Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»
Факультет «Вечерний»
Кафедра «Организация и безопасность движения»
Отчет
по практической работе №1
Определение характеристик надёжности элементов автомобиля
по дисциплине «Надёжность работы автомобильных дорог»
Студент группы 5ОБД-91 Ламова А.Ю.
БАРНАУЛ 2012
Цель работы: освоить методы статистической обработки информации об отказах и определить основные характеристики надежности.
. Надежность автомобиля
Автомобиль представляет собой сложную систему, состоящую из множества совместно действующих элементов (агрегатов узлов, деталей, механизмов), обеспечивающих выполнение заданных функций.
В процессе эксплуатации автомобиль взаимодействует с окружающей средой, а его элементы взаимодействуют между собой. Это взаимодействие вызывает трение, нагрев, нагружение деталей и т.д. В результате этого элементы автомобиля изменяют свое первоначальное состояние. Это состояние элементов может измениться настолько, что элемент не будет способен выполнять заданные функции.
В соответствии с этим различают 3 состояния автомобиля или его элемента:
Работоспособное - это состояние автомобиля, при котором он способен выполнять заданные функции с параметрами, значения которых установлены технической документацией.
Работоспособное, но неисправное - это состояние автомобиля, когда он хотя и может выполнять свои основные функции, но не отвечает всем требованиям технической документации. Исправность - состояние изделия, при котором оно соответствует всем требованиям, установленным нормативно- технической документацией.
Отказ - это нарушение работоспособности автомобиля, т.е. состояние, когда он не может выполнять заданные функции, (состояние приподхщсс к прекращению транспортного процесса).
Понятие отказа - это основное понятие при определении надежности автомобили.
Время появления отказов следует рассматривать, как случайную величину, которая в зависимости от условий эксплуатации может принимать различные значения. Поэтому при обработке материалов об отказах, можно использовать теорию вероятностей и математической статистики. С помощью этих теорий можно определить некоторые обобщающие статические характеристики, такие, как: закон распределения случайной величины, вероятность возникновения события, плотность распределения и др.
Необходимость заниматься вопросами получения и обработки информации об отказах, анализом этой информации, разработкой рекомендаций по снижению отказов вызвала появление в начале 20 века новой теории, теории надежности.
Надежность - способность изделия выполнять требуемые функции в заданных условиях в течение заданного периода времени (СТ ИСО 8402-86).
Примечание: Термин "надежность" также используется в качестве показателя надежности, обозначая вероятность безотказной работы или долю не отказавших изделий. В общем виде, термин "надежность" также используется как характеристика надежности, обозначающая вероятность успеха или его степень.
Применительно к автомобильному транспорту, надежность - это способность автомобиля выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах. Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его эксплуатации может включать:
) безотказность, 2) долговечность, 3) ремонтопригодность, 4) сохраняемость, как для объекта, так и для его частей.
Спецификой надежности является то, что она характеризует и позволяет оценить, насколько быстро происходит изменение качества изделия при эксплуатации. По словам Б.В. Гнеденко, надежность - это качество изделия развернутое во времени.
Безотказность- свойство автомобиля непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки
Долговечность - свойство автомобиля сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе,ТО и ремонта. Признаки предельного состояния устанавливаются нормативно-технической документацией на данный автомобиль.
Ремонтопригодность - свойство автомобиля, заключающееся вприспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения его отказов, повреждений и устранение их последствий путем проведения ремонта и ТО.
Сохраняемость - свойство автомобиля сохранять исправное и работоспособное состояние в течение срока хранения и после, а также при транспортировании.
На надежность автомобиля оказывает влияние большое число различных факторов, определяемых условиями проектирования, производства и эксплуатации. Надежность закладывается при проектировании, реализуется при производстве и поддерживается при эксплуатации.
.1 Безотказность
Безотказность - свойство автомобиля непрерывно сохранять работоспособность в течение определенного времени или пробега.
Для оценки безотказности, применяют следующие показатели:
-вероятность безотказной работы,
-средняя наработка до и между отказами,
-а) интенсивность отказов (для не восстанавливаемых изделий), б) параметр потока отказов (для восстанавливаемых изделий).
Вероятность безотказной работы - вероятность того, что в заданном интервале времени (или в пределах заданной наработки) при заданных режимах и условиях работы не произойдет ни одного отказа.
Другими словами, это вероятность того, что данное изделие (автомобиль) будет сохранять свои параметры в заданных пределах в течение определенной наработки при определенных условиях эксплуатации.
Вероятность безотказной работы определяется:
где - число изделий, работоспособных к наработке ;
- число испытываемых (наблюдаемых) изделий;
- общее число отказов за наработку .
Величина, противоположная вероятности безотказной работы, носит название вероятность отказа.
Рисунок 1 - Изменение вероятности отказа Р и безотказной работы R в зависимости от пробега автомобиля.
