Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор методов оценки надежности технических систем 10
1.1. Анализ проблемы оценки надежности технических систем на этапе проектирования 10
1.2. Порядок проведения расчета на надежность технических систем 21
1.3. Анализ классических методов расчета надежности технических систем 26
1.4. Причины неэффективности существующих методов анализа надежности 36
Выводы по главе 1 41
ГЛАВА 2. Совершенствование метода «анализ видов, последствий и критичности отказов» (авпко) в части определения критичности отказов 42
2.1. Расчет критичности отказов методом АВПКО 42
2.2. Недостатки процедуры проведения АВПКО, снижающие точность итоговой оценки надежности 48
2.3. Разработка способов для определения балльной оценки вероятности возникновения отказа (В1i) 52
2.4. Разработка инструмента для определения балльной оценки тяжести последствий отказов (В2i) 63
2.5. Последовательность расчета критичности отказов 68
Выводы по главе 2 70
ГЛАВА 3. Разработка методики расчета риска от принятия неправильных решений производителями по результатам анализа надежности на этапе проектирования 71
3.1. Установление зависимости точности и достоверности оценки критичности от полноты используемой модели 74
3.2. Методика расчета риска от принятия производителями неверных решений по результатам анализа надежности 79
3.3. Пример расчета риска от принятия неверных решений производителями по
результатам анализа надежности 85
Выводы по главе 3 93
ГЛАВА 4. Апробация разработанной методики расчета показателей надежности на этапе проектирования на примере технической системы «электропривод – запорная арматура» (ТС «ЭП – ЗА») 94
4.1. Основные сведения о технической системе «ЭП – ЗА», необходимые для проведения анализа надежности 95
4.2. Определение номенклатуры отказов ТС «ЭП – ЗА» 101
4.3. Подготовительный этап для оценки критичности отказов 107
4.4. Расчет критичности отказов методом АВПКО ТС «ЭП – ЗА» с применением предложенных усовершенствований 113
Выводы по главе 4 118
Основные результаты и выводы по работе 119
Библиографический список
- Анализ классических методов расчета надежности технических систем
- Разработка способов для определения балльной оценки вероятности возникновения отказа (В1i)
- Методика расчета риска от принятия производителями неверных решений по результатам анализа надежности
- Подготовительный этап для оценки критичности отказов
Введение к работе
Актуальность. Одними из важных показателей, определяющих качество продукта, являются показатели надежности. Оценка надежности проводится на разных этапах жизненного цикла и является обязательным условием государственной и международной сертификации продукции. Особую значимость оценка имеет на этапе проектирования, когда задаются количественные параметры, качественные характеристики разрабатываемого продукта и проводится проверка эффективности управленческих и технических решений, направленных на доработку конструкции, технологии изготовления, системы технического обслуживания и т.д.
На этапе проектирования широкое распространение получили экспертные методы оценки надежности. Результаты экспертной оценки используются для выработки рациональных управленческих и технических решений, и по аналогии с техническими измерениями качество таких результатов должно определяться их точностью и достоверностью. Точность отражает близость результатов к истинному значению измеряемого параметра. Достоверность характеризует степень доверия к результатам измерений, выраженную доверительной вероятностью.
Анализ стандартов, регламентирующих методики проведения экспертных оценок надежности методом АВПКО – «Анализ видов, последствий и критичности отказов» или FMEСA в англоязычной формулировке, позволяет утверждать, что результаты оценки надежности в формах, рекомендуемых стандартами, являются точечными. Такие оценки не несут в себе информации ни о точности, ни о достоверности, наличие которой можно обеспечить только использованием интервальной оценки.
Отсутствие требований в стандартах к качеству результатов оценки надежности снижает эффективность используемых методов. Особенно остро данная проблема прослеживается при оценке технических систем, где ввиду многообразия возможных вариаций техническая совместимость элементов в системе на этапе проектирования обеспечивается по нормированным показателям надежности, прописанным в технической документации, что не позволяет учитывать ряд причин, определяемых системными свойствами, рассматривая возможные отказы как независимые события. Указанный подход снижает точность и достоверность результатов оценки, увеличивая риск производителей принять необоснованное или неправильное решение по улучшению конструкции, совершенствованию технологий изготовления и методов контроля.
