Из многочисленных технико-экономических, конструктивных, технологических и эксплуатационных показателей, характеризующих качество и технический уровень машин, наиболее значимым является надежность. Она существенно влияет на производительность работ, продолжительность и трудоемкость технического обслуживания и ремонта, потребность в запасных частях и материалах для производства ремонтных работ и, в конечном счете, на себестоимость машины. Управление надежностью осуществляется на всех этапах создания и использования машин. Уровень надежности закладывается при проектировании, реализуется при изготовлении и поддерживается при эксплуатации машины.
Различают исправное, неисправное, работоспособное, неработоспособное и предельное состояния машин.
В исправном состоянии машина соответствует всем требованиям нормативно-технической документации, в неисправном – не соответствует хотя бы одному из них.
В работоспособном состоянии машина способна выполнять заданные функции и сохранять значения всех параметров в пределах, установленных нормативно-технической документацией, в неработоспособном – не способна выполнять заданные функции, если хотя бы один параметр не соответствует этим требованиям.
Как видно из этих определений, исправность как понятие шире, чем работоспособность. Исправная машина должна удовлетворять всем требованиям, а работоспособная – только тем, которые обеспечивают ее нормальное функционирование, т. е. машина может быть работоспособной, но неисправной (например, машина с вмятиной на капоте).
Предельное состояние машины – это состояние, при котором ее дальнейшая эксплуатация должна быть прекращена по ряду причин:
1) неустранимое ухудшение требований безопасности;
2) недопустимое ухудшение параметров по сравнению с заданными значениями;
3) недопустимое снижение эффективности эксплуатации;
4) необходимость проведения среднего или капитального ремонта.
За критерий предельного состояния можно принять признак или совокупность признаков, характеризующих нарушения работоспособного состояния машины. Для машины в целом к ним целесообразно отнести следующие признаки:
1) необходимость ремонта или замены нескольких составных частей машины;
2) необходимость полной разборки машины, обусловленной повреждением базовой сборочной единицы (например, несущей рамной конструкции).
Для узлов и агрегатов машины критериями предельного состояния могут служить следующие признаки:
1) необходимость замены или трудоемкого ремонта корпусной детали;
2) необходимость замены или ремонта нескольких основных деталей;
3) необходимость трудоемкого ремонта при выходе одного из основных параметров функционирования машины за пределы, установленные нормативно технической документацией.
Количественная оценка выбранного критерия, как правило, базируется на требованиях нормативно-технической документации и зависит от характера отказа.
Последствием предельного состояния деталей является их замена, а последствием предельного состояния машины, а также ее узлов и агрегатов – списание или капитальный ремонт.
Надежность характеризует способность машины сохранять во времени свои технические характеристики и эксплуатационные показатели. Вместе с тем со временем под воздействием механических нагрузок, окружающей среды, перепадов температуры и радиации происходит старение ее элементов, что сопровождается ухудшением функциональных свойств вплоть до перехода машины в неработоспособное или предельное состояние. В основе нарушений ее работоспособности лежат процессы изнашивания и изменения свойств материалов деталей, конструкций и узлов машины.
Как отмечалось, переход машины или ее элементов из работоспособного в неработоспособное состояние происходит после наступления отказа – события, которое заключается в нарушении работоспособности машины. Иными словами, отказ можно квалифицировать как состояние машины, при котором она частично или полностью теряет свою работоспособность и не может выполнять заданные функции, регламентированные нормативно-технической документацией ( стандартами, техническими условиями и др.). Время, затрачиваемое на восстановление машины в условиях эксплуатации, принято называть простоями. Причины перехода машины в неработоспособное состояние могут быть самыми разными. Для облегчения их выявления и устранения причин возникновения отказы целесообразно классифицировать по ряду основных признаков: по критерию и причине возникновения, развитию и сложности устранения отказа.
По критерию отказы разделяют на функциональные и параметрические. Функциональные отказы приводят к частичному или полному прекращению выполнения функций машины в целом или ее элементов. Очень часто отказы функционирования связаны с разрушениями элементов (поломками, недопустимыми деформациями, увеличенным износом и др.)
Параметрические отказы характеризуются отклонением значений параметров функционирования элементов машин за пределы допускаемых норм. К ним можно отнести увеличенный расход горюче–смазочных материалов, состав выбрасываемых в атмосферу вредных веществ, уровень шума и вибрации и др. Как известно, подобные отказы не препятствуют функционированию машины, однако с учетом требований нормативно-технической документации машина считается неработоспособной.
По причине возникновения отказы разделяют на конструк-ционные, технологические и эксплуатационные. Конструкционные отказы могут быть обусловлены отказами на этапе проектирования и конструирования. К ним относятся неудачная конструкция сборочной единицы или узла машины, ошибочно выбранный материал, неверно подобранная посадка в соединениях, несоответствие расчетных данных по прочности и износостойкости деталей и узлов машины нагрузочным режимам ее эксплуатации.
