ПРОБЛЕМЫ НАДЕЖНОСТИ И РЕСУРСА в МАШИНОСТРОЕНИИ
ПРОБЛЕМЫ НАДЕЖНОСТИ И РЕСУРСА в МАШИНОСТРОЕНИИ
Экономичность, производительность, надежность и долговечность выпускаемых машин — важнейшие показатели их совершенства. Надежность — сложное свойство машин и конструкций, включающее такие характеристики, как безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохранность, т. е. показатели, которые определяют эффективность использования техники и качество ее работы.
Необходимость повышения надежности обусловлена непрерывным ростом численности выпускаемых машин и оборудования, расширением областей их применения, тенденцией к автоматизации технологических процессов, к созданию гибких производств. Отечественное машиностроение в ряде отраслей существенно улучшило показатели надежности. Например, наши атомные и тепловые энергоустановки обладают ресурсом до 40 лет, некоторые авиадвигатели — до 20 тыс. ч, самолеты — до 40 тыс.— 60 тыс. ч, крупные технологические и доменные комплексы — до 20 лет. Повышению надежности машин и конструкций во многом способствуют научные исследования и разработки, выполненные в Академии наук СССР, в отраслевых научно-исследовательских институтах, ОКБ и заводах.
Однако надежность большинства изделий машиностроения сегодня не соответствует должному уровню качества и работоспособности машин. Причины отказов, повреждений и аварий часто кроются в недостаточном уровне проектирования и конструирования, в ходе которых не в полную меру используются достижения науки, ограниченно применяются прогрессивные материалы, в производстве нарушается технологическая дисциплина, в недостаточном объеме проводятся испытания и контрольные операции.
Необходимо широкое внедрение в практику работ организаций и предприятий машиностроительного комплекса передового опыта, накопленного в ряде отраслей по обеспечению надежности изделий. Рассмотрим основные принципиальные моменты на примере авиации.
Изучение опыта фирм-производителей и организаций, эксплуатирующих самолеты и двигатели, показывают, что высокий уровень надежности и долговечности достигается там, где в производстве и эксплуатации применяется комплекс мероприятий, охватывающий все этапы проектирования, производства, испытаний и эксплуатации машин.
Наиболее значительные достижения имеются, по-видимому, в проектировании, строительстве и эксплуатации самолетов и двигателей с большим ресурсом. Это стало возможным благодаря использованию ЭВМ, реализующих самые современные расчетные методы, и широкому эксперименту на стендах и в полете с натурными элементами и конструкциями в целом. В главных чертах метод создания конструкций с большим ресурсом включает следующее.
Проблема обеспечения ресурса авиаконструкций рассматривается как задача достижения заданной наработки до списания парка при соблюдении жестких требований по уровню весового совершенства и безопасности эксплуатации, а также готовности к вылету и эксплуатационной технологичности (трудоемкости обслуживания и осмотра).
При этом учитывается комплекс конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов, влияющих на ресурс и срок службы аппарата, а также то, что требуемые ресурсы до списания непрерывно возрастают.
Сложность проблемы привела к необходимости создания системы обеспечения ресурса авиаконструкций, действующей на этапах предварительного проектирования (выбор облика, массы, основных материалов и техпроцессов с учетом требований полного ресурса), рабочего проекта (конструирование деталей с учетом сопротивления усталости), усталостных испытаний отдельных фрагментов и натурной конструкции (проверка решений перед началом серийного производства и эксплуатации), регулярной эксплуатации (контроль и сравнение фактических условий и технического состояния конструкции с прогнозом).
Стохастический характер внешних воздействий и характеристик сопротивления усталости и разрушению заставляет особое внимание уделять совершенствованию вероятностной модели ресурса парка авиаконструкций, обеспечивающей введение минимально необходимых запасов за счет рациональности учета рассеяния переменной нагруженности, долговечности, скорости распространения трещин, остаточной прочности и ’’обнаруживаемое™” дефектов элементов конструкций.