Таким образом, актуальными являются исследования, направленные на совершенствование методов оценки надежности продукции на этапе проектирования путем перехода от точечных к интервальным результатам оценки и установление риска производителя, принимающего на основе результатов анализа управленческие и технические решения, с учетом видов технической совместимости элементов системы, влияющих на качественные характеристики результатов оценки.
Степень разработанности темы. Проблемой оценки надежности технических систем на этапе проектирования занимались такие отечественные уче-
ные как А. М. Половко, С. В. Гуров, Л. Н. Александровская, В. Г. Матвеевский, И. А. Ушаков, В. Ю. Шишмарев, В. А. Острейковский, Р. А. Шубин, В. В. Костерев, и многие другие. Методики определения показателей надежности технических систем представлены в работах А. В. Саливоник, В. В. Гориной, В. С. Виноградова. Среди научных работ, направленных на повышение качества процедуры анализа видов, последствий и критичности отказов, можно выделить две основные группы. Первая (работы Ар. А. Муха, В. А. Барвинок, А.В. Торгашова) направлена на автоматизацию процедуры проведения анализа, что позволяет сократить время и трудоемкость, повышая оперативность получения оценки. Вторая группа (работы В. П. Самохвалова, Д. А. Борисовой) направлена на оптимизацию процедуры сбора априорной информации.
Существуют также классические методы анализа надежности: прогнозирование интенсивности отказов, анализ структурной схемы надежности, марковский анализ, анализ дерева неисправностей, метод анализа опасности и работоспособности (HAZOP), анализ видов последствий и критичности отказов (АВПКО) и т.д. Общим недостатком рассмотренных методик и методов является отсутствие информации о качестве результатов оценки надежности, что снижает их эффективность.
Цель работы – повышение точности и достоверности оценки надежности технических систем на этапе проектирования.
Объект исследования. Процесс анализа видов, последствий и критичности отказов технических систем на этапе проектирования.
Предмет исследования. Взаимосвязи между критичностью отказов и риском производителя со структурой технической системы и экспертными оценками надежности её элементов.
Задачи исследования
-
Провести анализ существующих методов оценки надежности технических систем на этапе проектирования и установить причины снижения их точности и достоверности.
-
Определить основные направления совершенствования методов оценки надежности технических систем на этапе проектирования.
-
Разработать методику, направленную на совершенствование существующих методов анализа надежности технических систем, на основе перехода от точечных оценок показателей надежности к интервальным оценкам.
-
Разработать методику установления риска производителя, принимающего на основе анализа управленческие и технические решения.
-
Провести апробацию результатов исследования и обобщить полученные результаты.
Методы исследования, обоснованность и достоверность
При выполнении работы использовались методы управления качеством, теории надежности, теории вероятности, теории технических систем, элементы теории графов. Обоснованность данных методов подтверждена их неоднократным использованием в различных научных исследованиях. Достоверность результатов и выводов работы подтверждена корректностью использования из-
вестных методов управления качеством, теории надежности, теории вероятности, теории технических систем, теории графов, допущений, принимаемых при математическом моделировании, а также публикациями в рецензируемых научных изданиях и широким обсуждением основных положений и выводов исследования в рамках международных научно-технических конференций.
Область исследований. Содержание диссертации соответствует п. 3 «Методы стандартизации и менеджмента (контроль, управление, обеспечение, повышение, планирование) качества объектов и услуг на различных стадиях жизненного цикла продукции паспорта научной специальности», п. 4 «Квалиметрические методы оценки качества объектов, стандартизации и процессов управления качеством» Паспорта научной специальности 05.02.23 «Стандартизация и управление качеством продукции».
Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что впервые предложено интервальное оценивание показателей надежности технических систем для этапа проектирования на основе выявленной взаимосвязи между точностью и достоверностью результатов оценки, а также видами технической совместимости, определяющими риск потенциального производителя от принятых неверных управленческих и технических решений.
