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