Методы обеспечения работоспособности изделий приборостроения
ART 53571
Авторы:
В.
Ю. Зайцев, Е.
М. Бородин
В.
Ю. Зайцев, Е.
М. Бородин Библиографическое описание статьи для цитирования:
Зайцев
В.
Ю.,
Бородин
Е.
М. Методы обеспечения работоспособности изделий приборостроения // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2013. – Т. 3. – С.
2836–2840. – URL:
http://e-koncept.ru/2013/53571.htm.
Аннотация. Рассматриваются методы обеспечения работоспособности изделий приборостроения
Ключевые слова:
модель, работоспособность, надежность, приборы, управления, анализ отказов, эксплуатация
Текст статьи
Зайцев Владимир Юрьевичкандидат технических наук, доцентФГБОУ ВПО "Пензенская государственная технологическая академия", Пензател. +79093163775 email: vlusai@gmail.comБородин Евгений МихайловичАссистентФГБОУ ВПО "Пензенская государственная технологическая академия", Пензател. +79631117925 email:borodin_bor@mail.ru
Методы обеспечения работоспособности изделий приборостроения
Аннотация Рассматриваютсяметоды обеспечения работоспособности изделий приборостроенияКлючевые словаРаботоспособность, надежность, приборы, управления, анализ отказов, эксплуатация, модель.
Проблема обеспеченияработоспособностиприборов управления одной из основныхпроблем мехатроники. Современные приборы управления являются сложными технологическими комплексами, включающими в себя механические компоненты, электрические и электронные элементы, управляемые различными рода программными средствами и связанные информационными управляющими сигналами. Для обеспечения надежностиизделия в целом необходимо обеспечить надежностьвходящих в него элементов.Свойства изделий разделяют на функциональные и эксплуатационные []. К первым относятся свойства, характеризующие способность изделий выполнять свои функции и отличающие их друг от друга. Выражаются они, как правило, физическими величинами.Эксплуатационные свойства характеризуют способность изделия противостоять разрушающему воздействию внешних факторов и надёжно функционировать в заданных условиях эксплуатации. К эксплутационным свойствам относятся: долговечность, безотказность, ремонтопригодность и сохраняемость[3].Как показывает опыт эксплуатации и проведенные исследования, основными факторами, определяющими долговечность приборов управления, являются: внешние механические нагрузки; нагрузки, связанные с совершением рабочего цикла; воздействие рабочей и окружающей среды; длительная эксплуатация и хранение.В наибольшей степени на состояние элементов приборов оказывают влияние вибрационные,ударныеи тепловыенагрузки, которые вызывают колебания корпусов, арматуры, электронных элементов и элементов коммутации. Надёжность изделия является комплексным свойством, и определяется безотказностью и долговечностью[4, 5]. Таким образом, для обеспечения качества изделия следует уделять особое внимание методам обеспечения надёжности.Особенностью проблемыповышениянадёжности является её связь со всеми этапами проектирования, изготовления и использования изделия. Основные решения по надёжности, принятые на стадии проектирования или изготовления изделия, непосредственно сказываются на его эксплуатационных и экономических показателях. Поэтому необходимо выявление связей между показателями надёжности и возможности их повышения на каждом из этапов проектирования, изготовления и эксплуатации изделий [5].Классическими методами обеспечениянадёжности изделий являются материаловедческие, конструкторскотехнологические, эксплуатационные и организационные методы.В основе методов обеспечения работоспособностиизделий лежит системный анализ отказов, включающий в себя критический анализ информации об отказах, инструментальные исследования отказов, моделирование процессов приводящих к отказам изделий.Исследования отказов изделий приборов управления мобильных комплексовпоказывают, с оной стороны,что 92% отказов изделий происходят вследствие механических и тепловых воздействий при эксплуатации и 8% вследствие воздействия на компоненты изделий агрессивных газовых и жидких сред. С другой стороны временные зависимости позволяютоценить вклад в надёжность изделия этапов его проектирования и технологий изготовления рис.1. Анализ временной зависимости показывает, что ошибки,заложенные в технологии на этапе отработки изделия сводятся до минимума. В то время как отказы изделий, обусловленные ошибками проектирования остаются постоянными. Таким образом,для повышения работоспособностиизделий следует уделять особое внимание на этапе проектирования на закладываемые в конструкцию конструкторскотехнологические решения.
