Функционирование машины в экстремальных ситуациях
При эксплуатации машины внешние воздействия на нее, значительно превышающие уровень, установленный техническими условиями, могут привести к аварии, а в отдельных случаях и к катастрофе.
Экстремальные ситуации могут возникнуть и по вине самой машины (несовершенство конструкции) или из-за неправильных методов ее использования (влияние «человеческого фактора»).
Весь комплекс вопросов, связанный с возможностью возникновения аварий и катастроф и с разработкой методов борьбы с их последствиями, включается обычно в проблему безопасности.
Высокая надежность машины – одно из основных условий обеспечения ее безопасности, под которой следует понимать «свойство объекта не допускать ситуаций, опасных для людей и окружающей среды».
Причины возникновения экстремальных ситуаций, связанные с внешними воздействиями на машину, могут быть следствием попадания машины в зону высоких или низких температур, радиационных воздействий и других, как правило, редких событий. Внешние воздействия могут и не быть экстремальными, а лишь несколько превышать уровень, установленный ТУ, или они могут быть не учтены при проектировании машины.
Так, повышенная влажность среды, колебания температуры, загрязненность атмосферы, ветер, акустический шум, солнечная радиация. Бактерии, насекомые, грызуны – вот неполный перечень тех факторов, которые приходится учитывать при оценке возможности отказа изделия в различных условиях эксплуатации.
Чем большие воздействия оказывает на машину среда, тем выше вероятность отказа, которая резко возрастает при работе изделия в не свойственной ему обстановке.
Поэтому при возникновении преждевременных отказов, особенно при тяжелых последствиях, часто создается конфликтная ситуация. Кто виноват в возникновении того или иного отказа? Для ответа на этот вопрос проанализируем причины преждевременного отказа.
Таблица
Причины преждевременных отказов
| Что является причиной преждевременного отказа | Кто виноват в возникновении отказа |
| 1. Неправильный расчет ресурса изделия. Неправильно установлены ТУ на параметры изделия | Конструктор |
| 2. Нарушение ТУ при изготовлении и испытании изделия | Технолог |
| 3. Нарушение режимов и условий эксплуатации | Эксплуатационник |
| 4. Допускаемая ТУ вероятность возникновения отказа | Никто |
Последняя причина допустима лишь в том случае, если последствия отказа незначительны и могут быть устранены при межремонтном обслуживании. Если же преждевременный отказ может привести к тяжелым последствиям и, тем более, стать причиной аварийной ситуации, то он является недопустимым и возникает по вине конструктора изделия. Поэтому на стадии проектирования необходимо провести следующие исследования.
1. Проанализировать возможность возникновения аварийных ситуаций, рассмотреть и описать сценарии их развития, классифицировать возможные последствия аварии.
2. Установить выходные параметры машины, которые претерпевают существенные изменения в процессе аварии.
3. Установить потенциально опасные узлы и агрегаты машины, нарушение работоспособности которых может иметь недопустимые последствия.
4. Установить предельно допустимые условия эксплуатации и режимы работы машины. Оценить возможную продолжительность работы машины в экстремальных условиях, в том числе при потере работоспособности отдельных узлов и агрегатов машины.
Все эти исследования являются основой для разработки безопасной конструкции машины, стойкой к возникновению «нештатных» ситуаций.
Методы обеспечения безопасности машин весьма разнообразны, но могут быть сведены к двум основным направлениям.
Первое направление связано с созданием машин, имеющих запас прочности и надежности тех элементов конструкции, которые могут стать причиной возникновения экстремальной ситуации.
В первую очередь необходимо рассмотреть те элементы, после отказа которых может произойти резкое изменение их состояния из-за лавинообразного развития процесса повреждения.
Примером может служить образование и развитие усталостных трещин в металлических конструкциях. Так, при проектировании сосудов и трубопроводов выбор материала, давления и толщины стенки должен определяться тем, что при образовании трещины она, начав развиваться, превращалась бы в сквозную, а не развивалась динамически по поверхности трубы или сосуда.
Новое направление в механике – «механика катастроф» изучает механические разрушения или повреждения элементов технических систем при авариях и катастрофах. На основании этих исследований разрабатываются мероприятия по исключению катастрофических разрушений и по снижению возможного ущерба.
Второе направление обеспечения безопасности связано с созданием специальных систем и устройств, локализующих развитие неблагоприятных процессов, защищающих машину от вредных воздействий, предупреждающих о возможном наступлении экстремальных ситуаций, управляющих функционированием объекта в критических случаях. Для этой цели применяют контрольные и диагностические системы, которые оценивают значения как выходных параметров системы, так и специально установленных диагностических признаков машины и окружающей среды. Сравнение уровня сигналов с заданными значениями, обработка информации и принятие решения о необходимых действиях для выхода из аварийной ситуации осуществляется при помощи ЭВМ.
Система обеспечивает включение той или иной защиты, изменение режимов работы машины, сигнализацию о возникшей ситуации, вырабатывает оптимальные решения для действия персонала. При возникновении или опасности возникновения аварийной ситуации особую роль играет «человеческий фактор». С ним связано, например, 70-75% всех авиационных катастроф, в то время как технические неисправности составляют 6-12%. Управление сложными машинами, особенно в экстремальных ситуациях, требует использования предельных возможностей человека-оператора.
Основным направлением всех работ и исследований в области безопасности машин является принцип исключения катастроф. Концепция безопасности базируется на нижеследующих основополагающих принципах.
1. Обеспечение безопасного функционирования объекта.
2. Обеспечение качества изготовления объекта.
3. Принцип допущения наихудшего случая.
4. Организация непрерывных эксплуатационных наблюдений за критическими ситуациями.
5. Осуществление непрерывного мониторинга (слежения) за состоянием изделия методами диагностики.
Требования к конструкции машины с учетом безопасности должны, в основном, заключаться в следующем:
- не должно быть аварий по вине самой машины;
- при возникновении аварий не должно быть человеческих жертв и должен быть обеспечен минимум материального ущерба и воздействий на окружающую среду.
Преимущества имеют машины с высоким уровнем надежности, эксплуатация которых осуществляется в строгом соответствии с техническими требованиями.