготовление продукции в соответствии с проектными количественными и качественными показателями^[2], т. е. поддерживать предусмотренный нормативными документами у р о в е н ь к а ч е с т в а.

Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость или определенные сочетания этих свойств.

Б е з о т к а з н о с т ь — это свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки.

Д о л г о в е ч н о с т ь— это свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

Р е м о н т о п р и г о д н о с т ь— это свойство объекта, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонта.

С о х р а н я е м о с т ь— свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способности объекта выполнять требуемые функции, в течение и после хранения и (или) транспортирования.

Для оценки надежности используются количественные показатели, которые имеют вероятностный характер. Так как надежность является комплексным свойством, то применяются количественные характеристики одного или нескольких свойств, составляющих надежность объекта.

В качестве показателя безотказности используется, например, вероятность безотказной работы, т. е. того, что в пределах заданной наработки отказ объекта не возникнет. Под н а р а б о т к о й понимается продолжительность или объем работы объекта, а о т к а з — это событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта.

Вероятность безотказной работы определяется по формуле в соответствии с показательным распределением

  P(t) = e^–t, (1.1)

где t — продолжительность работы (наработка);  — интенсивность отказов.

Величина  обратно пропорциональна средней наработке до отказа Т₀ , т. е. наработке (во временном выражении) объекта от начала эксплуатации до возникновения первого отказа:

 = 1/ Т₀. (1.2)

Интенсивность отказов изменяется во времени согласно рис. 1.1^[3] и включает три периода: период приработки (обкатки), период нормальной эксплуатации и период износа. Средний период устойчивый, первый и третий — неустойчивые.



t

0

1

2

3

Рис. 1.1. Распределение интенсивности отказов в процессе эксплуатации: 1 — период приработки; 2 — период стабильной эксплуатации; 3 — период износа

Из формулы (1.1) видно, что в начале работы объекта после завершения приработки при t = 0 вероятность безотказной работы P(0) = 1, по мере увеличения наработки вероятность безотказной работы уменьшается и стремится к 0, что иллюстрирует график на рис. 1.2.

Если технологический процесс состоит из нескольких последовательно выполняемых операций (например, поточная линия), то вероятность его безотказного функционирования определяется как произведение:

P  P1  P2  P3 ... e–1t e–2t e–3t ... e– (1  2  3  ...) t.    (1.3)

t

0

P

(

t

)

1

,

0

0

,

8

,

0

6

0

,

4

0

,

2

P

(

t

=

)

e

–



t

Рис. 1.2. Зависимость вероятности безотказной работы от времени

При параллельном выполнении некоторых операций надежность технологического процесса повышается. Например, вероятность безотказного функционирования части процесса из двух параллельно выполняемых операций А, В по теории вероятностей равна:

РАВ = РА + РВ – РА РВ,

или, с использованием формулы (1.1).

^P_AB  e–_At  e–_Bt – e– (_A  _B) t .

Повышение надежности систем с параллельным соединением элементов отражает сущность структурного резервирования, что будет рассмотрено ниже.

Долговечность оценивают, например, средним ресурсом (математическим ожиданием ресурса) или средним сроком службы объекта. Р е с у р с — это суммарная наработка объекта от начала его эксплуатации или ее возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние.

Ремонтопригодность оценивают, например, в е р оя т н о с т ь ю в о с с т а н о в л е н и я, при кооторой время восстановления работоспособного состояния объекта не превышает заданное значение.

Для оценки сохраняемости используют, например, средний срок сохраняемости (математическое ожидание срока сохраняемости).

Если рассматривать технологический процесс как т е х н о л о г и ч е с к у ю с и с т е м у (ТС), то элементами первого уровня являются технологические операции. Элементы второго и последующего уровней — это составные части технологических операций, которые могут быть разделены по времени (переход, рабочий ход и другие, перечисленные выше операции), по материальному оснащению (станок, заготовка, инструмент, смазка, электроэнергия, приборы контроля и т. п.), а также по участию человека в выполнении данной операции (ручной труд, механизированный или автоматизированный). Каждый из этих элементов обладает определенной качественной характеристикой (совокупностью показателей качества), из которых складывается качество всего технологического процесса.

Оценку надежности технологических систем (ТС) можно проводить по параметрам качества изготовляемой продукции ( ГОСТ 27.202—83).

О ц е н к а н а д е ж н о с т и ТС по параметрам качества изготовляемой продукции содержит:

— выбор номенклатуры показателей надежности;

— определение фактических значений показателей;

— сравнение фактических значений с требуемыми или базовыми значениями.