Рисунок 2. Временная зависимость отказов изделий изза недостатков проектирования и технологий изготовления 2.
Критический анализ информации об отказах показывает, что основным видом потенциальных отказов изделий мехатроникиявляются нарушение герметичности изделия или отдельных элементов и разрушения различного рода разъёмных и неразъёмных соединений разнородных материалов.Обобщая информацию об отказах можно сделать вывод, что подавляющее большинство отказов происходит в местах контактирования двух и более различных средили в непосредственной близости к зонеконтактирования, т.е. в местах концентрации напряжения.Для электронных компонентов: проводник –диэлектрик, элемент –заливка, проводник –заливка и т.д.Математическая модель разрушения в точке соединения трех разнородных материалов может быть построенав рамках задачи теории упругости о тройном составном клине.
.где = 1, 2, 3 Краевыеусловия:
(2.2)
здесь
где компоненты тензора напряжений; компоненты вектора перемещений.Инструментальные исследования отказов показывают, что основной причиной приводящей к отказам как изделий машино
так и приборостроения являются разного рода микронесплошности, поры и микротрещины в местах контакта разнородных материалов.Известно, что более 5% отказов изделий происходит вследствиеотказов приборов управления. Следует отметить, что отказы приборов управления, входящих в состав изделия, полностью выводят из строя изделие, восстановление работоспособности которого возможно только после заменыили ремонта прибора.Анализ конструкторскотехнологических решений показывает, что большинство приборов управления изделий корпусируются в полые негерметичные корпуса коробчатого и пенального типа, что не обеспечивает должной защиты элементов от механических и агрессивных воздействий, возникающих в процессе эксплуатации изделий мобильных систем.Наиболее критичными из вышеперечисленных являются разъемы и электрические проводники относительно большой протяженности. Вследствие колебаний элементов может изменяться их исходное положение и параметры кинематической цепи; колебания упругих элементов вызывают циклические знакопеременные деформации в материале и инициируют развитие деградационных процессов двух типов:
поверхностные, вызывающие изменения микрорельефа и физикомеханических характеристикповерхностей элементов;
объемные, связанные с деградацией структуры материалов и приводящие к потере их прочности.Указанные процессы приводят к нарушению изоляции и герметичности изделий, заклиниванию подвижных деталей, разрушению упругочувствительных и упругосиловых элементов, разрушению объемнонапряженных деталей, разрегулирование настройки.Т.о, обеспеченийработоспособностимехатронных приборов невозможно без разработки моделей и моделирования процессов приводящих к отказам элементов изделий, а также способов защиты от вибрации и ударов. Ниже рассматривается модель,оценивающая колебания проводников и возникающие при этом нагрузки, приводящие к разрушению паяных соединений и разрушению самих проводников. Следует также отметить, что в данной модели не учитываются тепловые процессы, протекающие в элементах изделий. Но данные процессы требуют особого внимания при повышении работоспособностиизделий[7]. Основными способами защиты изделий от механических воздействий, а, следовательно, увеличения долговечности конструкций являются:
виброи удароизолирующая аппаратура амортизация, экранирование, установка прокладок из материалов, отличающихся по своим упругим характеристикам от материалов конструкции и т.д.;
изменение соотношения между спектром собственных частот изделия и диапазоном частот возмущающих воздействий изменение способов крепления, постановка дополнительных опор, ребер жесткости, заливки изделий;
рациональная ориентация элементов конструкции;
введение в конструкцию динамических гасителей колебаний различного вида;
нанесение на элементы конструкции вибропоглащающего покрытия [2].Обеспечениенадежности приборов управления невозможно без оценки критериев надежности и моделирования процессов, приводящих к отказам данных элементов.Критерии качества объекта, испытывающего вибрацию, формулируется в виде величин, характеризующих реакцию объекта или его элементов в данное механическое воздействиенапряжение диссипативные силы, относительная деформация, нормальная и тангенциальная деформации. Прочность конструкции или ее элементов характеризуется максимальным напряжением.Характерным видом разрушения конструкции под воздействием вибрации является усталость, представляющая собой эффект накопления малых повреждений при большом числе циклов переменного напряжения.Результаты испытаний изображают в виде кривых усталости рис. 2, зависимости амплитуды напряжений от числа циклов, приводящих к повреждению. Асимптота соответствующей кривой определяет предел выносливости материала .Разрушение при усталости происходит в результате развития трещин, при этом с повышением напряжения скорость этого процесса быстро нарастает.Закон изменения глубины трещины dпринимают в виде[6]:
где, f
постоянные;
амплитуда напряжения; n–уменьшенное на единицу число циклов изменения напряжения;
величина, определяемая из опытов.
