Надежность машины

Когда хотят подчеркнуть особую регулярность наступления и постоянство действия каких-либо событий в природе, в обществе, в судьбе человека, то ход событий уподобляют действию машины.

Сердце спортсмена и вообще здорового человека принято сравнивать с мотором. Под этим подразумевается его безотказная и надежная работа. А между тем нет сравнения менее точного, чем это.

Всего около 100 часов в среднем работает трактор от одной поломки до другой, а комбайн и того меньше. Частые поломки и длительные простои оборудования отрицательно сказываются на производительности машинно-тракторного парка, увеличивают издержки производства и ухудшают условия труда механизаторов. Но дело усугубляется тем, что поломки в машинах возникают неожиданного не брала досада, когда в напряженную, горячую страду вдруг неожиданно останавливался трактор или комбайн!

Опасность появления неисправностей у различных машин неодинакова: одни ломаются чаще, другие - реже. Степень нашего доверия к машине обычно выражают словом надежность.

Возросшая роль техники в производстве и в повседневной жизни современного человека привлекла внимание многих ученых и инженеров к проблеме поломок машин.

Эта проблема стала одной из важнейших научно-технических проблем нашего времени. За последние годы сформировалась самостоятельная отрасль науки о неисправностях в технических устройствах - теория надежности. Она изучает закономерности, которым подчиняются эти неприятные явления, и ищет пути снижения ущерба, который с ними связан.

Начало теории надежности положили специалисты в области электронных устройств, и прежде всего специалисты по вычислительным машинам. Они первые столкнулись с трудностями создания условий для безотказной работы очень сложного оборудования. Электронная вычислительная машина состоит из десятков и даже сотен тысяч элементов. Если не принять своевременных мер, то она и часа не проработает исправно. Не один, так другой элемент за это время обязательно выйдет из строя. Сложность устройства и его надежность тесно связаны между собой. Обычный молоток - практически безотказный инструмент, потому что он состоит всего из двух деталей. Но надежность, скажем, пневматического молота уже значительно иже, так как в нем много деталей, и каждая из них таит в себе потенциальную возможность сломаться или выйдя из строя по другим причинам.

Тракторы, комбайны, автомобили - тоже очень сложные устройства, причем с каждым годом их конструкции усложняются. Современный трактор состоит из десяти тысяч деталей. По сравнению с первым трактором "Фордздн" или СХТЗ конструкция дизельного трактора стала сложнее в несколько раз. Говоря о надежности машин, мы имеем в виду не только отдельные из них, но и весь машинно-тракторный парк, а это будет уже система, не уступающая по сложности вычислительной машине.

Основная задача теории надежности - это предсказание аварий и поиск путей их уменьшения. Один из таких путей очевиден - это улучшение качества деталей, из которых собирают машину. Однако следует иметь в виду, что улучшение качества одной-двух деталей не приведет к существенному повышению надежности машины. Примером может служить коленчатый вал тракторного дизеля. За последнее время, особенно после внедрения центробежной очистки масла, износостойкость коленчатого вала увеличилась в 2,5-3 раза, а между тем число поломок трактора и его простои не уменьшились. Чтобы существенно повысить надежность машины, нужно улучшить качество изготовления и ремонта всех или по крайней мере большинства деталей.

Многие механизаторы условно делят детали трактора на ответственные и неответственные. Ответственными считают коленчатый вал, поршневую группу, блок цилиндров, корпус заднего моста и некоторые другие детали, на которые приходится основная тяжесть работы, выполняемой трактором. При отнесении детали к этой группе немалую роль играет ее стоимость. К таким деталям и отношение ответственное. При укладке в блок коленчатого вала обязательно присутствует заведующий мастерской или механик-контролер, при сборке поршневой группы тщательно подгоняют поршневые пальцы к отверстиям в бобышках поршня и к втулкам шатуна. При преждевременном выходе из строя ответственной детали ищут виновников, на завод или в ремонтную мастерскую посылают рекламацию. Иное отношение к неответственным деталям. Мало кому придет в голову посылать на завод рекламацию при выходе из строя распылителя форсунки, при изломе питательной трубки или разрыве сальника. Стоимость этих деталей соизмерима со стоимостью почтовой марки.

