ПРОБЛЕМЫ НАДЕЖНОСТИ И РЕСУРСА в МАШИНОСТРОЕНИИ

ПРОБЛЕМЫ НАДЕЖНОСТИ И РЕСУРСА ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ

К. В. Фролов

Главенствующая роль современного машиностроения в научно-техничес­ком прогрессе общеизвестна. В проекте Основных направлений экономичес­кого и социального развития СССР на 1986-1990 годы и на период до 2000 года ставится задача значительно ускорить развитие машиностроения, повысить его технический уровень.

Советские ученые, конструкторы, инженеры вносят достойный вклад в решение ключевой задачи экономики — повышение производительности труда на основе новых прогрессивных технологических процессов и созда­ние высоконадежной современной техники.

Только в последние годы отечественным машиностроением достигнуты впечатляющие результаты: налажено и наращивается производство автома­тических манипуляторов, создан ряд первоклассных образцов техники и технологических процессов, машин и оборудования, что способствует тех­ническому перевооружению важнейших отраслей народного хозяйства.

В числе наиболее важных из них — атомное энергетическое оборудова­ние, энергоблоки высокой единичной мощности, газоперекачивающие комплексы, агрегаты непрерывной разливки стали, техника для электро - шлакового переплава и вакуумного рафинирования, высокоскоростные прокатные станы, гибкие автоматизированные производства, автомати­ческие участки, линии, станки, промышленные манипуляторы с числовым программным управлением, электронно-лучевая, плазменная и лазерная техника с использованием электроники и микропроцессоров.

Современные машины создаются для агропромышленного комплекса, химической, легкой, пищевой промышленности, транспорта. За короткий период времени в 1,5—2 раза повышен ресурс легковых автомобилей, металлорежущих станков и т. д.

Созданы и эффективно внедряются в машиностроительную промышлен ность современные технологические методы обеспечения надежности ма­шин, например новые методы сварки (ультразвуковая, лазерная, взрывом, электронно-лучевая, диффузионная и др.). Разработаны эффективные средства и способы защиты металлов от коррозии, создан ряд новых кор­розионно-стойких и конструкционных сталей и сплавов.

В последние годы Институт машиноведения им. А. А. Благонравова АН СССР существенно расширил и углубил целенаправленные исследова­ния по повышению надежности и ресурса машин, развиты и укреплены научные контакты с такими ведущими научными центрами, как ЦАГИ, МВТУ им. Н. Э. Баумана, ЦНИИ им. Крылова, ЦНИИТМАШ, Институт проб­лем механики АН СССР. Институт электросварки им. Патона, Институт проб­лем прочности АН УССР и др.

Ряд проблем, направленных на обеспечение надежности машин и кон­струкций, Институт машиноведения решает в связи с задачами создания но­вой техники совместно с крупными конструкторскими бюро ведущих отраслей машиностроения. Комплексные исследования, направленные на обеспечение ресурса крупногабаритного энергетического и другого обору­дования, институт проводит в рамках научной проблемы СЭВ.

Научный совет по теории машин и системам машин, Семинары по пробле­мам машиноведения и надежности ведут результативную систематическую работу по координации научных исследований в стране в области надеж­ности машин.

Вместе с тем, несмотря на имеющиеся достижения, проблема надеж­ности не решена еще достаточно полно. Пока нет соответствующей обще­союзной комплексной программы. В настоящее время, образно говоря, ’’здание” науки о надежности машин и конструкций, фундаментом кото­рого является теория надежности, находится на стадии строительства.

Понятие надежность — комплексное и включает такие компоненты, как безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость, т. е. свойства, определяющие эффективность использования техники и сох­ранение качества изделий в заданных условиях эксплуатации.

В отличие от технического совершенства (приспособленность к исполь­зованию по назначению, уровень параметров и функциональных характе­ристик, экономичность производства и т. д.), объективно сохраняющегося в процессе производства, надежность обеспечивается главным образом на этапе изготовления машин, что определяет ее практически полную зави­симость от технологии. Поэтому, кроме достаточно разработанных к настоящему времени фундаментальных теоретических методов детерми­нированного и стохастического анализа, а также методов подобия, широко используемых при оценке и контроле надежности и прогнозировании ре­сурса, на должный уровень необходимо поднять, научно обосновать в связи с условиями применения изделий и довести до широкого использования в основньи отраслях машиностроения методы и средства обеспечения и поддержания надежности, а также продления ресурса машин и конструк­ций. Это должно быть реализовано в комплексе с развитием методов и средств технической диагностики, а также с учетом эргономических факто­ров и экологических требований, осуществляемых на основе результатов исследований биомеханики систем ’’человек—машина-среда”.

