В тяжелых и быстроходных станках, а также в узлах, в которых применяются твердые антифрикционные материалы (чугун, твердые бронзы и др.), особую опасность представляет заедание.
Нарушение работы гидроприводов связано с износом клапанов и элементов управления, с нарушением регулировки (из-за недостаточно хорошей фиксации, низкого качества пружин и др.). Гидроприводы работают при относительно высоких температурах масла и значительных скоростях, что способствует окислению масла и образованию высокомолекулярных соединений, в результате чего систематически засоряются узкие щели в элементах гидропривода. Недопустимо применять масла из сернистых нефтей, так как при этом гидроприводы из-за выделения высокомолекулярных соединений выходят из строя через несколько месяцев работы.
Точностная (параметрическая) надежность связана с медленно протекающими процессами: износом, короблением, старением. Долговечность по точности в первую очередь зависит от состояния направляющих, шпиндельных опор и делительных цепей. Необходимость капитального ремонта преимущественно вызывается состоянием направляющих.
Надежность станков по точности изделий определяют следующие факторы:
-нарушение настройки связано со снятием сил трения в зажимах, перераспределением сил между зажимами и механизмами подвода, а, следовательно, и соответствующим изменением жесткости. Нарушению настройки способствуют ударные нагрузки, а также значительные температурные перепады;
-малость упругих деформаций во избежание недопустимого копирования на изделии погрешностей заготовки, трудности установки на размер и т. д.;
-виброустойчивость технологической системы во избежание расстройки технологической системы, образования волн на поверхности, отказа в работе из-за недопустимых вибраций;
-малость и постоянство температурных деформаций. Непостоянство температурных деформаций связано с разогревом системы, колебаниями температуры воздуха и грунта, переменностью теплообразования в механизмах станка в связи с приработкой, изменением уровня масла, регулировкой и т. д., а также переменностью теплообразования в процессе резания. Многие станки не обеспечивают точности обработки до разогрева. Станины длинных станков, при постоянном скреплении с фундаментом, подвергались бы годичным температурным деформациям со стрелой прогиба более 1 мм; на крупных прецизионных колесах, нарезаемых в течение нескольких суток, наблюдаются суточные температурные полосы и т. д.;
-точность подвода перемещающихся узлов, в частности повторных подводов. Разброс связан с переменностью сил трения и контактной жесткости, влияние которых многократно усиливается вследствие динамического характера подвода;
-сохранение размеров и режущих свойств инструмента. Размерный износ и нарушение режущих свойств инструментов приводит к изменениям размеров изделий и увеличению упругих отжатий в системе;
-точность размеров и постоянство твердости заготовок. Разброс размеров и твердости заготовок приводит к переменным упругим отжатиям инструмента;
-предотвращение попадания пыли и стружки на базовые поверхности установки обрабатываемых деталей. Характерно, что за рубежом в отдельных цехах сборки особо точных станков для предотвращения попадания пыли извне поддерживается избыточное давление, а детали поступают полностью обработанными и промытыми.
Надежность станков с ЧПУ может быть характеризована следующими данными по материалам международной организации MTIRA, занимающейся исследованиями станков, время простоев станков с ЧПУ из-за неисправностей составляет 4. . .9% номинального фонда времени.
Около 55% отказов, по отечественным данным, связано с электронными и электрическими устройствами ввода информации, считывания с перфоленты, переработки информации, электропривода Их устранение занимает около 40% общего времени восстановления. Хотя отказы механических узлов: механизма автоматической смены инструмента, направляющих, шпинделя, системы смазки, привода подач, редуктора датчиков обратной связи — составляют меньшую долю (а именно около 20%), время на их устранение затрачивается такое же.
Мероприятия, по повышению надежности автоматизированного производства:
-оптимизация структуры автоматических линий и автоматизированных участков;
-включение автоматизированных устройств контроля и измерения точности обработки деталей;
- применение научно обоснованных методик приемо-сдаточных испытаний по параметрам надежности и производительности;
- внедрение систем сбора и анализа отказов по сигналам от операторов;
- применение автоматизированной диагностики причин отказов и технического состояния станков с ЧПУ автоматизированных участков и др.
Оценка конструкции и работоспособности деталей и узлов станков по критериям точности, жесткости, теплостойкости, виброустойчивости, статической прочности может быть произведена в основном в процессе кратковременных (приемочных, лабораторных) испытаний. Для определения надежности по критериям износостойкости, усталостной прочности, а также по ударной прочности в связи с перегрузками необходимы длительные эксплуатационные испытания или наблюдения.