В зависимости от цели и задач оценки надежности ТС по параметрам качества изготовляемой продукции используют следующие основные исходные данные:

— требуемые или базовые значения показателей надежности ТС; — структуру и состав ТС;

— вид продукции, продолжительность процесса ее изготовления; — объем производства;

— характеристики технического уровня и надежности технологического оборудования и оснастки;

— параметры точности заготовок;

— данные о нарушениях технологической дисциплины;

— предельные значения параметров изготовляемой продукции;

— точностные характеристики используемых методов и средств контроля;

— результаты предшествующих оценок;

— статистические данные, полученные в процессе внедрения и эксплуатации ТС;

— данные отдела технического контроля и других служб предприятия о качестве продукции.

При выборе методов оценки надежности ТС по параметрам качества изготовляемой продукции необходимо различать четыре вида (уровня рассмотрения) ТС:

1) технологическая операция;

2) технологический процесс;

3) ТС, действующие в пределах отдельного производственного подразделения (цех, участок и др.); 4) ТС предприятия.

В зависимости от вида ТС все показатели надежности по параметрам качества изготовляемой продукции подразделяют на четыре группы:

1) точность (технологического процесса и средств технологического оснащения);

2) технологическая дисциплина;

 выполнение заданий по качеству (по параметрам качества продукции);

4) комплексные показатели.

Для оценки показателей надежности по параметрам качества изготовляемой продукции в зависимости от вида ТС и целей оценки следует использовать расчетные, опытно-статистические, регистрационные или экспертные методы.

Р а с ч е т н ы е м е т о д ы основаны на использовании математических моделей изменения параметров качества изготовляемой продукции или параметров технологического процесса, с учетом физики отказов (качественной природы процессов износа, старения, температурных деформаций и т. п.) и имеющихся априорных данных о свойствах технологических систем данного класса; на использовании данных о закономерностях изменения во времени факторов (износ инструмента, температурные и упругие деформации и т. п.), влияющих на один или одновременно несколько параметров качества изготовляемой продукции.

О п ы т н о - с т а т и с т и ч е с к и е ( и з м е р и т е л ь н ы е ) м е т о д ы основаны на использовании данных измерений параметров качества изготовляемой продукции, полученных в результате специального выборочного обследования ТС и (или) специальных испытаний ТС и ее элементов.

Р е г и с т р а ц и о н н ы е м е т о д ы не требуют проведения специального выборочного обследования и основаны на анализе информации, регистрируемой в процессе управления предприятием по технической документации, утвержденной в установленном порядке (результаты контроля точности технологических процессов, число принятых партий, дефектов и т. п.). Эта информация должна удовлетворять требованиям достоверности и однородности по ГОСТ 16468—79, а также быть достаточной для оценки значения искомого показателя.

Э к с п е р т н ы е м е т о д ы основаны на использовании результатов опроса экспертной группы, располагающей информацией о надежности данной технологической системы и факторах, влияющих на качество изготовляемой продукции. Экспертные методы следует применять при невозможности или нецелесообразности использования расчетных, опытно-статистических или регистрационных методов (недостаточное количество информации, необходимость разработки специальных технических средств и т. п.). Состав экспертной группы и методика опроса — по ГОСТ 23554.0—79.

В качестве примера рассмотрим оценку надежности технологического процесса, состоящего из n последовательных операций

(рис. 1.3)^[4].

В результате выполнения технологического процесса должны быть обеспечены m показателей качества изделий (х₁, х₂, х₃, …, х _m).

Ðèñ. 1.3. Ôîðìèðîâàíèå ïîêàçàòåëåé êà÷åñòâà

1

. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ

1

2

n

– 1

n

P

1(

t

)

P

2(

t

)

P

n

– 1(

t

)

P

n

(

t

)

x

1

x

2

x

m

...

...

Ãðóïïà I

Ãðóïïà II

Ãðóïïà III

Íàïðèìåð: õ₁ — ïîêàçàòåëè òî÷íîñòè èçäåëèé â ïðåäåëàõ äîïóñêàåìûõ îòêëîíåíèé ðàçìåðîâ; õ₂ — ïîêàçàòåëè ýêñïëóàòàöèîííûõ ñâîéñòâ (íå íèæå çàäàííîãî óðîâíÿ); õ₃ — ïîêàçàòåëè êà÷åñòâà ïîâåðõíîñòè (ïî ìèíèìàëüíî âîçìîæíîìó êëàññó ÷èñòîòû) è äð. Âåðîÿòíîñòü âûõîäà ëþáîãî ïîêàçàòåëÿ êà÷åñòâà çà ïðåäåëû óñòàíîâëåííûõ íîðìàòèâàìè (ÃÎÑÒàìè, ÒÓ è äð.) çíà÷åíèé â òå÷åíèå íàðàáîòêè îïðåäåëÿåò áåçîòêàçíîñòü äàííîãî òåõíîëîãè÷åñêîãî ïðîöåññà.