Теоретическая значимость работы заключается в обеспечении возможности управления рисками потенциальных производителей на этапе проектирования технических систем.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Методика выполнения анализа видов, последствий и критичности отказов, обеспечивающая повышение точности и достоверности оценки (расчета) критичности отказов на основе обоснованного снижения дисперсий экспертных оценок вероятности возникновения отказов за время эксплуатации системы, их последствий и вероятности их обнаружения до поставки изделия потребителю.
-
Инструмент, позволяющий использовать информацию о виде логических связей («и»/«или») между компонентами системы и о наличии в системе отказов по общей причине, для ранжирования тяжести последствий отказов вне зависимости от конкретного вида и структуры дерева неисправностей.
-
Методика установления риска производителей, использующих результаты оценки для принятия управленческих и технических решений, направленных на повышение качества продукции с учетом основных видов технической совместимости.
-
Результаты апробации разработанных методик и инструмента.
Практическая значимость работы
Разработаны методики и рекомендации по модернизации процедуры оценки надежности методом «Анализ видов, последствий и критичности отказов», позволяющие перейти от точечных оценок критичности отказов к интервальным оценкам, оптимизировать работу экспертной группы и при необходимости увеличить число экспертов, повышая точность оценки, проводить анализ технических систем до требуемого уровня дерева неисправностей при ограниченном массиве статистической информации путем использования установленных математических зависимостей и разработанного инструмента – блок-схемы
принятия решений, провести оценку риска производителя от принятия необоснованных или неправильных управленческих и технических решений с учетом основных видов технической совместимости.
Разработанные методики, способы и инструмент приняты к внедрению на предприятии АО «Тяжпромарматура» г. Алексин и используются в учебном процессе ФГБОУ ВО «Тульский государственный университет» при подготовке бакалавров по направлению «Стандартизация и метрология» и магистров по направлению «Управление качеством».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на VI Молодежной научно-практической конференции Тульского государственного университета «Молодежные инновации» (г. Тула, 2012 г.); VII Магистерской научно-технической конференции (г. Тула,
-
г.); VII Региональной молодежной научно-практической конференции Тульского государственного университета «Молодежные инновации» (г. Тула,
-
г.); 3-й Международной научно-практической конференции «Современные материалы, техника и технология» (г. Курск, 2013 г.); XI Международной научно-технической конференции «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (г. Курск, 2014 г.); 2-й Международной молодежной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и процессы» (г. Курск, 2015 г.); Научно-практической конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов ВСГУТУ (г. Улан-Уде, 2015 г.); Международной научно-технической конференции «МК-16-ИМ» «Проблемы и перспективы развития машиностроения» (г. Липецк, 2016 г.); 6-й Международной научно-практической конференции «Современные материалы, техника и технология» (г. Курск, 2016 г.).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов по работе, библиографического списка, включающего 114 наименований, и 2 приложений, содержит 22 рисунка и 15 таблиц. Объем основной части диссертации составляет 139 страниц машинописного текста.
Анализ классических методов расчета надежности технических систем
По мнению ряда авторов [2, 8, 16, 53, 78, 81, 87, 98, 106], показатели надежности являются важнейшими показателями качества. Обеспечение безопасности является составной частью проблемы надежности [18]. Этими же показателями руководствуется потребитель при выборе продукции. Надежность является частью более широкого понятия – эффективности. Эффективностью технической системы называется свойство системы выполнять заданные функции с требуемым качеством [68]. Надежность объекта является комплексным свойством, ее оценивают по четырем показателям – безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости или по сочетанию этих свойств [16]. Согласно ГОСТ 27.002-89 «Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения» [23]: - безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки; - сохраняемость – свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способности объекта выполнять требуемые функции, в течение и после хранения и (или) транспортирования; - ремонтопригодность – свойство объекта, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонта; - долговечность – свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.