Окончательная оценка надежности машин производится по результатам эксплуатационных наблюдений станкозавода в сотрудничестве и на площадях заводов-потребителей станков. Учитывая переменность условий работы станков, для получения достоверных результатов необходимо охватить наблюдениями достаточно большое количество станков данной модели, работающих на нескольких заводах. Наблюдения должны производиться периодически через каждые три-четыре месяца работы станков сотрудниками групп надежности станкозаводов. К наблюдениям для фиксации отказов и простоя станка привлекают рабочих, обслуживающих станок.
Ускоренные испытания проводят в форсированных условиях. При этом наиболее важные узлы испытывают отдельно, а затем вместе со станком. По такой методике проводит контрольные испытания на надежность станков с ЧПУ фирма Moog Ltd (США).
Механизм смены инструмента, работающий с циклом 8 с, испытывают непрерывно 5 ч, в течение которых позиционирование происходит около 600 раз, и т. д. Общее время испытаний каждого станка от начала монтажа до отгрузки потребителю составляет 100 ч.
Надежность промышленных роботов
Серийное изготовление промышленных роботов в стране начато в конце шестидесятых годов. Их выпуск, как у нас, так и за рубежом постоянно наращивается.
Непрерывно расширяются области применения роботов. Их используют для перемещения деталей и заготовок, для установки заготовок на станках и снятия готовых деталей. Широкие и перспективные области применения — технологические процессы, неблагоприятные для здоровья человека: окраска, сварка, литье и др. Кроме того, роботы просто необходимо применять в тех областях, где присутствие человека ненужно или даже вредно (например, сборка микропроцессоров и других комплектующих персональных компьютеров). С повышением точности позиционирования осваивается использование роботов для процессов сборки, для механической обработки деталей. Например, роботы серии D-1000 фирмы Elac Ingenieurtechnic отличаются высокой жесткостью и возможностью воспринимать внешние нагрузки, фиксируя положения осей после позиционирования с помощью механических тормозов. Это позволяет использовать роботы со сверлильными и фрезерными устройствами.
В роботах грузоподъемностью до 20 кг расширяется применение электропривода, преимущества которого по сравнению с гидроприводом следующие: отсутствие утечек масла, малое подготовительное время (не нужен разогрев масла до рабочей температуры для точных работ), простота изготовления. Пневмопривод применяют главным образом в роботах, в которых перемещения рабочих органов задаются жесткими, в большинстве случаев переналаживаемыми упорами (цикловая система управления).
В роботах значительной грузоподъемности преимущественно применяют гидропривод.
Таким образом, для роботостроения характерно наращивание темпов выпуска вместе с повышением требований к точности, жесткости и надежности роботов.
Роботы относятся к восстанавливаемым изделиям. Поэтому их надежность характеризуют следующие основные показатели:
-средняя наработка на отказ,
- среднее время восстановления работоспособного состояния,
- срок службы до капитального ремонта.
Для отечественных роботов выпуска 1975—1982 гг. средняя наработка на отказ при цикловой системе управления составляла 400 ч, при позиционной системе управления — до 200. . .250 ч.
Отказы роботов могут быть разделены на три группы:
1) вызванные нарушением технологии изготовления отдельных элементов (дефекты зубчатых колес, утечка масла из соединений, люфт в механизмах, недостаточная точность изготовления направляющих качения),
2) вызванные дефектами комплектующих изделий (пропадание контакта в цепи датчиков, самопроизвольное движение золотников гидроусилитетей и т. д.),
3) вызванные конструктивными недостатками: отвинчивание стопорных гаек и ослабление затяжки резьбовых соединений, ненадежное крепление деталей, большое время прогрева масла и др., а также сбои (самопроизвольные остановки в точках позиционирования), связанные с нежесткой характеристикой привода в районе точки позиционирования. Отказы третьей группы обычно превалируют. Поэтому по мере отработки конструкции наработка на отказ повышается. Считается, что в среднем ежегодно она растет на 40%.
Чтобы повысить износостойкость и контактную прочность сопряжений, ограничивающих долговечность роботов, закаливают рабочие поверхности: втулок и валов, направляющих качения, деталей передач винт—гайка качения и зубьев зубчатых колес. Для исключения попадания абразива в зону трения предусматривают защитные устройства: телескопические щитки, растяжные гармошкообразные меха, защитные ленты и кожухи, манжетные уплотнения.