Развитие указанного выше комплексного подхода к проблеме обеспе­чения надежности изделий машиностроения при рациональном сочетании фундаментальных решений вопросов теории надежности и прикладных задач повышения ресурса машин и конструкций является одной из важ­нейших задач современного машиноведения [1—4].

Роль проблемы надежности в условиях научно-технического прогресса повышается в связи с ростом параметров выпускаемых машин и обору­дования, расширением областей их применения, переходом на автоматизи­рованные технологические процессы и гибкие производства и т. д.

К сожалению, надо признать, что фактические показатели надежности некоторых отечественных изделий в ряде случаев оказываются ниже регла­ментированных стандартами показателей. Анализ причин отказов показал, что 70% их происходит из-за нарушения технологической дисциплины, а также правил эксплуатации. Кроме того, по экспертной оценке, имеет место большой ущерб от коррозии в химической и нефтехимической про­мышленности, при добыче и транспортировке нефти и газа, в энергетике, сельском хозяйстве, железнодорожном транспорте.

Состояние вопроса надежности сейчас таково, что ни одна из машино­строительных отраслей полностью не охватывает всех аспектов этой проб­лемы. Например, в автомобильной промышленности на должном уровне (организационно-методическом и техническом) проводятся испытания изделий (стендовые и полигонные) на надежность, действует система экспериментально-производственных автохозяйств в целях сбора информа­ции о надежности изделий в эксплуатации, но практически, как ни парадок­сально, при проектировании расчет надежности производится не на должном уровне.

Аналогичная картина наблюдается и в тракторной промышленности, с той разницей, что стендовых и полигонных испытаний выполняется мень­ше, а наблюдений в эксплуатации — больше. Другой опыт накоплен в строительном и дорожном машиностроении, где основное внимание уде­ляется расчетам на надежность при проектирования, но практически нет достаточно полных обобщений отказов машин в реальных условиях их эксплуатации.

На протяжении многих лет практически не сокращается величина про­стоев, связанных с внезапными отказами и текущими ремонтами многих массовых видов машин и оборудования.

На современном этапе научно-технической революции проблема трудо­вых ресурсов решается за счет комплексной автоматизации производства, автоматизации и механизации трудоемких работ. Это приводит к тому, что народное хозяйство насыщается сложными машинами и агрегатами, которые требуют дополнительных затрат на техническое обслуживание и более сложный ремонт. Если не добиться существенного повышения надеж­ности изделий, эти затраты возрастут еще больше. В результате экономия рабочей силы в сфере производства вызовет возрастание потребности в людских ресурсах в сфере технического обслуживания и ремонта, что не обеспечит экономию людских ресурсов, а лишь создаст ’’перекачку” их из одной сферы в другую.

В этой связи надо отметить, что в Институте машиноведения АН СССР выполнен ряд фундаментальных работ, создающих научную базу для обеспечения надежности машин и механизмов. В частности, институт распо­лагает образцами оригинальных самосмазывающихся антифрикционных и фрикционных материалов, не уступающих по важнейшим свойствам луч­шим зарубежным аналогам. Разработаны также методы и средства смазки газом, водой и др. Наши ученые синтезировали новые присадки к маслам, позволяющие существенно повысить износостойкость деталей машин.

Машиностроительная промышленность уже сейчас выпускает целый ряд изделий, отвечающих современным требованиям по долговечности машин там, где эти результаты исследований нашли практическое применение. Однако необходимо еще очень многое сделать для устранения все еще имеющихся ’’узких мест” в обеспечении износостойкости.

Решение проблемы надежности выпускаемых изделий — это огромный резерв повышения эффективности производства и производительности общественного труда.

Главными причинами невысокой надежности некоторых видов машин является недостаточная трудовая и технологическая дисциплина на пред - приятиях-изготовителях, недостаточная квалификация работников и от­сутствие надлежащей современной опытно-экспериментальной, вычисли­тельной и производственной базы. К этому можно добавить недостатки в планировании и экономическом стимулировании.