Безопасность – свойство объекта при изготовлении и эксплуатации и в случае нарушения работоспособного состояния не создавать угрозу для жизни и здоровья людей, а также для окружающей среды. Хотя безопасность не входит в общее понятие надежности, однако при определенных условиях тесно связана с этим понятием, например, если отказы могут привести к условиям, вредным для людей и окружающей среды сверх предельно допустимых норм [23].
Значение рассмотренных показателей устанавливается на этапе проектирования, являющегося одним из самых важных в жизненном цикле (ЖЦ) продукции, и подтверждается (или корректируется) испытаниями на последующих этапах ее жизненного цикла.
Расчеты, проводимые на этапе проектирования, чаще всего носят приближенный характер, однако, несмотря это, они имеют первостепенное значение для последующих этапов ЖЦ продукции, так как, во-первых, являются исходной информацией для них, уточняемой (например, в ходе проведения испытаний) в последующем, во-вторых, позволяют определить слабые места в конструкции (при проведении расчетов по надежности и безопасности) и наметить дальнейшие пути совершенствования продукта.
Проведенные расчеты на этапе проектирования позволяют обосновать выбор способов резервирования, глубину и способ контроля, диагностики и др. [20].
Приоритетными направлениями на данном этапе являются направления, связанные с обеспечением надежности разрабатываемого продукта. Для этой цели используются различные классические методы анализа надежности, а также такие методы управления качеством, как: АВПКО (FMECA-анализ), QFD, структурно-функциональный анализ (ФСА), методы Г. Тагути, семь инструментов качества, и др.
Согласно источнику [68] существует два основных пути определения показателей надежности технических систем. Первый путь основан на составлении математической (логической) модели функционирования рассматриваемой системы. Наибольшее распространение, по мнению В.Р. Матвеевского [68], получили логические модели безотказной работы системы, элементы которой могут находиться только в двух состояниях: работоспособном и неработоспособном. Замена функциональных связей между элементами системы логическими дает возможность получения расчетных формул для определения надежности системы.
Для описания надежности технической системы чаще всего используются следующие методы: метод интегральных уравнений, метод дифференциальных уравнений, метод оценки надежности по графу возможных состояний системы [68].
По мнению Ю.Р. Владова, одним из перспективных методов анализа надежности сложных систем является логико-вероятностный, который основан на математическом аппарате алгебры логики и предполагает определенные связи между отказами системы и событиями, от которых они зависят – отказами элементов системы [20].
В то же время ряд авторов Калимулина Э. Ю. [59], Махитько В.П., Засканов В. Г., Савин М.В. [69] в своих работах подчеркивают необходимость учета при определении показателей надежности всех возможных состояний системы, что значительно усложняет проведение расчетов на надежность.
Второй путь основан на определении надежности непосредственно по функциональной схеме технической системы [68]. Данный путь наименее распространен.
Наличие большого количества работ, посвященных проблеме оценки надежности технических систем, в частности проблеме совершенствования методов оценки надежности на этапе проектирования, подтверждает актуальность исследований в данной области в настоящее время.
Разработка способов для определения балльной оценки вероятности возникновения отказа (В1i)
В случае наличия достаточного объема статистической информации об отказах элементов технической системы или аналитического определения вероятности их возникновения баллы рассматриваемому отказу присваиваются в соответствии с интервалом значений, в который попадает известное значение вероятности его возникновения или обнаружения. В случае отсутствия указанных данных определение коэффициентов производится экспертно, причем эксперт должен полагаться на свои знания в данной области и интуицию. По мнению И. Н. Ефстафьева [54], при оценке вероятности, особенно экспертным путем, можно устанавливать не вероятность, а предполагаемую частоту событий за период времени, например за год или за срок службы изделия, так как люди способны довольно достоверно оценить частоту, но с трудом оценивают вероятность события. В случае, когда речь идет о новом изделии, выпускается экспериментальная партия или образец для определения вероятности отказа [54].
Полученные значения критичности, рассчитываемые для каждого отказа Сi (формула (2.1)) сравнивают с критическим значением Скр, принятым еще до проведения анализа надежности. В случае, если Сi Скр, то принимается решение о необходимости введения корректирующих действий, так как отказ признается значимым [46].