Рис. 2. Кривые усталости.
Наиболее опасным является возможность выхода объекта или его элементов на ограничивающие опоры и возникновение виброударных режимов, характеризующихся систематическим соударением об упоры.При колебании упругих систем происходит рассеяние энергии в окружающую среду. Эти потери вызываются силами неупругого сопротивления –диссипативными силами, на преодоление которых непрерывно и необратимо расходуется энергия колебательной системы или возбудителя колебаний. Для описания диссипативных сил используют характеристики, представляющие зависимость диссипативной силы д.с. от скорости движения масс колебательной системы или от скорости деформации упругого элемента.Большинство зависимостей д.с. можно представить единой нелинейной характеристикой: ,где ,
постоянные.Рассеяние энергии при колебаниях упругодиссипативной системы удобно оценивать с помощью коэффициента поглощения, равного отношению потерянной за цикл энергии к наибольшему значению потенциальной энергии П упругого элемента. При упругой линейной характеристике:,коэффициент поглощения:.Поглощающие свойства большинства материалов не зависят от частоты деформирования, поэтому диссипативные свойства материала характеризуют с помощью коэффициента поглощения или логарифмического декремента колебаний .В задачах о продольных и изгибных колебаниях нормальные напряжения связывают с относительной деформацией :.В задачах о крутильных колебаниях касательные напряжения вычисляют:,где Е–модуль упругости; G–модуль сдвига; –сдвиг; –линеаризованный параметр диссипации.Дифференциальные уравнения продольных, крутильных и изгибных вынужденных колебаний протяженных элементовс учетом диссипации запишутся в следующем виде:;;; где –перемещение сечения;–угол поворота сечения;S–площадь поперечного сечения;I0, Ik–полярный момент инерции сечения и момент инерции при кручении;J–момент инерции относительно центральной оси, перпендикулярной плоскости изгиба;–плотность материала;q(x)–интенсивность распределенной вынуждающей силы.Коэффициент поглощения зависит от амплитуды относительной деформации и является переменной вдоль проводникавеличиной, его заменяют приведенным значением :,где П –максимальная потенциальная энергия деформации, определяемая при известной форме продольных, крутильных и изгибных колебаний соотношениями:;;. Т.о., обеспечение работоспособностимобильных системне возможно без рассмотрения методов обеспечения и повышения качества приборов управления, входящих в их состав. В качестве основных путей повышения и обеспечения качества приборов управления следует выделить следующие направления: моделирование процессов приводящих к отказам приборов управленияи их элементов мобильных комплексов; 2 исследование и разработка конструкторскотехнологических решений и технологий корпусирования приборов управления, обеспечивающих надёжную защиту от механических и агрессивных воздействий возникающих в процессе эксплуатации.
Литература.1.И.Г. Кальман. Метрологическое обеспечение испытаний аппаратуры, приборов и элементов на воздействие внешних факторов. М.: Издво Стандартов, 1980. –52 с. 2.Виброударозащита мехатронных систем В.В. Смогунов, А.В. Ноздрачев, В.Ю. Зайцев и др. Под ред. Н.И. Гордиенко, В.И. Волчихина, Пенза, ПГТУ, 997.–32 с.3.Ткачёв В.Н. Методы повышения долговечности деталей машин. М., Машиностроение, 97. –272 с. 4.Войнов К.Н. Прогнозирование надёжности механических систем. Л.: Машиностроение. Ленинградское отдние, 978. –28 с.5.Проников А.С. Надёжность машин. –М.: Машиностроение, 978. –592 с. 6.Динамический расчет специальных инженерных сооружений и конструкций Справочник проектировщика / Под ред. Б.Г. Коренева, А.Ф. Смирнова. –М.: Стройиздат, 986. –46 с.7.В.Ю.Зайцев. Модели тепловых процессов в электромонтажных соединениях.: "Пензенская государственная технологическая академия"Научно методический журнал, XXIвек: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс, 2013.72с.