вероятность отказа - вероятность того, что в заданном интервале наработки произойдет хотя бы один отказ.
Вероятность может принимать следующие значения:
О? Р?1. События для которых Р=1, называются достоверными, а события, для которых Р?0 - маловероятными.
Графическое изображение вероятностей безотказной работы и отказа представлено на рисунке 1.
Рисунок 2 - Изменение плотности вероятности отказав зависимости от пробега автомобиля.
Плотность вероятности отказа - вероятность отказа за малую единицу времени или наработки при работе изделия без замены.
где - число отказов в течение интервала;
- длина 1-го интервала наблюдения.
Графическое изображение плотности вероятности отказа представлено на рисунке 2.. Средняя наработка до и между отказами (средняя наработка на отказ) - среднее значение наработки безотказной работы изделия до отказа или между соседними отказами. С математической точки зрения является математическим ожиданием времени безотказной работы.. а) Интенсивность отказов (для невосстанавливаемых изделий).
Невосстанавливаемыми называются изделия, работоспособность которых в случае возникновения отказа не подлежит восстановлению (Пример: стекла, лампочки и т.д.)
Интенсивность (опасность) отказов - вероятность отказов перемонтируемого изделия в единицу времени или наработки после определенного момента времени или наработки, при условии, что до этого момента отказ не возник. Интенсивность отказов определяется числом отказов в единицу времени, отнесенным к среднему числу элементов, исправно работающих в данный отрезок времени:
где - число отказов в течение интервала ;
- число изделий работоспособных к моменту .
б) Параметр потока отказов (для восстанавливаемых изделий).
Восстанавливаемыми называются изделия, работоспособность которых в случае возникновения отказа подлежит восстановлению методами профилактических операций или ремонта.
Параметр потока отказов - это плотность вероятности возникновения отказа восстанавливаемого изделия, определяемая для данного момента времени или пробега:
где N - число восстанавливаемых объектов, находящихся под наблюдением;
- суммарное число отказов в интервале (в общем случае т.к. восстанавливаемые объекты могут отказать несколько раз без их замены).
Показатели безотказности, полученные по указанным вьппе формулам с использованием статических данных, обеспечивают возможность решения на практике многих задач, связанных с повышением эффективности использования автомобильного транспорта.
. Информация о надежности автомобиля
Сбор и обработку информации о надежности автомобиля проводят с целью получения данных об отказах элементов автомобиля. Сбором информации занимаются: организации-разработчики изделия, предприятия- изготовители изделия, эксплуатационные и ремонтные предприятия.
Организации-разработчики (проектные институты) осуществляют сбор и обработку информации о надежности опытных образцов автомобиля.
Предприятия-изготовители (автомобильные заводы) осуществляют сбор и обработку первичной информации о надежности серийно изготовляемой продукции и анализ причин отказов автомобилей в период гарантийного срока.
Эксплуатационные и ремонтные организации собирают первичную информацию о надежности автомобиля после гарантийного срока эксплуатации.
Сбор и обработку информации о надежности автомобилей проводят в соответствии с требованиями отраслевой нормативно-технической документации.
Программа сбора информации предусматривает проведение постоянных, периодических и разовых наблюдений за автомобилем в эксплуатации.
Сбор информации осуществляется на основании: данных учета отказов по АТП, результатов наблюдения за автомобилем в эксплуатации, применение опросных листов.
Первичная информация о надежности автомобиля включает: данные о месте и условиях эксплуатации, общие сведения об автомобиле (марка, год выпуска, пробег и др.), характеристику отказов (дата отказа, пробег до отказа, причина возникновения отказа и т.д.).
Информация о надежности изделия, должна удовлетворять следующим требованиям:
-полнота информации, под которой понимается наличие всех сведений, необходимых для проведения оценки и анализа надежности;
-достоверность информации, т.е. все сообщения о неисправности, должны быть точными;
-своевременность информации позволяет быстрее устранять причины отказов и принимать меры по устранению выявленных недостатков;
-непрерывность информации позволяет сопоставлять результаты расчетов, полученных в первый и последующий периоды эксплуатации и избавлять от ошибок.
Анализ информации о надежности может быть:
Качественный. Позволяет: установить степень влияния различных отказов на работоспособность автомобиля, выявить конструктивные недостатки, выявить наименее надежные детали, выявить недостатки эксплуатации и ремонта.
Количественный. Позволяет определить фактический уровень надежности автомобиля. Оценка надежности производится с помощью показателей, получаемых по определенным математическим зависимостям.
Обработка информации включает: классификацию и кодирование исходных данных, оценку показателей надежности, классификацию причин отказов, подготовку данных для разработки мероприятий, направленных на выявление недостатков и повышение надежности автомобиля в эксплуатации и др.
