1. Прогнозирование (Презентация)

1. ФГБОУ ВО Орловский ГАУ

Дисциплина:
«Прогнозирование и пути повышения
ресурса с/х техники»
Магистры : Маг (Т-1)
Кафедра: ЭМТП и тракторы
Преподаватель: Рыжов Ю.Н.
2020/2021 учебный год
1

2. Тема: Введение в дисциплину

Изучаемые вопросы:
Вопрос 1. Основные понятия и
определения
Вопрос 2. Понятие ресурса
2

3. Вопрос 1. Основные понятия и определения

Прогнозирование
ресурса – составная часть
теории надежности машин и конструкций.
Под
надежностью
понимают
способность
технического объекта выполнять заданные функции в
течение заданного отрезка времени или заданной
наработки.
В понятие надежности входит ряд свойств объекта:
безотказность,
долговечность,
ремонтопригодность,
сохраняемость.
3

4. Основные понятия и определения

Безотказность
– свойство объекта непрерывно сохранять
работоспособное состояние в течение некоторого времени или
наработки.
Долговечность – свойство о бъекта, заключающееся в его
способности недостигать предельного состояния в течение
некоторого времени при установленной системе технического
обслуживания и ремонта.
Сохраняемость – свойство объекта сохранять в заданных
пределах значения параметров, характеризующих способности
объектов выполнять требуемыефункции в течение и после
хранения или транспортирования.
Ремонтопригодность – свойство объекта в приспособленности к
поддержанию и восстановлению работоспособного
путем технического обслуживания и ремонта.
состояния
4

5. Основные понятия и определения

Технический
ресурс
–
величина,
характеризующая
запас
возможной
суммарной наработки объекта от начала
его эксплуатации или ее возобновления
после ремонта до перехода в предельное
состояние.
Срок службы – календарная
продолжительность эксплуатации объекта
до его перехода в предельное состояние,
измеряемая в единицах времени.
5

6. Основные понятия и определения

Отказ – событие, которое заключается в
нарушении работоспособного состояния объекта.
Повреждение – событие, заключающееся в
нарушении исправного состояния объекта, при
этом его работоспособное состояние может
сохраняться.
Предельное состояние – состояние объекта,
при котором его дальнейшая эксплуатация
недопустима или нецелесообразна либо
восстановление его работоспособного состояния
невозможно или нецелесообразно.
6

7. Основные понятия и определения

Классификация отказов:
по характеру проявления – внезапные и
постепенные;
по стадиям эксплуатации объекта –
приработочные и деградационные;
по причинам возникновения – конструктивные,
производственные и эксплуатационные;
г.) по последствиям – критические и некритические
(существенные и несущественные).
7

8. Основные понятия теории надежности

Вероятность безотказной работы –
вероятность Р(t) того, что на заданном
участке наработки (времени) отказ не
возникает.
Простейшие задачи теории надежности:
Различают: последовательное,
параллельное и смешанное соединение
элементов системы или отдельного
объекта.
8

9. Соединение элементов системы

9

10. Элементарные модели отказов:

В зависимости от множества состояний
объекта различают модели с дискретным
временем и модели с непрерывным
временем.
В зависимости от размерности
пространства различают одномерные, двумерные и т.д. модели.
В зависимости от предистории нагружения
различают марковские модели и
кумулятивные модели.
10

11. Классификация отказов:

К некритическим отказам относят отказы, не
приводящие к длительным или опасным перебоям
в работе объекта. Это отказы второстепенных и
относительно легко восстанавливаемых
(заменяемых объектов).
Критические отказы – это отказы, приводящие к
авариям и возникающие вследствие
неблагоприятного сочетания нагрузок и
воздействий, стихийных явлений.
Ресурсные отказы – это отказы, лимитирующие
ресурс объекта в целом при нормальных условиях
эксплуатации и нормальных условиях окр. среды
11

12. Модели накопления повреждений:

Выработка ресурса, как правило, связана
главным
образом
с
накоплением
необратимых повреждений в деталях
машин и конструкций.
Происхождение повреждений может
носить различный характер.
Различают повреждения механического
происхождения, физико-химического
происхождения и смешанного характера.
12