Ряд источников [3, 30] рекомендует в качестве предельного значения назначать Скр=125 (555), однако предприятие, выпускающее продукцию, может назначить свои значения коэффициента критичности при проведении анализа, как например, ОАО «ТВЗ» устанавливает это значение в пределах от 80 до 150 [57], а ГОСТ Р 51814.2-2011 [30] от 100 до 125.
Полученное в итоге значение критичности Сi является основанием для принятия решений, направленных на повышение качества выпускаемого продукта, например, введение дополнительного контроля или изменение схемы технического обслуживания и т.д. Кроме того, результаты АВПКО используются при сертификации объектов для проверки достаточности принятых при их разработке и изготовлении мер по обеспечению безопасности [25].
Таким образом, ошибки, допущенные при определении значения критичности отказов, могут оказать негативное влияние на процесс принятия решений по повышению качества продукции. Одной из причин ошибок могут служить недостатки процедуры проведения АВПКО, которые будут рассмотрены далее.
В п. 1.4 приведены основные недостатки современных методов оценки надежности технических систем, снижающие эффективность итоговой оценки надежности на этапе проектирования.
Применительно к рассматриваемому в работе методу АВПКО субъективность экспертной оценки при определении критичности отказов (Сi) может привести к неверному определению значения критичности отказов, то есть с некоторой погрешностью C , которая не нормируется в настоящее время.
Получение точечного значения оценки критичности может привести к принятию неверных управленческих и технических решений и повлечь за собой ма 49 териальные потери как производителя продукции, так и потребителя (в случае, если мероприятия будут необходимы, но не будут проведены).
Еще одним негативным фактором является недостаток априорной информации о системных свойствах объединяемых элементов, не учитываемых в настоящее время при проведении оценки надежности методом АВПКО.
Так, например, при определении указанных коэффициентов В1i, В2i и В3i необходимо обладать информацией о структуре рассматриваемой системы, а также о системных свойствах ее элементов. С этой целью в соответствии с ГОСТ 27.310-95 используют деревья отказов – ДО (или деревья неисправностей – ДН) [25].
Методика расчета риска от принятия производителями неверных решений по результатам анализа надежности
На этапе проектирования результаты оценки надежности используются для выработки решений, направленных на повышение качества выпускаемой продукции. В работах [11, 14, 36, 61, 62, 65, 66, 82, 97] изложены основные положения процесса принятия управленческих и технических решений.
Управление качеством в ходе процесса проектирования продукции определяется рядом функций: прогнозирование, планирование, организация, осуществляемых службами предприятия и потребителями продукции. Стоит подчеркнуть, что грамотное выполнение указанных функций способствует достижению основной цели предприятия – выпуску конкурентоспособной и качественной продукции, а также тесно связано с принятием решений, т.е. с выбором альтернатив, когда одно действие может иметь несколько вариантов последствий.
Управленческое решение означает подготовку совокупности оценок и выводов о текущем и будущем состоянии объекта управления и принятия уполномоченным лицом окончательного и обязательного для исполнения постановления об управляющем воздействии на объект управления [66].
Под техническим решением понимают изменение конструкции технической системы, введение дополнительных средств контроля и т.д.
В работе Косаревской А. В. [82] определены математические зависимости для расчета основных показателей качества принимаемого технического решения, а в работах Б у я л и ч Г. Д. [14], Дедкова В. К. [36] рассмотрен вопрос выбора наилучшего технического решения из нескольких возможных.
Как процесс решение означает поиск, идентификацию и анализ управленческих задач, изучение и прогнозирование состояния объекта управления, установления (переоценку) целей управления, разработку плана мероприятий, организацию их выполнения и контроль [66]. По мнению М.А. Бондарь [11], рациональный подход при принятии управленческих решений характеризуется достаточным количеством исходной информации и временных ресурсов для принятия менеджером решения. Ограниченно рациональный подход характеризуется отсутствием указанных ресурсов.