Износ также снижают исключением вредных нагрузок на опоры путем устранения статистической неопределимости систем. Так, модули горизонтального и вертикального перемещений часто выполняют на шариковых направляющих. При этом конструкция имеет обычно три шариковых втулки, две из которых расположены на одном валу — основном, а одна — на другом — реактивном, воспринимающем крутящий момент. Для этого вала предусматривают возможность радиального смещения его опор при монтаже, чтобы обеспечить параллельность валов.
К электродвигателям роботов и станков с ЧПУ предъявляются повышенные требования к величине момента, скорости разгона и остановки при минимальных габаритах и массе двигателя. Этим требованиям удовлетворяют высокомоментные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами. Лучшие параметры имеют двигатели с магнитами из редкоземельных материалов на основе самарий-кобальта. В двигателях выделяется значительное количество теплоты, которая часто не успевает отводиться из-за низкой скорости вращения вала. По этой причине в двигателях с плоским якорем из стеклотекстолита, на котором нанесена печатная обмотка, якорь иногда коробится. Возможны также отказы, связанные с пробоем изоляции и старением смазки. Чтобы отвести от электродвигателей большие потоки теплоты, в них, возможно, встраивать тепловые трубы
В процессе приемосдаточных испытаний для выявления степени возможности появления функциональных отказов оценивают жесткость характеристики привода и люфт.
Чтобы оценить жесткость характеристик, до стыковки системы управления привода с манипулятором на электродвигатели манипулятора подают пониженное напряжение (0,05. . .0,1 от номинального) и измеряют ток, при котором происходит трогание и устойчивое движение по всем координатам. Если ток значительно меньше номинального (например, 20%), то механическую характеристику считают жесткой.
Суммарный люфт кинематической и измерительной цепей измеряют, зажав в схват манипулятора иглу и груз, близкий к номинальному. В рабочей зоне манипулятора закрепляют на технологической стойке экран с миллиметровой бумагой. Устанавливают иглу с грузом в точке позиционирования. По шкале миллиамперметра выставляют «ноль» с помощью регулировочного потенциометра. Вручную смещают иглу и схват по всем координатам до величин, при которых стрелка миллиамперметра начинает давать показания. Суммарный люфт иглы не должен превышать погрешности позиционирования, указанной в технических условиях
Для роботов обычно предусматривают проведение приработки с номинальным грузом, совмещая ее с приемосдаточными испытаниями. Время приработки в основном составляет 25. . .100 ч.
Испытания на надежность обычно проводят на двух, трех экземплярах роботов из партии. На стадии испытаний опытных образцов или установочной партии проводят определительные, а при изготовлении серийной продукции — контрольные испытания на надежность. Периодичность контрольных испытаний обычно раз в два-три года.
Экономический аспект надежности
Вопросы оценки достигнутого уровня надежности и необходимости его повышения должны решаться в первую очередь с экономических позиций, так как экономика является основным критерием для решения большинства практических задач надежности.
Это объясняется тем, что современный уровень развития техники позволяет достичь практически любых показателей качества и надежности изделия и все дело заключается в затратах на достижение поставленной цели. Эти затраты могут быть столь высоки, что эффект от повышения надежности объекта не возместит их, и суммарный результат от проведенных мероприятий будет отрицательным.
Часто мероприятия по повышению надежности могут и не требовать существенных затрат, а достигаться, например, оптимизацией. Однако в этом случае необходимо проводить сравнение различных вариантов достижения требуемого уровня надежности по условию получения наибольшего суммарного экономического эффекта с учетом затрат в сферах производства и эксплуатации объекта и того положительного экономического эффекта, который дает его использование по назначению. В общем случае изменение во времени суммарного экономического эффекта при эксплуатации объекта слагается под влиянием двух основных факторов, что наглядно иллюстрируется рисунком 1.
С одной стороны, необходимо учитывать затраты на изготовление нового объекта Оц, включая его проектирование, изготовление, испытание, отладку, транспортировку к месту работы и другие затраты, а также затраты на эксплуатацию Q,, включая техническое обслуживание, ремонт, профилактические мероприятия. Эти затраты Q., + О3 являются отрицательными в балансе эффективности.
Рисунок 1 - Изменение экономической эффективности объекта во времени
С другой стороны, работа объекта дает положительный экономический эффект Qp (прибыль) в зависимости от его целевого назначения, например, для автомобиля - в результате перевозки грузов или пассажиров.