Наиболее важная часть общей системы — комплекс мероприятий по обеспечению безопасности эксплуатации по условиям сопротивления усталости, износу и разрушению с учетом влияния внешней среды. Основой комплекса является нормирование обязательных процедур и величин необходимых запасов по параметрам, обеспечивающим практическую невероятность. потери целостности конструкции. При этом широко используется основанный на методах линейной механики разрушения ’’принцип безопасности повреждений” конструкции, поддерживающей надежность с учетом возможности дефектов производственного и иного происхождения и практически обеспечивающий эксплуатацию парков конструкций ”по техническому состоянию”, т. е. до появления в известных зонах трещин докритического размера, гарантированно обнаруживаемых при периодических регламентных осмотрах.
Обеспечение высокого уровня безопасности эксплуатации органически связано с проблемой получения требуемого ресурса на этапах создания и испытаний авиаконструкций.
Основой действующей комплексной методологии учета требований ресурса при проектировании является модель (типизация) конструкции, целенаправленно учитывающая потребные объемы и точность расчетноэкспериментальной отработки. Так, для современного пассажирского самолета проектировочный расчет на ЭВМ напряженно-деформированного состояния, долговечности и живучести конструкции ведется в нескольких десятках ответственных типовых зон, как правило, на основе метода конечных элементов, общим объемом до 100—150 тыс. неизвестных. В ближайшем будущем ожидается развитие расчетов со все возрастающей точностью приближений к реальному поведению конструкций. По мере проработки чертежной документации проводятся специальные испытания образцов и конструктивных элементов (2000—3300 шт.) и натурных фрагментов, панелей и узлов (100—200 шт.) при спектрах нагружения, максимально приближенных к эксплуатационным. При этом одной из основных целей является разработка рекомендаций и проверка тех - 4
нологических способов обеспечения требуемых ресурсных характеристик (упрочнение, высокоресурсные соединения, крепеж с натягом И Т. Д.) .
На заключительном этапе перед началом регулярной эксплуатации проводятся лабораторные натурные ресурсные испытания полно размерной конструкции, воспроизводящие нагружение по всем фазам реального полета, а также основные процедуры визуального и инструментального контроля технического состояния. Для проведения опытной отработки конструкций создана экспериментальная база, включающая испытательные и измерительные комплексы различного уровня, тиражирование и внедрение которых способно существенно повысить эффективность обеспечения надежности при создании технических объектов.
Важной частью системы является непрерывный контроль фактических условий нагруженности и технического состояния конструкций. Полученные данные периодически (через 20—25% полного требуемого ресурса) подвергаются анализу с целью корректировки условий дальнейшей эффективной безопасной эксплуатации вплоть до экономически обоснованного списания парка данного типа конструкций.
В целом действующая на протяжении последних 15 лет система обеспечила более высокий по сравнению с зарубежными показателями уровень безопасности эксплуатации по условиям сопротивления усталости, а также удвоенный по сравнению с предыдущим поколением самолетов ресурс при одновременном повышении эффективности авиатехники.
В научно-организационном плане существенным недостатком следует считать отсутствие общегосударственных целевых программ по надежности, а также показателей надежности в производственных планах отраслей машиностроения. К тому же предприятия, создающие и эксплуатирующие технику как правило недостаточно укомплектованы средствами диагностики и специалистами по надежности.
Чтобы решить проблему повышения надежности машин, нужно совершенствовать методы конструирования и расчетов, проектировать на заданные ресурс и надежность, шире привлекать средства автоматического проектирования, разработать нормативные документы и контрольнодиагностические средства, регламентирующие испытания, производство и эксплуатацию машин, а также организовать общегосударственную службу приемки головных образцов техники по критериям надежности.
Необходимо создание межотраслевой программы по надежности машин и оборудования с учетом выполняемых рядом академических и отраслевых институтов фундаментальных и прикладных разработок.
Это позволит существенно ускорить процесс перестройки техникоэкономических и организационных отношений в машиностроительных отраслях и у потребителей продукции машиностроения с целью коренного улучшения качества и надежности машин.
В сборнике представлены результаты исследований, направленных на решение проблемы повышения надежности машин и конструкций различного назначения, относящихся к авиационной технике, энергетике, станкостроению, транспорту, сельскохозмашиностроению, робототехнике.
Академик Г. П. Свищев