Авторы Кальницкая И. В., Данилов А. Н. выделяют следующие методы принятия и реализации управленческих и технических решений [61]: - методы, основанные на использовании знаний, интуиции специалистов. К данной группе относятся экспертные методы; - формализованные методы, основанные на предварительно разработанных алгоритмах; - неформализованные методы, суть которых состоит в разработке и реализации управленческих решений на логическом уровне; - методы исследования информационных потоков. Данная группа методов основана на изучении информационных процессов относительно поставленной управленческой проблемы.
От выбора метода принятия управленческого решения зависит качество получаемых результатов. Качество управленческих решений определяется следующими показателями: научная обоснованность, своевременность, целенаправленность [62], а также оптимальность, непротиворечивость и эффективность [61] и др.
Среди механизмов принятия управленческих решений авторы выделяют: модель Ко р н е г и [ 11], индуктивные и дедуктивные, проблемно-ориентированные и модели решения [65], а среди инструментов: FMEA-анализ, методы Генити Тагу-ти, метод структурирования функции качества [62].
Однако, по мнению М. А. Бондарь [11], в настоящее время, несмотря на наличие большого числа инструментов и механизмов принятия управленческих решений, возникает необходимость в создании новых, более гибких инструментов, отвечающих большому количеству начальных условий, связанных с многокрите-риальностью решаемых управленческих задач. То же можно сказать и о принятии технических решений. Принятие решений по повышению надежности продукции на этапе проектирования происходит в условиях недостатка информации, то есть в условиях неопределенностей и рисков.
Проблема оценки риска не остается без внимания как в зарубежных (например, [113, 114]), так и в отечественных публикациях (например, [66, 70, 97, 103]).
Ситуация неопределенности отличается от ситуации риска тем, что вероятности различных результатов управленческих решений неизвестны. Это происходит в силу отсутствия необходимой статистической информации или в случае, ко-гд а с итуация не является статистической [97].
Ситуация риска характеризуется тем, что в результате каждого действия могут получаться различные результаты, вероятность которых известна и может быть оценена либо на основе статистических данных, либо экспертных оценок [70]. Степень риска – это вероятность не получить искомый результат в части или в целом [66].
Границы риска при принятии управленческих и технических решений каждый производитель должен устанавливать самостоятельно, исходя из избранной стратегии управления. Следовательно, информация о степени риска имеет для производителей и потребителей очень важное значение, а методы оценки надежности, по результатам проведения которых принимаются решения, должны содержать информацию о степени риска.
С введением в действие стандартов ИСО 9000:2015 [29] задача оценки риска от принятия неправильных решений производителем по результатам анализа надежности приобретает особую актуальность. На этапе проектирования к таким решениям следует отнести: решения, направленные на доработку конструкции, технологии изготовления, системы технического обслуживания и методов контроля и др.
Подготовительный этап для оценки критичности отказов
Основное предназначение таких систем заключается в перекрытии потока рабочей жидкости за определенный промежуток времени.
В настоящее время совмещение электропривода и запорного органа в единую техническую систему не рассматривают как процесс проектирования. До недавнего времени основным критерием подбора сочетания «ЭП – ЗА» являлось соответствие крутящих моментов электропривода расчетным силовым характеристикам запорной арматуры. При этом используемые расчетные методики ориентированы только на запорную арматуру и совмещение элементов ТС «ЭП – ЗА» по показателям надежности происходит только по требованиям нормативных документов. Используемая в настоящее время методика, регламентированная СТ ЦКБА 008-2011 «Арматура трубопроводная. Расчет и оценка надежности и безопасности на этапе проектирования» [91] устанавливает методы расчета показателей надежности и показателей безопасности на этапе проектирования для трубопроводной арматуры (ТА). Однако данная методика не учитывает один из компонентов системы – электропривод, а также отказы по общей причине, проявляющиеся при объединении элементов, что в результате снижает достоверность оценки надежности.
Проведение отдельных расчетов на надежность электропривода и запорной арматуры и рассмотрение их вне системы приводит к снижению точности полученных данных по надежности, а также препятствует рациональному подбору сочетания «ЭП – ЗА».