Zaitsev Vladimir
Y.candidate of technical SciencesFGBOU VPO "Penza State Technological Academy," PenzaEmail: vluzai@gmail.comBorodinEugene MAssistantFGBOU VPO "Penza State Technological Academy," PenzaEmail: borodin_bor@mail.ru
Methods to ensure performance product instrumentationabstractDiscusses methods of providing health products Instrument
Методы обеспечения работоспособности изделий приборостроения
Аннотация Рассматриваютсяметоды обеспечения работоспособности изделий приборостроенияКлючевые словаРаботоспособность, надежность, приборы, управления, анализ отказов, эксплуатация, модель.
Проблема обеспеченияработоспособностиприборов управления одной из основныхпроблем мехатроники. Современные приборы управления являются сложными технологическими комплексами, включающими в себя механические компоненты, электрические и электронные элементы, управляемые различными рода программными средствами и связанные информационными управляющими сигналами. Для обеспечения надежностиизделия в целом необходимо обеспечить надежностьвходящих в него элементов.Свойства изделий разделяют на функциональные и эксплуатационные []. К первым относятся свойства, характеризующие способность изделий выполнять свои функции и отличающие их друг от друга. Выражаются они, как правило, физическими величинами.Эксплуатационные свойства характеризуют способность изделия противостоять разрушающему воздействию внешних факторов и надёжно функционировать в заданных условиях эксплуатации. К эксплутационным свойствам относятся: долговечность, безотказность, ремонтопригодность и сохраняемость[3].Как показывает опыт эксплуатации и проведенные исследования, основными факторами, определяющими долговечность приборов управления, являются: внешние механические нагрузки; нагрузки, связанные с совершением рабочего цикла; воздействие рабочей и окружающей среды; длительная эксплуатация и хранение.В наибольшей степени на состояние элементов приборов оказывают влияние вибрационные,ударныеи тепловыенагрузки, которые вызывают колебания корпусов, арматуры, электронных элементов и элементов коммутации. Надёжность изделия является комплексным свойством, и определяется безотказностью и долговечностью[4, 5]. Таким образом, для обеспечения качества изделия следует уделять особое внимание методам обеспечения надёжности.Особенностью проблемыповышениянадёжности является её связь со всеми этапами проектирования, изготовления и использования изделия. Основные решения по надёжности, принятые на стадии проектирования или изготовления изделия, непосредственно сказываются на его эксплуатационных и экономических показателях. Поэтому необходимо выявление связей между показателями надёжности и возможности их повышения на каждом из этапов проектирования, изготовления и эксплуатации изделий [5].Классическими методами обеспечениянадёжности изделий являются материаловедческие, конструкторскотехнологические, эксплуатационные и организационные методы.В основе методов обеспечения работоспособностиизделий лежит системный анализ отказов, включающий в себя критический анализ информации об отказах, инструментальные исследования отказов, моделирование процессов приводящих к отказам изделий.Исследования отказов изделий приборов управления мобильных комплексовпоказывают, с оной стороны,что 92% отказов изделий происходят вследствие механических и тепловых воздействий при эксплуатации и 8% вследствие воздействия на компоненты изделий агрессивных газовых и жидких сред. С другой стороны временные зависимости позволяютоценить вклад в надёжность изделия этапов его проектирования и технологий изготовления рис.1. Анализ временной зависимости показывает, что ошибки,заложенные в технологии на этапе отработки изделия сводятся до минимума. В то время как отказы изделий, обусловленные ошибками проектирования остаются постоянными. Таким образом,для повышения работоспособностиизделий следует уделять особое внимание на этапе проектирования на закладываемые в конструкцию конструкторскотехнологические решения.
Рисунок 2. Временная зависимость отказов изделий изза недостатков проектирования и технологий изготовления 2.
Критический анализ информации об отказах показывает, что основным видом потенциальных отказов изделий мехатроникиявляются нарушение герметичности изделия или отдельных элементов и разрушения различного рода разъёмных и неразъёмных соединений разнородных материалов.Обобщая информацию об отказах можно сделать вывод, что подавляющее большинство отказов происходит в местах контактирования двух и более различных средили в непосредственной близости к зонеконтактирования, т.е. в местах концентрации напряжения.Для электронных компонентов: проводник –диэлектрик, элемент –заливка, проводник –заливка и т.д.Математическая модель разрушения в точке соединения трех разнородных материалов может быть построенав рамках задачи теории упругости о тройном составном клине.