13. Основные виды отказов:

Поломки деталей из-за интенсивных нагрузок,
превышающих несущую способность;
Процессы накопления повреждений в материале элементов,
приводящих в конечном итоге к разрушению;
Пластические или недопустимые и необратимые изменения
в деталях, препятствующие функционированию аппаратуры;
Интенсивный рост технологических дефектов в конструкциях
и оборудовании, подвергшимся сложным процессам
обработки, в частности увеличение трещиноватости
материала и т.д.
Воздействие вибраций на параметры и сигналы
электрических трактов, вызывающие сбои, отказы и ошибки
функционирования аппаратуры.
13

14.

14

15. Построение полуэмпирических моделей по данным ресурсных испытаний

Общий метод построения моделей, учитывающий
статистический разброс, состоит в следующем:
на основании кривых регрессии подбирается
аналитическая зависимость между характеристиками
нагружения и характеристиками ресурса;
на основе результатов статистической обработки
базовых ресурсных испытаний проводится выбор
подходящих аналитических выражений для функций
распределения случайных параметров.
15

16. Классическая (многоцикловая) усталость

Усталость – наиболее частая причина
отказов и предельных состояний
напряженных деталей машин.
К многоцикловой усталости относится
разрушение, наступающее при числе
циклов нагружения, превышающем
значение 50 000 .
16

17. Механическое изнашивание

Изнашивание деталей, узлов и сопряжений – одна из
основных причин исчерпания ресурса.
L=(C/P) (в степени m)
где L - ресурс подшипника;
P - расчетная нагрузка на подшипник;
C - динамическая грузоподъемность
подшипника.
m- эмпирические постоянные.
Для шарикоподшипников принимают m=3;
для подшипников с линейным контактом m=10/3
17

18. Элементы механики разрушения

Механикой разрушения обычно
называют механику тел содержащих
трещины.
Особое внимание уделяют
установлению условий устойчивости
трещин в упругих, упругопластических и
вязкоупругих материалах.
18

19. Виды механики разрушения

Обычно различают три вида разрушений:
1 отрыва
2 продольного сдвига
3 поперечного сдвига.
19

20. Вопрос 2. Понятие ресурса

Технический ресурс — величина, характеризующая
запас возможной наработки объекта.
Согласно ГОСТ 27.002–89 ресурсом называют суммарную
наработку объекта от начала его эксплуатации или ее
возобновления после ремонта доперехода в предельное
состояние.
Единицы для измерения ресурса выбирают
применительно к каждой отрасли и к каждому классу
машин, агрегатов и конструкций отдельно. С точки зрения
теории и общей методологии наилучшей и универсальной
единицей остается единица времени.
20

21. Время – единица измерения ресурса

Во-первых, время эксплуатации технического
объекта в общем случае включает не только
время его полезного функционирования, но и
перерывы, в течение которых суммарная
наработка не возрастает. Между тем в эти
перерывы объект подвергается воздействиям
окружающей среды, нагрузкам, возникающим при
транспортировании, и т. д.
Кроме того, во время перерывов в функционировании
свойства материалов могут изменяться. Так, процесс
старения материалов вызывает уменьшение общего
ресурса.
21

22. Время – единица измерения ресурса

Во-вторых, ресурс тесно связан со сроком службы,
определяемым как календарная
продолжительность эксплуатации объекта до его
перехода в предельное состояние и измеряемым
в единицах времени.
Срок службы до списания объекта (плановый,
нормативный срок службы) в значительной степени
связан с темпами научно-технического прогресса в
данной отрасли.
Применение экономико-математических моделей для
нормирования ресурса требует измерения ресурса не
только в единицах наработки, но и в единицах
времени.
22

23. Время – единица измерения ресурса

В-третьих, в задачах прогнозирования остаточного
ресурса функционирование объекта в течение
прогнозируемого отрезка времени представляет
собой случайный процесс, аргументом которого
служит время.
Таким образом, наработка приобретает здесь смысл
случайной функции времени
23

24. Время наступления предельного состояния

Переход объекта в предельное состояние
влечет за собой временное или окончательное
прекращение его эксплуатации.
В одних случаях причиной прекращения эксплуатации
является моральный износ,
в других – чрезмерное снижение эффективности, в
результате которого дальнейшая эксплуатация
объекта становится экономически нецелесообразной,
в третьих – снижение показателей безопасности ниже
предельно допустимого уровня.
24

25. Нормативный ресурс и нормативный срок службы

Выбор этих показателей – технико-экономическая
задача, решаемая на этапе разработки
проектного задания.
При этом учитывают современное техническое
состояние, мировой уровень и темпы научнотехнического прогресса в данной отрасли,
принятые в данное время нормативные значения
показателей экономической эффективности,
ограничения на стоимость материалов, элементов
и комплектующих изделий, а также на сроки их
поставки, плановые задания, техникоэкономические прогнозы на перспективу и т.д.
25

26. Нормативный ресурс

Нормативный ресурс задают определенным
числом, соответствующим некоторой вероятности,
с которой ресурс должен быть реализован в
проектируемом объекте.
Обычно используют понятие гаммапроцентного
ресурса – значение ресурса, обеспеченное с
заданной вероятностью .
Часто употребляют также понятия среднего
ресурса и среднего срока службы. На стадии
проектирования этипонятия означают
математические ожидания соответственно
ресурса и срока службы.
26

27. Нормативный ресурс

Задача конструкторов, расчетчиков и разработчиков –
подобрать материалы, конструктивные формы,
размеры и технологические процессы,
обеспечивающие нормативные значения показателей
для проектируемого объекта.
Нормативный ресурс задают определенным
числом, соответствующим некоторой вероятности,
с которой ресурс должен быть реализован в
проектируемом объекте.
27

28. Индивидуальный остаточный ресурс

Индивидуальный остаточный ресурс –
продолжительностьэксплуатации от
данного момента времени до
достижения предельного состояния.
Понятие индивидуального ресурса до ближайшего
промежуточного (текущего) или капитального
ремонта. Аналогично вводят индивидуальные
сроки для других профилактических мероприятий
28

29. Экономическое значение ресурса

Ресурс технических объектов (машин, систем
машин, приборов, инструментов, конструкций и
сооружений) является важной
техникоэкономической характеристикой.
Фактический ресурс должен быть согласован с
оптимальными значениями срока службы.
При современном состоянии науки и техники
возможно значительное повышение ресурса
машин (до значений, соответствующих их
моральному износу).
29

30. Источники повышения ресурса

Правильный выбор материалов и корректный
расчет – основные источники повышения ресурса
без значительного удорожания машины или
конструкции.
Поскольку прогнозирование ресурса включает
установление зависимости его от всех внешних и
внутренних факторов, разработку методов прогно
зирования следует рассматривать как одну из
неотъемлемых частей общей проблемы ресурса.
30

31. Прогнозирование ресурса на стадии эксплуатации

В отличие от стадии проектирования, когда
прогнозу подлежит ресурс генеральной
совокупности еще не созданных
технических объектов, прогнозирование на
стадии эксплуатации выполняют для
конкретных, существующих объектов.
При этом оценке подлежат остаточный
ресурс и (или) остаточный срок службы
31

32. Прогнозирование индивидуального ресурса

Открывает дополнительные пути для получения
экономического эффекта
Прогнозирование индивидуального ресурса не
только позволяет предупреждать возможные
отказы и непредвиденные достижения
предельных состояний, но и более правильно
планировать режимы эксплуатации,
профилактические мероприяти я и снабжение
запасными частями.
Ведет к увеличению среднего ресурса машин
Открывает путь для обоснованного выбора
оптимального срока эксплуатации.
32

33. Прогнозирование индивидуального ресурса

В ряде случаев рентабельная эксплуатация может
быть продолжена в условиях снижения нагрузок,
поэтому можно рассматривать прогнозирование
индивидуального остаточного ресурса как систему
управления процессом эксплуатации и
технического обслуживания.
33

34. Прогнозирование ресурса и механика разрушения

Если исключить из рассмотрения выходы из строя
машин и конструкций вследствие резких не
расчетных перегрузок, природных воздействий, не
поддающихся контролю, грубых ошибок при
проектировании или эксплуатации или
неблагоприятного сочетания перечисленных
факторов,
то остальные случаи наступления предельных
состояний можно отнести преимущественно к одной
из двух больших групп.
34

35. Прогнозирование ресурса и механика разрушения

Первую группу образуют предельные состояния,
наступившие в результате постепенного
накопления в материале рассеянных
повреждений, приводящих к зарождению и
развитию макроскопических трещин.
Вторую группу составляют предельные состояния,
связанные с чрезмерным износом трущихся
деталей и поверхностей, находящихся в контакте
с рабочей или окружающей средой.
35

36. Прогнозирование ресурса и механика разрушения

Классический пример напряженных объектов –
сосуды давления.
Эти объекты эксплуатируются почти во всех областях
техники, в частности, в энергетике, на транспорте, в
химической и нефтегазовой промышленности.
Сосуды давления обычно рассчитывают на большие
сроки службы.
Разрушение или повреждение как результат раз
вития трещин – типичная форма предельного
состояния сосудов давления.
36

37. Причины развития трещин

37

38. Пример характера отказов для сосудов давления

38

39. Механика разрушения

Теоретической основой для прогнозирования
ресурса в условиях накопления повреждений и развития трещин служит механика разрушения.
Во-первых, длительное времени экспериментаторам
не удавалось систематизировать обобщить
результаты испытаний материалов и конструкций
при различных силовых, тепловых и прочих
воздействиях. Появилась необходимость иметь
более прочную теоретическую основу для описания
механизмов разрушения, чем инженерные критерии
прочности.
Во-вторых, повысился технический уровень
наблюдений за объектами в процессе эксплуатации,
а также за объектами, пришедшими в аварийное
состояние.
39

40. Подходы к теории в науке механики разрушения

Различают два подхода к построению теорий в
естественных и прикладных науках – полуэмпирический
(феноменологический) и структурный.
Первый подход основан на обобщении результатов
наблюдений и экспериментов и не ставит целью
объяснение или полное описание существа явлений.
Структурный подход состоит в разработке моделей,
которые позволяют описать и объяснить явления
исходя из внутренней структуры рассматриваемых
объектов.
Эти подходы тесно связаны между собой.
40

41.

41

42. Тема: Прогнозирование ресурса конструкций машин

Изучаемые вопросы:
Необходимость инженерного прогнозирования.
Базовая информация для прогнозирования.
Парадоксы научно-технической революции.
42

43. Необходимость инженерного прогнозирования

Развитие всех отраслей экономики любой страны во
многом зависит от технического уровня используемых
машин.
Каждая внедряемая в эксплуатацию машина должна
превосходить по своим показателям качества, техникоэкономическим характеристикам лучшие мировые
образцы и ранее используемые в народном хозяйстве
аналогичного класса машины. Поэтому разработка
современных конструкций машин является важной
задачей любых промышленно развитых стран
Обеспечение машинами народного хозяйства требует
выполнения большого объема проектных, научных и
технических разработок в области подготовки и
освоения производства.
43

44. Необходимость инженерного прогнозирования

В процесс создания новой конструкции машины
входят:
1) прогнозирование;
2) проектирование (разработка конструкторской
документации);
3) подготовка производства (по конструкторской
документации);
4) освоение производства.
Прогнозирование в области создания новых
конструкций машин приобретает все большую
значимость и охватывает широкий круг научных и
технических направлений.
44

45. Необходимость инженерного прогнозирования

Значение прогнозирования повышается в случае
относительно частого изменения требований,
предъявляемых к конструкции машин.
Одним из основных положений научного
прогнозирования является то, что утверждение о
вероятности совершения события делают на основании
анализа событий, которые уже совершились.
В условиях огромных потоков информации, имеющей
как специальное, так и общетехническое направление,
оказываются недостаточными личный опыт инженера и
традиционные методы предвидения развития
конструкций в будущем.
45

46. Необходимость инженерного прогнозирования

Научное обоснование предвидения развития техники,
а также технологии получения новых материалов
позволяет осуществить инженерное
прогнозирование.
Под инженерным прогнозированием понимают
научно-обоснованную информацию, выражающую
вероятность потенциально возможного развития
техники. Вопросы экономики входят в содержание
прогнозирования как составная часть.
Инженерное прогнозирование создает базу для
экономических прогнозов.
46

47. Необходимость инженерного прогнозирования

Эффективность инженерного прогнозирования перед
началом проектирования машин весьма значительна, и
расходы на его выполнение вполне окупаются.
Сложность разработки методов инженерного
прогнозирования объясняется тем, что:
во-первых, недостаточен объем исходной информации
и зачастую отсутствуют количественные данные, по
которым можно оценить возможные варианты
конструктивных решений;
во-вторых, необходимость учета большого числа
параметров и связей между ними даже в относительно
простом проекте затрудняет его оценку, так как
невозможно или весьма трудно дать обобщенную
оценку конструкции по разным критериям.
Все это указывает на необходимость соответствующей
подготовки исходной информации.
47

48. Необходимость инженерного прогнозирования

Основу инженерного прогнозирования составляют три
фактора, которые определяют:
1) значимость новых открытий и изобретений;
2) цель и техническая стратегия;
3) перспективный уровень развития конструкций
машин.
Первые два фактора используют для краткосрочного
(3 - 5 лет) и среднесрочного прогнозирования
(5 - 10 лет), а последний – преимущественно для
долгосрочного прогнозирования (10 – 20 лет).
48

49. Базовая информация для прогнозирования

В общем случае прогнозирование конструкций машин
включает рассмотрение следующего перечня базовой
информации:
1) функциональное назначение;
2) основные технические и экономические параметры;
3) новые материалы и виды заготовок;
4) новые технологические процессы, оборудование и
технологическая оснастка;
5) новые формы и методы организации и управления
производством;
6) потребность машин и предполагаемая численность
их изготовления;
7) строительство нового или реконструкция
действующего предприятия;
8) народнохозяйственная эффективность от создания
новой конструкции машины.
49

50. Базовая информация для прогнозирования

Прогнозировать можно и отдельные параметры
машины, например, массу. Для этого, в частности,
анализируют аналогичные конструкции и
устанавливают математическую зависимость массы от
основных параметров машины. При этом учитывают
влияние на массу повышение конструктивной
сложности отдельных сборочных единиц, а также
коэффициент прогрессивного снижения массы
конструкции совершенствованием методов расчета и
конструирования, применения прогрессивных
материалов, заготовок и т.д.
50

51. Парадоксы научно-технической революции

При прогнозировании развития технических объектов
следует учитывать противоречия, присущие развитию
научно-технической революции (НТР).
Наиболее значимыми являются следующие «парадоксы
НТР»:
1) парадокс краткоживущей эффективности новой
техники;
2) парадокс приоритета малоэффективных
легковнедряемых решений;
3) парадокс опережающей стоимости;
4) парадокс силового нажима.
Опыт развития техники свидетельствует, что до 80-х
годов прошлого столетия время, которое требовалось
для смены поколений действующих технических
решений (технических объектов), сокращалось
примерно вдвое каждые 20 лет.
51

52. Парадоксы научно-технической революции

К началу 90-х годов прошлого столетия
время, которое требовалось для смены
поколений действующих технических
решений, составляло 7 – 9 лет.
Сам по себе такой временной показатель
смены поколений действующих технических
не должен бы вызывать особого
беспокойства. Но дело в том, что он
приблизился к показателю времени
разработки новой техники, который,
например, в бывшем СССР, в среднем
составлял 4 -6 лет.
Это значит, что новая техническая разработка
на ¾ стареет морально уже за время своего
создания!
Естественно, что такая техника после
освоения остается эффективной очень
недолго.
Положение усугубляется еще и тем, что
52

53. Парадоксы научно-технической революции

⃞
⃞
⃞
Парадоксы научно-технической
революции
Парадокс опережающей стоимости заключается в том, что
капиталоемкость, а значить, и стоимость создаваемых в
последние два-три десятилетия новых технических систем и
технологических комплексов, начиная от отдельных станков
и кончая объектами в целом, росли быстрее, чем их
эффективность.
Например, в конце 80-х, начале 90-годов прошлого столетия
для отечественных металлорежущих станков было
характерно такое соотношение: прирост производительности
новых моделей станков всего на
15 % сопровождался ростом цен на них на 220 – 250 %.
Парадокс силового нажима проявляется в том, что
совершенствование техники и технологии планируется лишь
сверху и осуществляется не столько за счет поиска новых
идей и внедрения прогрессивных решений, сколько путем
простого наращивания мощностей и роста потребления
сырья, энергии, дорогих материалов.
53

54. Парадоксы научно-технической революции

Исследованиями установлено, что теоретические
основы создания машин и тенденции развития
принципов действия этих машин сохраняются
в среднем в течение 10 – 15 лет.
Поэтому, при обосновании необходимости создания
машин оптимальным сроком прогноза является период
в среднем до 15 лет. Достоверность прогнозов,
сделанных на более длительный срок, заметно
снижается.
Современной наукой выдвинуто принципиально новое
требование: создавать качественно новые образцы
техники и новые технологии, обладающие
долгоживущей (порядка 20 – 30 лет) эффективностью,
особенно для перерабатывающих и других отраслей
тяжелой промышленности с их дорогостоящим
производством.
54

55. Парадоксы научно-технической революции

Относительно быстро сменяющиеся технологические
системы отраслей приборостроения, бытовой
электроники, легкой промышленности должны
базироваться на решениях, дающих возможность
гибкой перестройки технологии в соответствии с
изменяющимися требованиями потребителя и
производства.
Реализация указанных требований невозможна без
значимых крупных изобретений и открытий. А их
количество зависит от качества творческого процесса.
На качество прогнозирования влияют ошибки,
допущенные при проектировании и изготовлении
новой техники.
Цена ошибок, допущенных на стадиях «исследование –
проектирование – изготовление», неодинакова.
55

56. Парадоксы научно-технической революции

Если на первой стадии – стадии «исследования» стоимость выявления и устранения ошибки условно
равна единице то на последующих стадиях она резко,
на порядок, возрастает.
Правда, при нормальной организации работы 75 %
исправлений вносится уже в процессе исследований,
а 13 % - при конструировании.
То есть всегда остается в среднем 12 % ошибок.
Даже если такие ошибки находят, то на их устранение
на поздних этапах испытания и доводки нужно
затратить около 50 % времени и стоимости всех работ
по созданию изделия.
Отмечено, что около 60 % всех рационализаторских
предложений не что иное, как устранение недоделок и
ошибок ученых, конструкторов, проектировщиков и
технологов.
56

57. Парадоксы научно-технической революции

Ситуация осложняется тем, что количество образцов
новой техники удваивается каждые 15 лет, а сложность
их – каждые 10 лет.
Более быстрый рост объемов творческого труда
инженеров по сравнению с ростом производительности
их труда существенно обостряет проблему повышения
уровня и качества научно-технических разработок.
Современные методы прогнозирования имеют
следующие недостатки:
1) недостаток воображения («чутья»), не позволяющий
определить будущую полезность открытий,
изобретений, исследований и разработок, что приводит
к крайней пессимистичности прогнозов;
57

58. Парадоксы научно-технической революции

2) переоценка возможностей, основанная на
уверенности, что все теоретически возможное будет
осуществлено на практике. Это приводит к к крайней
оптимистичности прогнозов;
3) чрезмерная опора экспертам;
4) неточность технических расчетов, на которых
базируются прогнозы;
5) невозможность предвидеть все будущие открытия.
Несмотря на все имеющиеся недостатки, в пределах
практических потребностей используемые методы
позволяют правильно, с перспективой решать многие
технические проблемы.
58

59. Парадоксы научно-технической революции

В практике необходимость создания машин часто
определяется прогнозами задолго до возникновения
действительной потребности в них.
Разработка проектов машин должна опережать события
настолько, чтобы можно было начать выпуск машин в
металле сразу при возникновении реальной
потребности в них и практической возможности
эксплуатации.
В инженерном прогнозировании используют
теоретические и экспериментальные средства анализа и
синтеза.
Наиболее широко в технике используют следующие
методы прогнозирования: экстраполяции, экспертных
оценок, моделирования.
59