Технологические отказы могут возникать на этапе изготовления машины из-за нарушения требований технологии и контроля состояния ее элементов. К ним относятся дефекты в материале деталей, нарушение расположения поверхностей и осей при механической обработке деталей, несоблюдение режимов термической и химико-термической обработки, отступление от условий сборки-разборки узлов и машины в целом.
Эксплуатационные отказы могут быть связаны с нарушениями режимов работы или правил эксплуатации машины, например, с увеличенными нагрузками, превышающими установленные пределы, с низким уровнем технического обслуживания, с ошибочным выбором горюче-смазочных материалов. Кроме того, они могут быть следствием естественного старения или изнашивания.
Конструкционные и технологические отказы выявляются в основном в приработочный период. Количество эксплуатационных отказов резко возрастает на заключительной стадии эксплуатации машины в основном из-за увеличения износа деталей в узлах трения машины.
По условиям возникновения и развития отказы разделяют на внезапные и постепенные. Наиболее опасными для машины являются внезапные отказы, которые характеризуются резким (скачкообразным) ухудшением одного или нескольких параметров машины. Как правило, они возникают в результате случайного внезапного воздействия внешних факторов, превышающих допускаемые нормы, или грубых нарушений условий эксплуатации (поломок, ударов, перегрузок и др.). Вследствие этого элементы машины теряют свои свойства, необходимые для нормального функционирования машины, или же разрушаются.
Постепенные отказы характеризуются постепенным ухудшением одного или нескольких параметров машины, обусловленным в основном процессами старения деталей и узлов машины. Как правило, развитие постепенных отказов можно предупредить с помощью системы технического обслуживания и ремонта машины.
По сложности устранения отказов их можно разделить на отказы, устраняемые при техническом обслуживании, в ходе текущего ремонта, при капитальном ремонте. Так, например, в средней по сложности машине, производимой ранее в СССР, отказ появлялся через 15–20 дней эксплуатации. Для его устранения требовалось в среднем 50–70 чел.∙час труда квалифицированных специалистов.
Отказы приводят к частичной или полной потере работоспособности машины. Анализ причин их возникновения и понимание физической сущности отказов являются непременным условием решения задач обеспечения надежности машины.
Дорожные, строительные, путевые и другие машины являются сложными системами, состоящими из отдельных элементов, которые находятся между собой во взаимодействии. Отказ любого элемента в большей или меньшей степени отражается на работоспособности машины в целом, поскольку она зависит как от работоспособности входящих в нее элементов, так и от способа их взаимодействия. При оценке надежности машин различают два основных вида соединений – последовательное и параллельное.
Последовательным (рисунок 3.1а) считают такое соединение элементов, составляющих систему, при котором отказ каждого из них приводит к выходу из строя всей системы. К таким системам относится большинство приводов и механизмов передач машин, поскольку выход из строя любого элемента (подшипника, муфты, шестерни, насоса) вызывает потерю работоспособности всей системы. Конструктивно эти элементы не обязательно последовательно соединены, но в структурной схеме они расположены в последовательном соединении.
Параллельным соединением называют совокупность элементов, работоспособность которой нарушается при условии отказа всех параллельных элементов, входящих в совокупность (рисунок 3.1б). При этом, в случае отказа одного из элементов, функции всего соединения распределяются между другими его элементами. Следует отметить, что параллельное соединение элементов является основой резервирования (метода повышения надежности системы путем введения дублирующих элементов).
Поскольку резервирование у машин практически не используют, любую машину следует рассматривать как систему, состоящую из последовательно соединенных элементов. При этом вероятность безотказной работы машины Р м равна произведению вероятностей Pi безотказной работы ее элементов:
.
Для случая возникновения внезапных отказов, которые подчиняются экспоненциальному закону распределения, данное выражение приобретает вид
,
где 
;
λ i – интенсивность отказов i- го элемента;
t – время работы.
Соответственно вероятность отказа
.
Из определения вероятности безотказной работы машины следует, что надежность сложной системы при последовательном соединении элементов меньше надежности любого элемента и снижается с увеличением количества элементов, составляющих систему. Поэтому при проектировании новой машины стремятся не усложнять конструкцию машины.
Повышение надежности дорожно-строительных, путевых, подъемно-транспортных машин и оборудования является одним из основных путей повышения эффективности производства соответствующих работ. При этом следует учитывать современные тенденции развития машиностроения в целом, направленные на минимизацию удельных показателей энерго- и материалоемкости (т. е. мощности силовой установки и массы машины, приходящихся на единицу вырабатываемой ею продукции). Решение этой сложной задачи возможно при условии использования прогрессивных современных материалов и ресурсосберегающих технологий.