.где = 1, 2, 3 Краевыеусловия:
(2.2)
здесь
где компоненты тензора напряжений; компоненты вектора перемещений.Инструментальные исследования отказов показывают, что основной причиной приводящей к отказам как изделий машино
так и приборостроения являются разного рода микронесплошности, поры и микротрещины в местах контакта разнородных материалов.Известно, что более 5% отказов изделий происходит вследствиеотказов приборов управления. Следует отметить, что отказы приборов управления, входящих в состав изделия, полностью выводят из строя изделие, восстановление работоспособности которого возможно только после заменыили ремонта прибора.Анализ конструкторскотехнологических решений показывает, что большинство приборов управления изделий корпусируются в полые негерметичные корпуса коробчатого и пенального типа, что не обеспечивает должной защиты элементов от механических и агрессивных воздействий, возникающих в процессе эксплуатации изделий мобильных систем.Наиболее критичными из вышеперечисленных являются разъемы и электрические проводники относительно большой протяженности. Вследствие колебаний элементов может изменяться их исходное положение и параметры кинематической цепи; колебания упругих элементов вызывают циклические знакопеременные деформации в материале и инициируют развитие деградационных процессов двух типов:
поверхностные, вызывающие изменения микрорельефа и физикомеханических характеристикповерхностей элементов;
объемные, связанные с деградацией структуры материалов и приводящие к потере их прочности.Указанные процессы приводят к нарушению изоляции и герметичности изделий, заклиниванию подвижных деталей, разрушению упругочувствительных и упругосиловых элементов, разрушению объемнонапряженных деталей, разрегулирование настройки.Т.о, обеспеченийработоспособностимехатронных приборов невозможно без разработки моделей и моделирования процессов приводящих к отказам элементов изделий, а также способов защиты от вибрации и ударов. Ниже рассматривается модель,оценивающая колебания проводников и возникающие при этом нагрузки, приводящие к разрушению паяных соединений и разрушению самих проводников. Следует также отметить, что в данной модели не учитываются тепловые процессы, протекающие в элементах изделий. Но данные процессы требуют особого внимания при повышении работоспособностиизделий[7]. Основными способами защиты изделий от механических воздействий, а, следовательно, увеличения долговечности конструкций являются:
виброи удароизолирующая аппаратура амортизация, экранирование, установка прокладок из материалов, отличающихся по своим упругим характеристикам от материалов конструкции и т.д.;
изменение соотношения между спектром собственных частот изделия и диапазоном частот возмущающих воздействий изменение способов крепления, постановка дополнительных опор, ребер жесткости, заливки изделий;
рациональная ориентация элементов конструкции;
введение в конструкцию динамических гасителей колебаний различного вида;
нанесение на элементы конструкции вибропоглащающего покрытия [2].Обеспечениенадежности приборов управления невозможно без оценки критериев надежности и моделирования процессов, приводящих к отказам данных элементов.Критерии качества объекта, испытывающего вибрацию, формулируется в виде величин, характеризующих реакцию объекта или его элементов в данное механическое воздействиенапряжение диссипативные силы, относительная деформация, нормальная и тангенциальная деформации. Прочность конструкции или ее элементов характеризуется максимальным напряжением.Характерным видом разрушения конструкции под воздействием вибрации является усталость, представляющая собой эффект накопления малых повреждений при большом числе циклов переменного напряжения.Результаты испытаний изображают в виде кривых усталости рис. 2, зависимости амплитуды напряжений от числа циклов, приводящих к повреждению. Асимптота соответствующей кривой определяет предел выносливости материала .Разрушение при усталости происходит в результате развития трещин, при этом с повышением напряжения скорость этого процесса быстро нарастает.Закон изменения глубины трещины dпринимают в виде[6]:
где, f
постоянные;
амплитуда напряжения; n–уменьшенное на единицу число циклов изменения напряжения;
величина, определяемая из опытов.
Рис. 2. Кривые усталости.
