Для чего используется метод проектирования
Позволить неопытным проектировщикам выявлять ненадежные элементы без испытания всей конструкции.
План действий
1. Подготовить описательную классификацию, включающую все характеристики относящиеся к надежности деталей, а также все случаи ненадежности для рассматриваемого типа изделия.
2. Предложить опытным проектировщикам оценить степень, с которой каждая пара элементов в данной классификации увеличивает ненадежность изделия.
3. На основе сделанных инженерами оценок, вычислить средние величины показателей ненадежности для каждого элемента классификации.
4. Выбрать элементы для описания каждой детали новой конструкции.
5. Вычислить средний цифровой показатель ненадежности для каждой детали.
6. Изменить конструкцию деталей, для которых получился высокий показатель ненадежности.
Замечания (описание)
Опытные проектировщики, вероятно скажут, что метод проектирования «Индекс надежности» не дает им в руки ничего нового. Менее опытные проектировщики, однако, найдут, что данный метод может оказать им большую помощь при отсутствии квалифицированных консультантов и в тех случаях, когда нет времени или средств для практического испытания деталей на надежность.
Главный принцип, лежащий в основе этого метода, состоит в выражении субъективных суждений с помощью некоторой математической модели. Можно предположить, что на результатах могут отрицательно сказаться:
а) различия между оценками разных специалистов и
б) сомнительное допущение относительно того, что субъективные оценки распределены по шкале с фиксированным нулемy одинаковых интервалах друг от друга (метод «Выбор шкал измерения»).
Квирк считает, что «требуется провести значительную исследовательскую работу», прежде чем можно будет дать обоснованную оценку достоинств и недостатков этого метода. Он указывает, однако, что если показатели, назначенные неопытными инженерами, значительно отличаются друг от друга, то оценки опытных инженеров почти совпадают. Составленная им диаграмма цифровых показателей, назначенных двумя опытными инженерами для четырех категорий элементов (рис. 12.2), показывает, что ошибки, обусловленные двумя указанными выше причинами, удивительно малы. Влияние субъективных различий в оценках может быть полностью исключено, если цифровые показатели будут получены с помощью ЭВМ по результатам физических испытаний надежности.
Метод Квирка «Индекс надежности» не применим к проектированию сборных узлов, а годится лишь для проектирования отдельных деталей. Поэтому было бы ошибочно исходить из предположения, что изделие обязательно будет надежным, если все его детали имеют показатели ненадежности.
Как применять технику креативности
«Индекс надежности по Квирку» имеет смысл использовать в тех случаях,
когда отказ изделия приведет к значительным убыткам,
когда имеются опытные инженеры, способные правильно назначать показатели ненадежности,
и когда необходимо спроектировать большое количество деталей силами неопытных проектировщиков без квалифицированных консультантов.
Стоимость и время
Составление матрицы цифровых показателей требует сравнения нескольких тысяч пар элементов, для чего может потребоваться несколько человеко-недель для каждого эксперта, мнение которого запрашивается. Это вполне умеренные затраты, если убытки в результате ненадежности изделия могут быть значительными, а испытание каждой детали на долговечность провести невозможно.
Когда матрица составлена, вычисление индекса ненадежности занимает всего несколько минут.
Пример использования
Рассмотрим на примере метод «Индекс надежности»
Вычислить показатели ненадежности каждой детали системы.
Этот пример и иллюстрации воспроизводятся из книги Квирка.
1. Подготовить описательную классификацию, включающую все характеристики, относящиеся к надежности деталей, а также все случаи ненадежности для рассматриваемого типа изделия.
Квирк приводит классификацию, пригодную для большинства механических устройств.
Причины ненадежности указаны в первой колонке помещенной ниже таблицы, а характеристики, имеющие отношение к надежности, — в остальных ее колонках.
