Структурный анализ надёжности кранов на этапе проектирования

Балыбердин Д.С., Толоконников А.С. Тульский государственный университет.

В последние годы темпы обновления и модернизации подъёмно-транспортных машин и механизмов были серьёзно замедленны. Более 50% общего парка грузоподъёмного оборудования, в том числе, строительных кранов и подъёмников выработали свой эксплуатационно-технический ресурс и требуют восстановления, капитального ремонта или серьёзной модернизации.

Несмотря на то, что конструкции подъёмных кранов подвергались усовершенствованиям на протяжении длительного периода времени, к настоящему моменту зафиксированы многочисленные отказы крановой системы, произошедшие раньше запроектированного срока наработки на отказ. Помимо эксплуатационных и технологических причин отказов (нарушение правил эксплуатации, нерегламентированное техобслуживание), причинами также могут являться конструктивные недоработки крановых узлов и агрегатов, а также последствия применявшихся некорректных методов расчета.

Абсолютное большинство подъёмных строительных кранов круглогодичного применения оцениваются основными показателям надежности - это показатели безотказности, долговечности, сохраняемости и ремонтопригодности.

Структурный анализ используют для раскрытия внутренних связей элементов и исследуемого объекта в целом, установления закономерностей этих связей и возможностей управления ими для достижения определенных целей.

В данном случае объектом управления является надежность машины и механизма, а целью управления - минимизация ремонтных оперативных затрат, а также других потерь, связанных с восстановлением работоспособности техники. Структура же надежности машины должна быть представлена таким образом, чтобы с её помощью было возможным определить вероятность реализации заданных минимальных ремонтных оперативных затрат в течение заданной наработки машины. Для управления показателями долговечности механической системы (МС) минимальные оперативные ремонтные затраты применяют по критерию её предельного состояния, а для управления показателями безотказности - по соответствующему критерию отказа. При структурном анализе применяют структурные формулы и структурные схемы надежности машины и их сборочных единиц.

Исследование методов расчета надежности машин включает в себя определение основных показателей надежности, видов критериев отказов, дифференциация предельных состояний, анализ статистического аппарата оценки надежности, анализ вероятностных распределений используемых при расчете надежности.

Зависимость показателей надежности от многочисленных и разнообразных факторов приводит к тому, что появления отказов машины носит случайный характер. Случайный характер процессов возникновения отказов элементов машины позволяет использовать в качестве их познания теорию вероятностей и математическую статистику. Анализ надежности и качества функционирования сводится к интервалу времени (наработок), времени работоспособности и времени простоя.
Структурный анализ надежности подъёмных кранов на этапе проектирования включает в себя определение вероятности обеспечения ресурса, требования к ресурсам сборочных единиц, прогнозирование распределения ресурса и затрат на капитальный ремонт машины, обоснование требований к показателям сохраняемости.

Структура надежности должна быть представлена таким образом, чтобы с её помощью определялась вероятность реализации заданных минимальных ремонтных оперативных затрат в течение заданной наработки машины.
Предельное состояние большинства машин ремонтируемого класса приводит к необходимости осуществления капитального ремонта. Критерием такого предельного состояния являются минимальные ремонтные оперативные затраты, которые определяются составом слесарных работ при агрегатно-узловой технологии капитального ремонта машины:

Zкр = Zподг + Zразб + Zсб + Zзакл

где: Zкр - оперативная продолжительность капитального ремонта машины, принятая за критерий предельного состояния; Zподг - то же, при подготовке машины к капитальному ремонту (чистка, мойка, слив ГСМ, и др.); Zразб, Zсб - то же, при разборке (сборке) машины при агрегатно-узловой технологии ремонта; Zзакл - то же, при заключительных операциях после ремонта (наладка, испытания, регулировка, окраска).
Для качественного прогнозирования вероятности процесса безотказной работы подъёмного оборудования в целом весь механизм должен быть фрагментирован - то есть разделён на отдельные элементы: узлы, агрегаты, детали, системы. Расчёты значительно упрощаются, если фрагментирование произведено так, что отказ любого из элементов не окажет влияния на надежность других составляющих конструкцию элементов. Следующим этапом работы является составление структурной схемы проектируемого механизма, состоящей в данном случае из последовательно соединенных узлов. Данную схему можно представить в виде:

Структурная схема подъёмного крана:
М/К - металлоконструкция крана; М1 - механизм передвижения крана; М2 - механизм передвижения тележки; М3 - механизм подъёма груза; ЭО - электрооборудование; ПБ - приборы безопасности.

При последовательном соединении отказ в работе любого из элементов системы приведёт к отказу работы всего грузоподъёмного механизма в целом. В этом случае вероятность P_ст(t) безотказной работы всей системы t определяется по зависимости:

где k - число последовательных элементов в системе; P_i(t) - вероятность безотказной работы i-го элемента в течение времени t.

Для управления показателями долговечности механической системы минимальные оперативные ремонтные затраты принимают по критерию её предельного состояния, а для управления показателями безотказности - по соответствующему критерию отказа. При структурном анализе применяют структурные формулы и структурные схемы надежности машины и их сборочных единиц.