Наиболее опасным является возможность выхода объекта или его элементов на ограничивающие опоры и возникновение виброударных режимов, характеризующихся систематическим соударением об упоры.При колебании упругих систем происходит рассеяние энергии в окружающую среду. Эти потери вызываются силами неупругого сопротивления –диссипативными силами, на преодоление которых непрерывно и необратимо расходуется энергия колебательной системы или возбудителя колебаний. Для описания диссипативных сил используют характеристики, представляющие зависимость диссипативной силы д.с. от скорости движения масс колебательной системы или от скорости деформации упругого элемента.Большинство зависимостей д.с. можно представить единой нелинейной характеристикой: ,где ,
постоянные.Рассеяние энергии при колебаниях упругодиссипативной системы удобно оценивать с помощью коэффициента поглощения, равного отношению потерянной за цикл энергии к наибольшему значению потенциальной энергии П упругого элемента. При упругой линейной характеристике:,коэффициент поглощения:.Поглощающие свойства большинства материалов не зависят от частоты деформирования, поэтому диссипативные свойства материала характеризуют с помощью коэффициента поглощения или логарифмического декремента колебаний .В задачах о продольных и изгибных колебаниях нормальные напряжения связывают с относительной деформацией :.В задачах о крутильных колебаниях касательные напряжения вычисляют:,где Е–модуль упругости; G–модуль сдвига; –сдвиг; –линеаризованный параметр диссипации.Дифференциальные уравнения продольных, крутильных и изгибных вынужденных колебаний протяженных элементовс учетом диссипации запишутся в следующем виде:;;; где –перемещение сечения;–угол поворота сечения;S–площадь поперечного сечения;I0, Ik–полярный момент инерции сечения и момент инерции при кручении;J–момент инерции относительно центральной оси, перпендикулярной плоскости изгиба;–плотность материала;q(x)–интенсивность распределенной вынуждающей силы.Коэффициент поглощения зависит от амплитуды относительной деформации и является переменной вдоль проводникавеличиной, его заменяют приведенным значением :,где П –максимальная потенциальная энергия деформации, определяемая при известной форме продольных, крутильных и изгибных колебаний соотношениями:;;. Т.о., обеспечение работоспособностимобильных системне возможно без рассмотрения методов обеспечения и повышения качества приборов управления, входящих в их состав. В качестве основных путей повышения и обеспечения качества приборов управления следует выделить следующие направления: моделирование процессов приводящих к отказам приборов управленияи их элементов мобильных комплексов; 2 исследование и разработка конструкторскотехнологических решений и технологий корпусирования приборов управления, обеспечивающих надёжную защиту от механических и агрессивных воздействий возникающих в процессе эксплуатации.
Литература.1.И.Г. Кальман. Метрологическое обеспечение испытаний аппаратуры, приборов и элементов на воздействие внешних факторов. М.: Издво Стандартов, 1980. –52 с. 2.Виброударозащита мехатронных систем В.В. Смогунов, А.В. Ноздрачев, В.Ю. Зайцев и др. Под ред. Н.И. Гордиенко, В.И. Волчихина, Пенза, ПГТУ, 997.–32 с.3.Ткачёв В.Н. Методы повышения долговечности деталей машин. М., Машиностроение, 97. –272 с. 4.Войнов К.Н. Прогнозирование надёжности механических систем. Л.: Машиностроение. Ленинградское отдние, 978. –28 с.5.Проников А.С. Надёжность машин. –М.: Машиностроение, 978. –592 с. 6.Динамический расчет специальных инженерных сооружений и конструкций Справочник проектировщика / Под ред. Б.Г. Коренева, А.Ф. Смирнова. –М.: Стройиздат, 986. –46 с.7.В.Ю.Зайцев. Модели тепловых процессов в электромонтажных соединениях.: "Пензенская государственная технологическая академия"Научно методический журнал, XXIвек: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс, 2013.72с.
Zaitsev Vladimir
Y.candidate of technical SciencesFGBOU VPO "Penza State Technological Academy," PenzaEmail: vluzai@gmail.comBorodinEugene MAssistantFGBOU VPO "Penza State Technological Academy," PenzaEmail: borodin_bor@mail.ru
Methods to ensure performance product instrumentationabstractDiscusses methods of providing health products Instrument