| 1. Нагрузки среды | 2. Тип соединения | 3. Функция | 4. Тип заготовки |
| 1.1. Статические 1.2. Давление 1.3. Влажность 1.4. Удар 1.5. Вибрация 1.6. Ускорение 1.7. Температура 1.8. Коррозия 1.9. Напряжение *1.10. Трение | 2.1. Заклепки 2.2. Болты 2.3. Винты 2.4. Резьба 2.5. Сварка 2.6. Пайка *2.7. Запрессовка 2.8. Штифты 2.9. Клеевое | 3.1. Соединять 3.2. Защищать 3.3. Охватывать 3.4. Вмещать 3.5. Держать 3.6. Двигать 3.7. Поворачивать *3.8. Вращать 3.9. Уплотнять | 4.1. Поковка *4.2. Отливка 4.3. Отливка в форме 4.4. Лист 4.5. Стержень 4.6. Монолит 4.7. Лента 4.8. Трубка 4.9. Выдавленная деталь |
| 5. Операция обработки | 6. Название детали | 7. Форма | 8. Материал |
| *5.1. Сверление 5.2. Распиловка *5.3. Обточка 5.4. Фрезерование 5.5. Нарезка резьбы *5.6. Расточка 5.7. Опиловка 5.8. Строгание 5.9. Сгибание 5.10. Резка 5.11. Штамповка 5.12. Прокатка 5.13. Формовка | 6.1. Кожух 6.2. Скобка 6.3. Крышка 6.4. Рукоятка 6.5. Рама 6.6. Вал 6.7. Шестерня *6.8. Втулка 6.9. Трубка | 7.1. Сферическая 7.2. Кубическая 7.3. Треуголная 7.4. Прямоугольная 7.5. Неправильная *7.6. Целиндрическая 7.7. Шестиугольная 7.8. Плоская 7.9. Овального сечения | 8.1. Чугун 8.2. Сталь 8.3. Алюминий 8.4. Медь *8.5. Бронза 8.6. Цинк 8.7. Олово 8.8. Дерево 8.9. Стекло 8.10. Нейлон 8.11. Пластик 8.12. Бумага 8.13. Резина |
2. Предложить опытным проектировщикам оценить степень, с которой каждая пара элементов в данной классификации увеличивает ненадежность изделия.
Каждый элемент попарно сравнивается с каждым другим в матрице взаимодействий (см. метод
«Матрица взаимодействий»), при этом исключаются названия категорий. Опытных инженеров просят приписать каждой паре показатель ненадежности по пятибалльной шкале:
1 = наименьшая;
2, 3, 4 = средние значения;
5 = наибольшая.
Квирк приводит следующие примеры:
8.1/3.1 (чугун — соединять) получает оценку 2, поскольку чугунное соединение не столь надежно, как соединение из другого материала, например стали.
8.2/3.1 (сталь — соединять) получает оценку 1.
8.1/6.1 (чугун — кожух) получает оценку 1, так как чугунный кожух имеет не больше шансов выйти из строя, чем кожух из другого материала.
8.1/3.3 (чугун — охватывать) получает оценку 2, поскольку среди перечисленных материалов имеется по крайней мере еще один, вероятность отказа которого при использовании в качестве скобы меньше, чем у чугуна.
3. На основе сделанных инженерами оценок вычислить средине величины показателей ненадежности для каждого элемента классификации.
Вычисляется средняя величина для каждого элемента и умножается на 10 для удобства оперирования с получающимися числами. По-видимому, частные средние для парных сочетаний одного элемента с элементами всех других категорий будут различаться не более чем на 5-10%, например среднее значение для чугуна в графе «Функция» будет равно 23, а в графе «Название детали» — 21.
4. Выбрать элементы для описания каждой детали новой конструкции.
Квирк классифицирует втулку системы, показанную на картинке выше, элементами, отмеченными в таблице звездочками.
5. Вычислить средний цифровой показатель ненадежности для каждой детали.
Для деталей системы получены следующие цифровые показатели:
втулка 263, вал 23.4, корпус 21.8, кольцо 19.8, кожух 19.3, винт 19.2.
Эти величины указывают на то, что наименее надежной деталью является втулка, наиболее надежной — винт.
Методы вычисления показателен, по-видимому, дают величины от 10 до 50. Однако приведенный пример заставляет предположить, что на практике используются только средние величины этого диапазона.
6. Изменить конструкцию деталей, для которых получился высокий показатель ненадежности.
В данном случае можно было бы изменить конструкцию втулки таким образом, чтобы ее показатель стал не выше 23.
Ссылки, библиография
Quirk G.C., Logic design factors, An approach to predicting mechanical design reliability. Rep. No. R61P006, Ordnance Dept., Defense Electronics Div., General Electric, Pittsfield, Mass., 1961.
Об авторе