Ясно, что при нарушении технологической дисциплины не может быть надежной продукции. Возьмем, например, сварку, с помощью которой из­готовляется большинство рам и других несущих элементов тепловозов, вагонов, автомобилей, тракторов, комбайнов и других машин. Небрежно выполненный сварной узел с непроварами, подрезами, трещинами, высо­кими остаточными напряжениями растяжения имеет низкий предел вы­носливости.

В связи с этим проблема нормирования допустимости дефектов в свар­ных конструкциях в зависимости от степени нагруженности и уровня использования неразрушающего контроля для многих отраслей требует скорейшего решения.

Недостаточное распространение получили методы поверхностного упроч­нения, являющиеся могучим рьиагом повышения надежное™ и долговеч­ности машин. При оптамальной технологии упрочнения предел выносли­вости деталей может быть повышен в 2—3 раза при одновременном уве­личении износостойкое™.

К таким методам упрочнения относятся как традиционные (химико­термические, поверхностное пластическое деформирование, поверхностная закалка), так и новые (плазменное напыление, лазерная обработка, ион­ная имплантация и др.). Таким образом, повышение технологической ди­сциплины, ужесточение контроля, применение прогрессивной технологии изготовления и упрочнения — мероприятая первостепенной важности при решении проблемы повышения надежное™ машин.

Надежность машин закладывается при проектаровании, но обеспечи­вается при изготовлении. Для решения этах вопросов в КБ должны быть специалисты высокой квалификации по всем указанным направлениям конструирования, расчета, технологии изготовления и испытанцднйашин. Кроме того, ПО, КБ и НИИ должны быть оснащены современной мощ­ной опышо-экспериментальной базой (с соответствующими научными и инженерными кадрами).

К сожалению, приходится констатировать, что и в комплектовании квалифицированными кадрами, и в оснащении опытао-эксперименталь - ной базы, пока имеются существенные пробелы. Это можно сказать о таких отраслях, как легкое и пищевое машиностроение, сельскохозяйст­венное, строительно-дорожное, горное, лесное машиностроение.

Есть примеры, которые показывают, что при наличии высококвалифи­цированных кадров, хорошей опытно-экспериментальной базы и надлежа­щего уровня технологической дисциплины машины получаются надежны­ми. Таким положительным примером являются ПО МосавтоЗИЛ и ряд других предприятий.

Таким образом, важными разделами программы повышения надеж­ности должны быть мероприятия, связанные с созданием в отраслях мощ­ных современных опытно-экспериментальных центров и формированием эффективной системы повышения квалификации и переподготовки инже­нерно-технических и научных кадров, осуществляемой под общим научно - методическим руководством со стороны АН СССР.

Создать опытно-экспериментальную базу, отвечающую современному состоянию науки и техники, нельзя, если не будет современных испыта­тельных машин и приборов, оснащенных ЭВМ. Поэтому важнейшим разде­лом программы повышения надежности машин должен быть также раздел, посвященный организации в СССР выпуска испытательных машин и прибо­ров высокого качества и в достаточном количестве. Ряд образцов таких приборов и испытательных стендов создан в Институте машиноведения.

Отработка на надежность вновь проектируемых (или модернизируемых) машин и оборудования зачастую затруднена из-за отсутствия у разработ­чика исчерпывающей информации о надежности составных частей изделий (в первую очередь типовых деталей и узлов) при различных условиях эк­сплуатации и режимах нагружения. Работа по обобщению эксплуатационной информации о надежности в межотраслевом масштабе не проводится. Эту работу, по мнению автора, должен взять на себя Госстандарт СССР.

Правовые и нормативно-технические документы не охватывают все случаи установления гарантийных сроков, в том числе вопросы о соотно­шении гарантийных сроков на продукцию и на комплектующие изделия к ней, гарантийного срока и показателей надежности. Изготовитель не несет материальной ответственности за несоблюдение показателей надежности в гарантийный период.

В машиностроении организация работ по повышению надежности изде­лий и организация служб надежности строится на различных принципах, и в основном на инициативных началах. Не разработан общеотраслевой документ, регламентирующий структуру, штаты и состав работ по повы­шению надежности машин и оборудования (кроме рекомендательных мето­дических разработок, которые полезны, но не обязательны к исполнению).