Критериями выбора электропривода для управления арматурой являются крутящий момент и частота вращения приводного вала. При этом необходимо учитывать, что каждый тип электропривода в зависимости от технических данных отличается присоединительными размерами, массой и габаритными размерами, мощностью электродвигателя, коммутационной способностью микропереключателей. Учет мощности электродвигателя необходим для выбора аппаратуры управления. Превышение нагрузки на микровыключателях снижает надежность электропривода и может привести к выходу его из строя. Кроме крутящего момента, при выборе электропривода важное значение имеют марка и тип коробки путевых выключателей, которые определяют частоту вращения шпинделя, необходимого для его полного хода – открытия или закрытия арматуры [102].
Подбор электропривода к арматуре начинается со сравнения диапазона настройки крутящих моментов муфты ограничения крутящего момента электропривода с максимальным крутящим моментом сопротивления на шпинделе или резьбовой втулке штока арматуры, к которой подбирается привод при ее закрытии и открытии. Значение максимального крутящего момента сопротивления должно находиться между крайними значениями диапазона настройки крутящих моментов муфты ограничения крутящего момента электропривода [99].
Однако вопрос выбора привода для определенного типа и вида арматуры становится все более сложным по мере появления новых российских производителей и выхода на наш рынок иностранных марок приводов. При этом приводы и арматура сильно разнятся по характеру заложенных в них научно-технических решений, по технологии и экономике производства. Поэтому как на Западе, так, в целом, и в России сложилось раздельное производство этих продуктов. Следует учитывать еще две тенденции, сформированные требованиями качества и эффективности. С одной стороны, продуктом и объектом продажи становится не отдельно привод или даже арматура вместе с приводом, а в целом технологическая система, включая ее проектирование, комплектацию, монтаж и сопутствующие сервисные услуги [99]. Неизменным признаком системы является взаимодействие внутри неё и её взаимодействие с внешней средой [85].
По мнению Н. Г. Филиппова [99], вопрос наилучшего соответствия друг другу арматуры и привода переходит из сферы компетенции узкого круга специалистов по снабжению арматурных заводов в сферу общей компетенции, необходимой при комплектации производственных трубопроводных систем. Таким образом, вопрос выбора привода становится комплексным, требуя как технических знаний, так и знаний о рынке приводов, арматуры и промышленных систем в целом. Общий подход подбора электропривода следующий: электропривод должен быть максимально дешев, но при этом обязан выполнять все необходимые функции в пределах требуемого ресурса и срока службы в определенных условиях эксплуатации и при определенном режиме работы [99].
Однако О. Н. Шпаков в своей статье «О расчете нагрузок в электроприводной арматуре» [107] указывает на необходимость учета при проектировании такого параметра, как жесткость, оказывающего существенное влияние на перегрузки системы. Перегрузки, возникающие в системе «ЭП – ЗА», могут привести как к отказам системы, нарушению работы обслуживающего персонала, так и явиться причиной аварии или техногенной катастрофы.
Вопрос определения нагрузок в электроприводной арматуре рассмотрен автором в работах [41, 45].
Главной характеристикой арматуры является обеспечение внутренней и внешней герметичности, которая обеспечивается путем перекрытия потока рабочей среды за установленный интервал времени, не допуская утечки рабочей среды наружу.
Функцию обеспечения внутренней герметичности выполняет затвор, внешней – корпус, а функцию перемещения затвора – привод арматуры.
На рисунках 4.2 а, 4.2 б представлены чертежи рассматриваемой технической системы. Для приведения в движение запорного органа используется источник электроэнергии. Электродвигатель 1 преобразует ее в механическое вращательное движение, которое посредством червяка 3 с червячным колесом 4 передается на выходной вал электропривода 21. Выходной вал электропривода через соединительную муфту 17 передает вращательное движение втулке 9, передающей свое движение шпинделю 13. Соединение шпиндель-втулка представляют собой резьбовую пару «винт – гайка», которая преобразует вращательное движение шпинделя в поступательное. Запорный орган, представляющий совокупность деталей 12, 22 перекрывает поток рабочей жидкости через седло, запирая тем самым арматуру.