Но такая калькуляция обманчива. Исследования, проведенные учеными Сибирского научно-исследовательского института механизации и электрификации сельского хозяйства (СибИМЭ), показывают, что так называемые неответственные детали являются виновниками 75 % поломок и простоев тракторов. В машине нет неответственных деталей, поэтому в борьбе за повышение надежности машины нужно стремиться к тому, чтобы каждая ее деталь была высокого качества и без дефектов.

Однако это не единственный путь повышения надежности техники. Другая возможность состоит в дублировании ненадежных элементов. Этот прием называется резервированием. Он часто используется в технике и широко распространен в природе. Человек имеет два глаза, два уха, две руки, две почки, два легких. При отказе одного из этих органов другой обеспечивает полноценное функционирование организма. Следуя примеру, продемонстрированному природой, конструкторы двумя тормозами оснащают автомобиль - ручным и ножным, устанавливают на него две фары. Но в механических устройствах такое резервирование в чистом виде встречается нечасто. Если на трактор в целях повышения его надежности установить два двигателя, две коробки передач, два задних моста, то машина станет неоправданно сложной и громоздкой. Поэтому поступают иначе. Для того чтобы справиться с работой, несмотря на возможные аварии машин, хозяйство приобретает резервные тракторы, комбайны, сеялки и т. д. Этой же цели служит обменный фонд запасных узлов, который позволяет быстро заменить исправным вышедший из строя агрегат. Резервированием является и запас деталей, который хранится на складе запасных частей, а иногда и непосредственно на тракторе.

Поскольку резервирование связано с затратами, возникает вопрос, что выгоднее: содержать в запасе целые машины или только их разрозненные агрегаты, а может лучше ограничиться запасом деталей? Теория надежности дает строгие методы решения этой задачи. Зная состав парка и частоту выхода из строя машин и их элементов, можно рассчитать, пользуясь формулами теории надежности, сколько тех или иных узлов и деталей следует иметь в хозяйстве, чтобы уложиться в норматив средств, выделенных на создание резерва, и чтобы простои техники при этом были минимальны.

Из теории надежности вытекает, например, такая практическая рекомендация, которую следует иметь в виду, создавая обменный фонд. При равных условиях и ограниченных денежных средствах сложные агрегаты выгоднее расчленить на отдельные узлы. Это и понятно. Если мы храним в запасе исправный двигатель, то он позволит нам быстрее пустить в ход только один трактор, потерпевший аварию. Пройдет немало времени, прежде чем испортившийся двигатель будет отремонтирован и его снова можно будет использовать в качестве обменного агрегата. Но если этот же запасной двигатель расчленить на узлы (топливную аппаратуру, клапанный механизм с головкой блока, муфту сцепления и т. д.), то мы сможем устранить аварии одновременно у нескольких тракторов. Ведь никогда не бывает так, чтобы у всех испортившихся тракторов сразу вышли из строя одни и те же узлы. Расчеты при помощи формул теории надежности показывают, что один запасной двигатель, расчлененный на отдельные узлы, дает примерно такой же эффект, как и пять запасных двигателей, хранящихся в сборе. Надежность машин существенно зависит от организации их обслуживания. Теория надежности и здесь приходит на помощь. Сколько аварий следует ожидать за тот или иной промежуток времени, какова должна быть производительность системы технического обслуживания, сколько нужно иметь в хозяйстве автопередвижных мастерских, сколько бригад мастеров-наладчиков - формулы теории надежности позволяют получить ответ на все эти вопросы.

Например, при организации работы передвижных мастерских всегда возникает вопрос, что лучше: объединить ли все мастерские, подчинив их диспетчеру колхоза или совхоза, или за каждой из них закрепить определенную группу тракторов, чтобы каждая мастерская обслуживала только одну такую группу? Формулы теории надежности позволяют однозначно ответить на этот вопрос. При централизации мастерских (и вообще средств обслуживания) простои потерпевших аварию машин в ожидании мастерской значительно уменьшаются, а коэффициент использования мастерских повышается по сравнению с тем случаем, когда за каждой из них закреплена определенная группа машин. Такие расчеты, например, были проведены в одном из совхозов Новосибирской области. Они показали, что эффективность использования передвижных мастерских при их централизации почти в 20 раз выше, чем при децентрализации.

Основной инструмент специалиста по теории надежности машины - теория вероятностей. Это и понятно, потому что он имеет дело со случайными событиями: трактор может сегодня сломаться, а может и без всяких происшествий выполнять возложенную на него задачу.