Слабо отработано метрологическое обеспечение как процессов произ­водства изделий, так и ремонта и эксплуатации, что является одним из ос­новных факторов необъективной оценки качества изделий в результате не­достоверной информации. Многие виды средств измерений, контроля, диагностики и испытаний эксплуатируются непроверенными в срок. Служ­бы стандартизации, призванные организовывать внедрение стандартов и проверять выполнение их требований, также в силу указанных выше при­чин в отдельных случаях проявляют формальный подход к возложенным на них задачам. Имеет место выпуск продукции в течение длительного вре­мени с отступлением от конструкторской и технологической документа­ции. Недостаточна эффективность комплексных систем управления ка­чеством продукции (КС УКП) на многих промышленных предприятиях, на которых системы зарегистрированы и признаны внедренными. Это в значительной степени объясняется формальным подходом как при раз­работке КС УКП, так и при регистрации их территориальными органами Госстандарта. Здесь сказывается многолетний приоритет количественных показателей по отношению к качественным (в том числе надежности); нередко выпуск машин растет за счет неоправданного упрощения техно­логии производства, снижения требований к точности изделий, ослабления технического контроля и технологической дисциплины, низкого качества комплектующих изделий и материалов.

В недостаточной мере используется анализ технического состояния объектов техники; при разработке конструкций машин, оборудования и технологических систем не предусматриваются встроенные средства диаг­ностирования, а также другие мероприятия по повышению контролепригод­ности технических объектов из-за отсутствия серийно выпускаемых средств диагностики.

На большинстве машиностроительных предприятий сосредоточено производство всей номенклатуры деталей и узлов машин, хотя многие из них носят внутри - или межотраслевой характер; это — топливная аппара­тура, узлы гидравлики и пневматики, подшипники скольжения, тормоза, муфты, крепеж, виброгасители, уплотнители и т. п. Отсутствие должной специализации как на производстве, так и в исследовательской работе по таким изделиям приводит не только к их низкой надежности, но и к вы­соким затратам на изготовление.

Ремонтное предприятие, по существу, снимает с потребителей большую часть ответственности за плохую работу машин. Представляется, что наста­ло время подумать о расширении практики ремонта машин самим заво - дом-изготовителем.

Сохраняется традиционная многолетняя диспропорция между выпуском машин в целом и запчастей к ним, причем эта ошибка неизменно повторяет­ся применительно к каждой новой модели машины. Также традиционно существует приоритетность выпуска машин в целом по отношению к выпуску запчастей, который психологически и экономически считается как бы делом второстепенной важности.

В настоящее время отсутствует отработанная система морального и ма­териального поощрения за работу по повышению надежности и внедрению изделий с повышенным ресурсом и улучшенными эксплуатационно-техни­ческими характеристиками. Показатели надежности и энергопотребления выпускаемых машин должны быть основными при оценке достижений промышленных предприятий.

Огромные возможности повышения надежности машин и их элементов, имеющиеся в арсенале науки и техники, в ряде отраслей машиностроения используются недостаточно; во многих случаях применяются устаревшие нормы прочности, традиционные материалы и привычные технологические процессы.

Снижение расхода металла в настоящее время планируется в процентном отношении от потребляемого в отрасли или на предприятиях без учета надежности выпускаемых изделий и расхода запасных частей. Это в ряде случаев приводит к необоснованному облегчению конструкций за счет уменьшения их надежности. В результате для восстановления работоспо­собности конструкции расходуется дополнительное количество металла на изготовление запасных частей, превышающее то, которое ’’сэкономлено”.

В учебных программах и учебниках при их значительном разнообразии не отражены в должной степени последние достижения науки о надежности, что показательно на примере трибологии — науки, изучающей трение, смаз­ку и износ машин.

Очевидно, настало время разработать учебные программы, создать курсы и учебные пособия по этой актуальной проблеме. Автору пред­ставляется, что была бы полезна перестройка преподавания общетехни­ческих дисциплин в вузах, ориентированных на надежность машин и кон­струкций с иллюстрацией и экспериментальной проверкой теоретических положений на базе самых современных лабораторных установок, микро­электроники и вычислительной техники.