Изменение Q3 в функции времени имеет тенденцию к возрастанию, так как старение отдельных элементов объекта приводит к необходимости вкладывать все большие средства для восстановления утрачиваемых свойств. Изменение Qp во времени, наоборот, имеет тенденцию к уменьшению интенсивности роста, так как более частые простои объекта в ремонте и техническом обслуживании снижают его производительность. Поэтому кривая суммарной эффективности
имеет максимум и два раза пересекает ось абсцисс.
При возрастании Q период времени t = Ток, при котором Q,, + Оэ = Qp, будет являться сроком окупаемости вложенных при изготовлении затрат. Начиная с этого момента объект, начинает приносить прибыль. Однако рост полученного эффекта постепенно снижается из-за возрастания эксплуатационных затрат до t = Т„р., когда снова 0„ + Q, = Qp.
При t, превышающем Т„р, затраты на эксплуатацию больше того экономического эффекта, который может быть обеспечен. Длительность экономически целесообразной эксплуатации объекта Т3 находится в диапазоне между Tmla и предельным сроком службы Т„р:
Т < Т < Т
1 max -* э^ i пр-
Выбор варианта машины с позиций надежности должен определяться сравнением затрат на изготовление и эксплуатацию объекта с тем экономическим эффектом, который он сможет обеспечить. Например, как видно из рисунка 1, начальная стоимость машины 2 выше, чем машины 1, но за счет показателей производительности и надежности она дает больший экономический эффект и ее целесообразно эксплуатировать более продолжительный срок.
Вывод
Поскольку уровень надежности в значительной степени определяет развитие техники по основным направлениям, мы должны стремиться достичь высокой надежности технических средств, применяемых в технологическом процессе.
Но невозможно достичь высокой надежности и долговечности с непрогрессивным рабочим процессом и несовершенной схемой или несовершенными механизмами.
Поэтому первым направлением повышения надежности является обеспечение необходимого технического уровня изделий.
Кроме этого следует применять агрегаты с высокой надежностью и долговечностью, которые обеспечиваются самой природой, т.е. быстроходных агрегатов без механических передач, например, на электростанциях, агрегатов и деталей, работающих на чистом жидкостном трении или без механического контакта (электрическое торможение, бесконтактное электрическое управление); деталей, работающих при напряжениях ниже пределов выносливости, и др.
Также нужно использовать детали и механизмы, самоподдерживающие работоспособность: самоустанавливающихся, самоприрабатывающихся,самосмазывающихся, самонастраивающихся и самоуправляющихся системах.
Необходимо отметить, что переход на изготовление машин по строго регламентированной технологии заключает в себе резерв повышения надежности.
Этап конструирования системы является очень важным, поскольку на нем закладывается уровень надежности систем безопасности. При конструировании и проектировании следует ориентироваться на простые структуры, имеющие наименьшее количество элементов, поскольку сокращение количества элементов является существенной мерой повышения надежности.
Но уменьшение количества элементов не следует противопоставлять резервированию, как эффективному способу повышения надежности, но приводящему, на первый взгляд, к завышенному количеству элементов конструкции. Очевидно, что следует принимать компромиссное решение между необходимостью сокращения количества элементов и применением резервирования наименее надежных элементов.
Повысить надежность аппаратуры, механизмов и машин в процессе их эксплуатации чрезвычайно трудно. Это объясняется тем, что надежность машины (системы) в основном закладывается при ее проектировании и изготовлении, а при эксплуатации она только расходуется. Скорость расхода надежности зависит от методов и условий эксплуатации, квалификации обслуживающего персонала.
Эксплуатация оказывает очень сильное влияние на проектирование и изготовление вновь разрабатываемых механизмов и машин. Это объясняется тем, что данные об отказах, полученные при их эксплуатации, полностью характеризуют надежность машин и по этому часто являются исходными данными при проектировании высоконадежных систем.
Список литературы:
1.Решетов Д.Н, Иванов А.С., Фадеев В.З. Надежность машин. М. 1988.
2.Карпенко В.А., Васютенко А.П., Севриков В.В. Приводы измерительных приборов и автоматов и их надежность.
3.Решетов Д.Н. Детали машин. М., Машиностроение 1974.
4.Горелышев И.Г., Кропивницкий Н.Н. Слесарно-сборочные работы. Л., Машиностроение 1982.
Страницы: 1, 2