Многие явления, происходящие в природе и в технических устройствах, целесообразно рассматривать как случайные и использовать для их описания и анализа теорию вероятностей. Явление называют случайным, когда в заданных условиях оно может произойти или нет. Так, машина в течение некоторого времени может испортиться, а может исправно проработать заданный срок. Поскольку точно неизвестно, когда и как произойдет авария, то говорят, что она зависит от случая.

Конечно, любое явление обусловлено какими-то причинами. Поломка трактора может произойти из-за чрезмерного износа детали, или из-за имеющегося в ней скрытого дефекта, или из-за плохого ремонта, или из-за небрежности тракториста. В тракторе несколько тысяч деталей, и каждую из них может вывести из строя бесчисленное количество причин. Поэтому часто мы не можем проследить всю ту цепь причин и следствий, которые приводят трактор к аварии, а иногда от многообразия действующих факторов целесообразно просто отвлечься, чтобы не усложнять дело. И тут нам на помощь приходит теория вероятностей. Правда, она не подскажет, когда должно произойти то или иное случайное событие, но зато с ее помощью можно определить вероятность его наступления.

Словом "вероятность" в повседневной речи обычно обозначают догадку, недостоверное знание, более или менее правдоподобное утверждение. Для количественной оценки уверенности в наступлении какого-либо события говорят: "невероятно", "маловероятно", "вероятно", "очень вероятно". Как математическая наука, теория вероятностей возникла в XVII веке. Предметом ее изучения стали массовые явления. Вероятность приобрела строгую количественную оценку. Ее стали измерять частотой наступления события при серии однородных испытаний.

Пусть проводится N наблюдений какого-нибудь явления. Если при этих наблюдениях интересующее нас событие наступает n раз, то говорят, что вероятность P наступления события равна отношению (частоте) Так, еще в древнем мире было известно, что на 100 рождений приходится примерно 52 мальчика. Значит, если семья ожидает младенца, то вероятность, что им будет мальчик, равна

Эта величина вероятности очень устойчива, она практически не меняется со временем и одинакова в разных городах и государствах. Появление в семье мальчика или девочки - событие случайное, и его никто не может предсказать. Но такова особенность вероятностных закономерностей, что они не зависят от особенностей отдельных событий. Массовый характер явлений сглаживает индивидуальный ход событий.

Теория надежности, являясь технической наукой, стремится выражать найденные закономерности поломок машин количественно, в виде математических формул. Теория вероятностей для этой цели оказывается особенно удобной.

Ее мощный и сравнительно простой аппарат позволяет не вникать в многообразие причин, приводящих машину к аварии, и в то же время предсказывать, сколько машин постигнет это бедствие в течение того или иного времени, а значит, и рассчитать потребную мощность аварийной службы, необходимый запас деталей и узлов обменного фонда и многие другие показатели, необходимые для правильной организации обслуживания машин. О надежности машины часто так и говорят, что это вероятность ее исправной работы в течение заданного интервала времени в заданных условиях. Ее можно определить, если организовать наблюдения за группой, состоящей из N машин, в течение T часов. Если за это время потерпят аварию n машин, то вероятность аварии равна отношению

А вероятность исправной работы машины, как вероятность противоположного события, будет равна разности

И наоборот, зная вероятность поломки машины q в течение T часов, можно примерно предсказать число поломок, которые произойдут у N машин за это время:

Так, например, для гусеничного трактора (типа ДТ-54) вероятность аварии в течение 10 часов равна 0,12. Следовательно, если в хозяйстве, скажем, 50 таких машин, то можно ожидать, что в период интенсивных работ (весенний сев, уборка) ежедневно в среднем шесть из них будут терпеть аварию.

На многие вопросы может ответить теория надежности при помощи формул теории вероятностей, и только на один вопрос она не дает ответа, когда сломается данная конкретная машина?

Вероятностный характер выводов теории надежности позволяет ей делать предсказания только о больших группах машин, причем чем больше машин в группе, тем точнее прогноз. К одиночным же объектам теория вероятностей, а значит, и построенная на ней теория надежности неприменимы. Точно так же, зная вероятность появления на свет мальчиков, нельзя предсказать, какого пола будет ожидаемый младенец. Конечно, полезно и интересно знать, какова вероятность аварии трактора, но, выезжая в поле, механизатор и агроном больше беспокоятся о том, не подведет ли данная машина, не сломается ли она, не закончив работу. Однако ответить на этот вопрос теория надежности не может.