Êàæäàÿ îïåðàöèÿ õàðàêòåðèçóåòñÿ âåðîÿòíîñòüþ Ð _i åå áåçîòêàçíîãî ñóùåñòâîâàíèÿ. Îäíàêî âåðîÿòíîñòü áåçîòêàçíîãî ñóùåñòâîâàíèÿ âñåãî òåõíîëîãè÷åñêîãî ïðîöåññà íå ðàâíà (îáû÷íî âûøå) ïðîèçâåäåíèþ ñîîòâåòñòâóþùèõ âåðîÿòíîñòåé (1.3) èç-çà îñîáåííîñòåé ôîðìèðîâàíèÿ âûõîäíûõ ïîêàçàòåëåé êà÷åñòâà:

1) îñíîâíîå ôîðìèðîâàíèå ïîêàçàòåëåé êà÷åñòâà ïðîèñõîäèò íà ïîñëåäíèõ (ôèíèøíûõ) îïåðàöèÿõ, îäíàêî ÷àñòü ïîêàçàòåëåé êà-

÷åñòâà ïåðåäàþòñÿ ñ ïðîìåæóòî÷íûõ îïåðàöèé (ãðóïïà I íà ðèñ. 1.3);

2) áîëüøèíñòâî ïîêàçàòåëåé êà÷åñòâà ôèíèøíûõ îïåðàöèé íåïîñðåäñòâåííî îïðåäåëÿþò íàäåæíîñòü òåõíîëîãè÷åñêîãî ïðîöåññà (ãðóïïà II);

3) èìåþòñÿ ïîêàçàòåëè êà÷åñòâà ôèíèøíûõ îïåðàöèé, íà âûïîëíåíèå êîòîðûõ âëèÿþò ïðåäûäóùèå îïåðàöèè (ãðóïïà III), ò. å. èìååò ìåñòî òåõíîëîãè÷åñêàÿ íàñëåäñòâåííîñòü.

Åñëè äëÿ êàæäîãî ïîêàçàòåëÿ êà÷åñòâà õ _i îïðåäåëåíà âåðîÿòíîñòü Ð _õi åãî ïîëó÷åíèÿ â ñîîòâåòñòâèè ñ íîðìàòèâíûìè ïîêàçàòåëÿìè, è íà ôèíèøå ïðîâîäèòñÿ âûõîäíîé êîíòðîëü, ýôôåêòèâíîñòü êîòîðîãî îïðåäåëÿåòñÿ âåðîÿòíîñòüþ Ð_êi îòáðàêîâêè èçäåëèÿ ñ ïîêàçàòåëåì, íå óäîâëåòâîðÿþùèì íîðìàòèâíîìó çíà÷åíèþ,

то для оценки вероятности безотказного функционирования технологического процесса предложена формула^[5]:

m

P(t)  1– (1– P _xi ) (1– P_кi ) .

1

Для неконтролируемых операций Р_кi = 0, для абсолютно надежного контроля Р_кi = 1.

Для повышения надежности технологических процессов возможны следующие пути^[6]:

1) правильный выбор качественных характеристик элементов технологических процессов в соответствии с нагрузками на них;

2) сохранение надежности отдельных элементов в течение расчетного времени благодаря соответствующей системе эксплуатации; 3) сокращение количества элементов технологического процесса;

4) рационализация технологического процесса в результате параллельного соединения элементов, использования принципа резервирования, четкого выделения финишных операций, на которых формируются показатели качества;

5) реализация принципов приработки и обкатки на этапе освоения новых технологических процессов;

6) осуществление комплекса организационных, технологических и социальных мероприятий, направленных на повышение надежности деятельности операторов, снижение потерь за счет «человеческого фактора».

Один из эффективных путей повышения надежности — р е з е р в и р о в а н и е, предусматривающее увеличение количества резервных (параллельных) элементов технологических операций. Применяются два способа резервирования: 1) расширение зон обслуживания рабочих, обучение смежным профессиям, возможность перемещения рабочих на «узкие» места; 2) размещение резервного оборудования для выполнения работ на других, параллельно оборудованных, рабочих местах.

²⁶2. 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХОСОБЕННОСТИ И ВИДЫ