Prediction of cyclic durability and risk analysis of inconsistencies in the supporting structures of mobile vehicles

Full Text

Введение

Надежность и безопасность мобильных машин (ММ) в первую очередь определяется их несущей системой, например сборной рамной конструкцией [1−3]. В настоящее время требования ведущих производителей и потребителей техники при проектировании ММ значительно изменились; с одной стороны, вероятность отказов ММ должна быть значительно меньше – с 10^–2 до 10^–5 (т.е. на порядки), с другой – необходимо существенно сокращать сроки проектирования и подготовки производства и себестоимость техники [4, 5]. Риск-ориентированное проектирование [12−14] позволяет при выполнении требований потребителя о малых вероятностях несоответствия как сокращать сроки, затраты при создании новой техники, так и снижать ее себестоимость при тиражировании.

В связи с использованием риск-ориентированного подхода к нормированию и управлению ресурсом техники (ММ и т.д.) необходимо отметить некоторые новые особенности собственно прогнозирования [4−14]. Ими являются:

• прогнозирование потери функций до достижения заданного ресурса (гарантийного пробега и т.д.) на конкретном (в вероятностной постановке) количестве объектов (например, ММ);
• приоритетным является выполнение функций ММ, т.е. вероятность последствий отказа, а не вероятность отказа, например разрушение несущей конструкции;
• переориентация с использования при проектировании основной парадигмы − прогнозирование, экспериментальная оценка надежности для доводки конструкции, на парадигму – прогнозирование, предупреждение и «загон» вероятности появления каждой потенциальной причины отказа до заданного уровня риска еще до изготовления опытного образца.

Цель исследований

Разработка методик прогнозирования циклической долговечности элементов и крепежа сборных несущих конструкций и анализа для достижения приемлемых рисков мобильных машин на этапах риск-ориентированного проектирования.

Материалы и методы

Для методического обеспечения риск-ориентированного проектирования разработаны соответствующие методики и стандарты, позволяющие распространять и применять новые методы конструирования и расчета создателям автомобильной, тракторной, сельскохозяйственной техники, а также погрузочно-транспортного, карьерного и специального машиностроения [15−21].

Для реализации риск-ориентированного проектирования предложено [4−14] развить и дополнить традиционную модель проектирования и прогнозирования циклической долговечности. Концептуальные положения предлагаемой модели:

1. применяемая, например, в технических условиях трехступенчатая классификация параметров продукции, процессов – дефекты «критические», «значительные» и «малозначительные» − заменяется на шкалу баллов «значимость последствий»; в существующую систему обозначений конструкторско-технологической документации в дополнение к номинальному значению и полю допуска характеристики вводятся идентификаторы приоритета [4, 5, 11−14];
2. создаются новые виды конструкторско-технологических документов: перечни приоритизации характеристик продукции/процесса; планы управления рисками продукции/процесса; отчеты по анализу рисков продукции/процесса [4, 5, 11−14].

Предложено в дополнение к существующим этапам проектирования [1−3] для применения риск-ориентированного подхода при выполнении этапов проекта по созданию продукции и подготовке производства реализовывать следующие действия [4−14]:

– установление целей в области качества, надежности и безопасности для продукции и процессов на основе гиперболической зависимости «вероятность – ущерб» – «качество – цена» – «вариация – ущерб» [8−14]; например, вероятность – число несоответствий на миллион, ppm; значимость приоритета риска – баллы; приоритетное число рисков – RPN (при использовании методики анализа рисков [16] FMEA);

– составление (на основе информации от потребителей, изучения нормативных документов – ГОСТ, ТР ТС и т.д., технических документов, достижений науки и техники, опыта предыдущих разработок) для сборочной единицы и деталей: перечней приоритизации характеристик типа продукции (сборочной единицы и деталей), выделяя по группам характеристики, например функциональные, надежность, безопасность, внешний вид и др.; планов управления рисками продукции (сборочной единицы и деталей); отчетов по анализу рисков продукции;

• построение диаграмм причинно-следственных связей отказов и их причин и последствий на основе метода дедукции и индукции: «дерево конструкции»; «дерево функций»; «дерево дефектов/причин», «сдвоенное дерево дедукции – индукции»;
• уточнение перечня приоритизации характеристик деталей, разделяя по группам первопричин отказов: геометрические параметры (например, радиус галтели – зона зарождения повреждения), материал (например, механические свойства) и т.д.;
• уточнение планов управления рисками типа продукции, типа деталей по результатам определения причинно-следственных связей отказов вероятности их возникновения и обнаружения;
• уточнение конструкторской документации путем проставления к параметрам продукции характеристик балла значимости приоритета;
• проведение анализа рисков, например, с помощью методики FMEA, для продукции (сборная конструкция и детали) и составление отчетов [15−21].

Заданный (приемлемый/допустимый) уровень несоответствий выпускаемой продукции определяется возможными потерями для организации в ходе реализации проекта и производства ММ [21] в связи с возвратом несоответствующего количества техники и оценивается вероятностью – количеством несоответствий на миллион – ppm (например, 2000 на 1000000, или 0,2 % выпущенных ММ получит рекламации и/или возникнут экономические последствия для поставщика в том или ином виде) [19, 20].

Заданный уровень рисков (в баллах) по методике FMEA [16] определяется числом RPN и устанавливается организацией исходя из стоимости возможных неблагоприятных экономических последствий и т.д. [19−21] с использованием значения коэффициентов: «С» − значимость последствий, «О» − вероятность возникновения отказа, «D» – вероятность обнаружения при контроле. Произведение коэффициентов определяет конкретную величину риска (метод экспертных оценок) для каждой причины, которая может привести к несоответствию [16].

Результаты и обсуждение

Разработанная [4−14] расчетно-экспериментальная методика прогнозирования надежности (ресурса) по критерию циклической долговечности несущих конструкций и крепежа (заклепок, болтов) ММ включает:

• оценку характеристики сопротивления усталости зон разрушений, лимитирующих долговечность конструкций, полученных на основе иерархии локального моделирования (натурная конструкция, узел, соединение с группой крепежа, соединение с единицей крепежа, локальная опасная зона) усталостного повреждения при учете конструкторско-технологических факторов (шероховатость поверхности, зазоры, хим. состав, микроструктура, остаточные напряжения и т.п.) действующего производства и различной вероятности разрушения [4, 5];
• исследование нагруженности исследуемых зон в условиях, характеризующих эксплуатацию ММ;
• формирование блоков нагружения несущей конструкции ММ, в целом имитирующих воздействие ездового цикла (например, режим форсированных испытаний полигона, испытания на стенде) для заданных условий эксплуатации (см. рис.);
• анализ напряженно-деформированного состояния несущих элементов, внутренних силовых факторов в крепеже по итогам расчета, например методом конечных элементов (МКЭ), на воздействие ездового цикла ММ;
• приведение процессов нагружения типичных зон повреждений с переменным коэффициентом асимметрии цикла нагружения к эквивалентному по повреждению симметричному;
• составление блока нагружения для каждой интересующей зоны повреждения (схематизация случайного процесса нагружения и приведение его к эквивалентному по повреждению регулярному);
• анализ напряженно-деформированного состояния зон повреждения по итогам расчета МКЭ локальных моделей на вид воздействия, приводящего к повреждению, оценка чувствительности конечно-элементной модели и корректировка блока нагружения зоны повреждения;
• анализ напряженно-деформированного состояния зон повреждений несущего элемента по итогам расчета МКЭ остаточных напряжений от сборки (для учета влияния существующего процесса сборки либо создания благоприятного воздействия от сборки на напряженно-деформированное состояние в зоне разрушения) и моделирование действия остаточных напряжений на зону повреждения;
• расчет циклической долговечности по гипотезам суммирования усталостных повреждений (линейной, корректированной и с учетом снижения предела выносливости) с различной вероятностью неразрушения при варьировании технологий изготовления зоны разрушения и моделирования напряжений от упругой сборки и получение данных о среднем значении ресурса и его стандартном отклонении;
• расчет перегрузки крепежа;
• расчетную оценку глобальной и локальной жесткости конструкции «не имеющей» и «имеющей повреждения» и сравнение с критериями предельного состояния – «входными проектными данными»;
• оценку значимости последствий появления несоответствии по функциям – последствий отказа;
• построение сценариев угроз и уязвимостей и поиск причин возникновения последствий для ММ несоответствий путем последовательного построения «дерева конструкции», «дерева дефектов», «дерева отказов/причин»;
• принятие решения о перепроектировании, направленном на устранение причин появления несоответствия.

Рис. Моделирование эксплуатационного нагружения мобильной машины

Следует отметить, что оценка вероятного количества несоответствий проводится, исходя из того, что каждая причина (повреждение элемента системы, зазор между несущими элементами конструкции т.п.) приведет к возникновению отказа в целом ММ. Критерии каждого несоответствия – недостижение ММ заданного среднего ресурса, гарантийной наработки и т.д.

Оценка рисков осуществляется путем сравнения расчетной величины вероятности причины несоответствий (ррm) с базовой [ррm]. При этом оценка вероятности появления несоответствия рассматривается в связи с потенциальным ущербом – значимостью последствий. Для этого используются полученные фактические показатели FMEA – RPN и сравниваются их с допустимой величиной [RPN] [16].

На основании анализа потенциальных затрат и потерь принимается решение о соответствии конструкции требованиям контракта, о необходимости корректировки конструкторской документации (снижение рассеяния характеристик соответствия деталей путем изменения требований к субпоставщикам, резервирование ресурсов на рекламации и т.п.) либо экономической нецелесообразности совершенствования продукции (запланированное снятие продукции с производства и т.п.) [19−21].

Применение разработанных методик проиллюстрируем на примерах повреждений несущих элементов и крепежа несущих конструкций ММ. Например, имеется проектная документация на опытный образец сборочной единицы, при этом восстановление и диагностика в эксплуатации не предусмотрены. В техническом задании нормируются средний ресурс и гарантийный срок эксплуатации. Дополнительными исходные данными при риск-ориентированном проектировании являются: величина потерь (в денежном выражении) для организации-поставщика из-за недостижения соответствия в гарантийный период и заданный ресурс; классификация значимости приоритета (балл) последствий из-за несоответствий на всех уровнях декомпозиции ММ; приемлемый/допустимый показатель рисков FMEA для типа конструктивного исполнения/продукта − [RPN]; значение вероятного количество несоответствий на миллион − [ррm]. Величины параметров, упомянутых в дополнении, могут определяться не только внутренними требованиями организации, но и условиями контракта на поставку.

Объект – рама мобильной машины, состоящая из несущих элементов и крепежных деталей: заданный средний ресурс – 800000 км; гарантийная наработка – 80000 км; критерий отказа – необеспечение функционирования закрепленных на раме узлов и агрегатов в заданных кинематических условиях; причина – разрушение несущих элементов и крепежных деталей; вид воздействия – циклическая нагрузка на ММ от заданных условий эксплуатации (например, приведенная к эквивалентному блоку форсированных испытаний).

Исходя из результатов анализа и планирования организацией назначаются:

• стоимости возврата и гарантийного ремонта одной ММ из-за обнаруженных несоответствий;
• затраты на перепроектирование и дополнительную подготовку производства;
• потери (штрафы и т.д.) на каждую несоответствующую ММ;
• система показателей рисков: значимости последствий несоответствия − «С»; вероятности возникновения причины несоответствия − «О»; вероятности обнаружения при контроле − «D» определенные согласно рекомендациям [16, 19−21];
• показатель [ррm] = 2000;
• объем выпуска в год − 10000 шт. ММ;
• показатель [RPN] = 200.

Для иллюстрации оценки рисков на основе прогнозирования циклической долговечности несущих элементов рамы используем следующие данные о ресурсе [4, 7].

1. Для полки лонжерона рамы (трехосного самосвала) среднее значение циклической долговечности равно 1100000 км при значении среднеквадратического отклонения 184547 км, тогда:

• фактический показатель RPN = 8 ⋅ 8 ⋅ 10 = = 640 > 200, поскольку значимость последствий − «отказ не связан с безопасностью, полная потеря функции продукции», С = 8, O = 8, D = 10;
• фактический ppm = 52000 > 2000, т.е. 5,2 % машин не выработает средний ресурс.

2. Для лонжерона рамы (трехосного самосвала) для зоны стыка усилителей среднее значение циклической долговечности равно 82980 км, при значении среднеквадратического отклонения 14208 км. Показатель рисков RPN = 8 ⋅ 10 ⋅ 10 = 800. 41,7 % ММ не пройдет гарантийный пробег.
3. Определим количество возвратов двухосных тягачей в гарантийный период по показателю «трещина на стенке лонжерона у третьей поперечины». Для показателей С = 7, О = 10, определим для среднего значения циклической долговечности – 91831 км и величины среднеквадратического отклонения – 19647 км вероятность отказа. 27,4 % автомобилей могут быть возвращены из-за отказа по данному показателю в гарантийный период. D = 10, RPN = 700.

Для иллюстрации оценки рисков рассмотрим данные прогнозирования циклической долговечности крепежа, соединяющего несущие элементы рамы – лонжероны, поперечины, надрамники. Для каждой заклепки либо болта, установленных в несущих конструкциях, используем данные оценок предела выносливости соединения по критерию разрушения крепежа с вероятностью не разрушения 0,5, полученные по результатам испытаний при различных видах нагружения [4, 7]. Рассмотрим следующие примеры.

1. Оценим потенциальное количество возвратов трехосных самосвалов по причине разрушения заклепок либо болтов (варианты конструктивного исполнения) для крепления надрамника к раме. Исходим из того, что среднеквадратическое отклонение показателя степени перегрузки крепежа в % не превышает 10 %. Тогда для рассматриваемой заклепки получим, что практически ни одна машина не дойдет до установленного ресурса (меньше 1 ⋅ 10⁶ циклов) без разрушения данной единицы крепежа. Фактический RPN = 7 ⋅ 6 ⋅ 10 = = 420 > 200; то есть практически все 100 % ММ при среднем ресурсе будут иметь разрушенный крепеж.
2. Проведем оценку рисков невыполнения функции соединения лонжерон – поперечина для двухосного седельного тягача по критерию ослабления крепежа. Для полученного значения среднеквадратического отклонения показателя величины затяжки болтов равного 7 % прогнозируется, что около 30 % от всех крепежных деталей разрушатся. Следовательно, показатель рисков RPN = 7 ⋅ 6 ⋅ 10 = 420 > 200, что не соответствует установленным требованиям, а конструкция требует перепроектирования.

Поскольку анализ проекта конструкции показал, что требования невыполнены, необходимо принять решение об экономической целесообразности перепроектирования конструкции, либо с несоответствием можно смириться, поскольку величина потерь из-за недостижения качества несущественна. Указанный алгоритм повторяется до достижения требуемых значений риска, величин [RPN], [ppm] и оптимальных затрат на качество.

Выводы (заключение)

Разработанное методическое обеспечение прогнозирования циклической долговечности и анализа рисков при реализации риск-ориентированного проектирования направлено:

• на устранение основных проблем: неконкурентоспособного уровеня качества продукции и качества производства; низкой эффективности и производительности труда;
• на создание и применение новых технологий проектирования, методик конструирования и подготовки производства для сокращения сроков разработки.

Методы и средства риск-ориентированного подхода при создании ММ широко апробированы [4−14] и применяются в практике автотракторосельхозмашиностроения [15−21].

About the authors

Alexander N. Panov

Author for correspondence.
Email: a.panov@tut.by

PhD in Engineering

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. Simulation of operational loading of a mobile vehicle

Download (438KB)

Indexing metadata