Анализируя полученную информацию можно: выявить элементы автомобиля, лимитирующие его надежность; установить причины отказов; дать оценку показателей надежности на основе статистических данных; разработать рекомендации по устранению выявленных недостатков с целью дальнейшего повышения надежности.
Статистическую информацию о надежности автомобилей чаще всего получают с помощью специальных испытаний.
Различают следующие виды испытаний: ресурсные и эксплуатационные.
Ресурсные испытания - испытания опытных или первых серийных образцов,
Длительные эксплуатационные испытания. Цель их - получение достоверных данных об эксплуатационной надежности автомобилей на основе систематических наблюдений.
Ускоренные эксплуатационные испытания предназначены для оперативной оценки и прогнозирования динамики изменения основных эксплуатационных характеристик автомобиля и его механизмов. Ускоренные эксплуатационные испытания базируются, прежде всего на стендовых испытаниях, которые проводят а напряженном режиме испытания агрегатов и механизмов, когда моделируются реальные условия эксплуатации.
3. Характеристики случайных величин
Как известно, общими характеристиками случайных величин, каким является отказ, являются:
Среднее арифметическое значение. Среднее значение определяет такой показатель, как среднюю наработка автомобиля или его элемента до отказа. В технической эксплуатации автомобилей среднее значение используется также для определения средней величины пробега автомобиля до профилактики или ремонта.
Размах. Понятие размаха в теории статистики используется в качестве меры рассеивания случайной величины. В технической эксплуатации используется для определения величины интервала в километрах пробега на котором будут происходить отказы автомобиля или его элементов.
где - максимальное значение пробега при отказе;
- минимальное значение пробега при отказе.
3Среднее квадратическое отклонение является также мерой рассеивания случайной величины. Среднее квадратическое отклонение наработки до отказа определяется:
Коэффициент вариации также характеризует рассеивание случайной величины с учетом средней величины наработки. Коэффициент вариации определяется по формуле:
Различают случайные величины с малой вариацией (V0.33).
В зависимости от о различают и подходы к обработке статистических данных:
а) если V
б) если V>0.33, то применяется методика обработки без переноса начала координат.
Вероятность - одна из важнейших характеристик случайной величины. Вероятность - это численная мера степени объективно существующей возможности появления изучаемого события. Следует различать статистическую и теоретическую вероятности.
Статистическая (эмпирическая) вероятность - это величина, определенная на основе статистических данных полученных при испытаниях.
Теоретическая вероятность - это величина, полученная на основе расчета значений статистической вероятности, но более обобщенная, которая может быть распространена на всю генеральную совокупность исследуемых объектов.
Статистическая вероятность появления отказа (в теории статистики эта величина называется частостью появления отказа) представляет собой отношение числа случаев отказов к общему числу случаев:
где - число отказавших элементов (автомобилей) к моменту наработки .
Событие противоположное вероятности отказа носит название статистической вероятности безотказной работы:
6Плотность вероятности отказа вероятность отказа за малую единицу наработки при работе элемента (автомобиля) без замены:
где - элементарная вероятность, с которой в любой момент времени происходят отказы при работе автомобиля без замены;
- производная от.
7Законы распределения случайной величины. Типов распределения случайных величин довольно много. Многие из них хорошо изучены, обобщены и сформулированы в законы. Каждый закон распределения случайной величины имеет свои характеристики распределения. Определяющим фактором отношения ипа распределения к тому или иному закону является плотность распределения вероятности события.
Отказы автомобилей или его элементов в практике эксплуатации наиболее часто подчиняются следующим основным законам: нормальному, Вейбулла-Гнеденко, логарифмически нормальному, экспоненциальному.
Знание законов распределения отказов позволяет более точно планировать время и трудоемкость работ технического обслуживания и ремонта, определять необходимое количество запасньпе частей и решать другие технологические и организационные вопросы.
Нормальный закон. Он формируется тогда, когда на протекание исследуемого процесса и его результат влияет сравнительно большое число независимых факторов, каждое из которых в отдельности оказывает лишь незначительное действие по сравнению с суммарным влиянием всех остальных.
Нормальный закон довольно часто используется при решении задач технической эксплуатации автомобилей. Так нормальному закону подчиняется периодичность технических обслуживании, нароботка до первого отказа, интенсивность изнашивании, ресурс и другие величины.
Закон распределения Вейбулла-Гнеденко проявляется в модели так называемого "слабого звена". Если система состоит из группы независимых элементов, отказ каждого из которых приводит к отказу всей системы, то вероятность его безотказной работы определяется законом Вейбулла-Гиедеысо.
Примером использования распределения Вейбулла-Гнедепко является распределение ресурса изделий, которые состоят из нескольких элементов, составляющих цепь: ресурс подшипников качения, регулирование тепловых зазоров клапанного механизма и другие.
Логарифмически нормальный закон распределения встречается тогда, когда на протекание исследуемого процесса и его результат влияет сравнительно большое число случайных и взаимонезависимых факторов, интенсивность действия которых зависит от достигнутого случайной величиной состояния.
В технической эксплуатации этот закон встречается при описании процессов усталостных разрушений, коррозии, наработки до ослабления предварительной затяжки крепежных соединений и в ряде других случаев.
Экспоненциальный закон распределения, это закон где вероятность безотказной работы не зависит от того, сколько проработало изделие сначала эксплуатации. Закон не учитывает постепенного изменения параметров технического состояния, а рассматривает так называемые нестареющие элементы и их отказы. Наибольшее распространение экспоненциальный закон получил при описании внезапных отказов, продолжительности ремонтных воздействий и в ряде других случаев.
Кроме перечисленных, в практике технической эксплуатации автомобилей встречаются и другие законы распределения: гамма- распределение, закон Редея, Пуассона и прочие, сведения о которых можно получить из специальной литературы.
. Обработка статистической информации об отказах
Информация об отказах элементов автомобиля, как минимум, содержит две основные величины: наименование отказавшего элемента и величина нароботки, при которой произошел отказ. Дополнительная информация, типа: марка автомобиля, его возраст, характеристика условий эксплуатации и т.д. предназначена для предварительной обработки информации, а именно разделение ее на группы и подгруппы в зависимости от поставленных целей.
Технология обработки основной статистической информации об отказах следующая:
-получение информации об отказах;
-разбивка наработки элемента до отказа на интервалы. Обычно для определения ориентировочного числа интервалов К используется зависимость:
где - количество интервалов;
- объем выборки.
Однако в ГОСТ 11.006-84 рекомендуется число интервалов выбирать в зависимости от объема выборки значительно больше. Так для объема выборки 100 200, где еще допускается применение критерия согласия Пирсона, число интервалов должно быть =15...18. В ряде других источников указывается, что число интерваловвыбирается таким образом, чтобы при постоянном шаге количество наблюдений для любого интервала было не менее 6...8. Допускается снижение минимальной величины объема выборки до 35 (в работе берется 20) Т.к. число наблюдений взято меньше рекомендуемого, то количество интервалов тоже можно взять меньше (в пределах 6...11), ориентируясь на то, чтобы величина интервала была удобной круглой цифрой. При этом может оказаться необходимым округлять в исходной таблице либо минимальный измеренный пробег до ближайшей меньшей величины, либо максимальнозарегистрированный пробег до ближайшей большей величины, либо оба сразу.
-определение числа отказавших элементов в интервалах, среднего значения выборки, среднего квадратического отклонения, коэффициента вариации;
-построение гистограммы зависимости числа отказов от наработки автомобиля;
-определение для каждого интервала значений соответствующих показателей: статистической плотности распределения, статистической вероятности отказа; вероятности безотказной работы;
-построение статистических характеристик распределения (график статистического распределения плотности и вероятности).
Статистическую обработку информации об отказах можно проводить на простых или на специальных микрокалькуляторах выпускаемых для этой цели.
надёжность отказ автомобиль
Расчётное задание по лабораторно-практической работе №1
Вариант 1
Цель: освоить методы статистической обработки информации об отказах.
Задание для расчёта
Дано: в процессе эксплуатации были взяты под наблюдение 20 автомобилей. Наблюдение велось за отказами одного из элементов автомобиля - аккумулятора. Отказы их произошли при следующих пробегах автомобиля (в тыс. км.):6,1; 7,1; 8,6; 8,9; 9,1; 9,5; 9,9; 10,4; 10,5; 10,6; 10,8; 11,3; 11,5; 11,7; 11,9; 12,4; 12,5; 12,7; 13,6; 14,7.
Выполнение работы
Обработку данной информации начинаем с выбора интервала. Выбираем интервал равный 1 тыс. км. Далее рассчитываем показатели надёжности(см. таблица 1).
Таблица 1
Номер интервалаГраницы интервала тыс. км.Середина интервалаЧисло отказов(m)СреднеезначениеСреднее квадратическое отклонениеКоэфициент вариацииСтатистические показатели распределенияПлотность распределения Вероятность отказа 16-76,510,050,0527-87,510,050,138-98,520,10,249-109,530,150,35510-1110,540,20,55611-1211,540,20,75712-1312,530,150,85813-1413,510,050,9914-1514,510,051
Строим гистограмму распределения отказов (см. рисунок 3) и кривые теоретического распределения (см. рисунок4, 5).
Характер гистограммы и кривых теоретического распределения показывает, что их вид соответствует нормальному закону распределения. Соответствие распределения отказов аккумуляторов нормальному закону распределения подтверждается и литературными источниками.
Рисунок 3 - Гистограмма распределения отказов
Рисунок 4 - График статистического распределения
Рисунок 5 - График статистического распределения