Основные понятия и определения теории надежности

Теория надежности является комплексной дисциплиной и со­стоит из таких разделов, как математическая теория надежности, надежность по отдельным физическим критериям отказов («физика отказов»), расчет и прогнозирование надежности, мероприятия по повышению надежности, контроль надежности (испытания, стати­стический контроль, организация наблюдений) и техническая диаг­ностика, теория восстановления, экономика надежности.

В теории надежности рассматриваются следующие обобщенные объекты:

изделие - единица продукции, выпускаемая данным пред­приятием, цехом и т. д., например подшипник, ремень, станок, автомобиль;

элемент - простейшая при данном рассмотрении составная часть изделия, в задачах надежности может состоять из многих деталей;

система - совокупность совместно действующих элементов, предназначенная для самостоятельного выполнения заданных функций.

Понятия элемента и системы трансформируются в зависимости от поставленной задачи. Машина, например, при установлении ее собственной надежности рассматривается как система, состоящая из отдельных элементов - механизмов, деталей и т. д., а при изуче­нии надежности автоматической линии - как элемент.

Изделия делят на: невосстанавливаемые, которые не могут быть восстановлены потребителем и подлежат замене, например электрические и электронные лампы, подшипники каче­ния и т. д., восстанавливаемые, которые могут быть восстановлены потребителем, например станок, автомобиль, радио­приемник.

Ряд изделий, относимых к невосстанавливаемым, например подшипники качения, иногда восстанавливаются, но не потребите­лями, а на специализированных предприятиях. Сложные изделия, состоящие из многих элементов, как правило, восстанавливают, так как отказы обычно связаны с повреждением одного или немно­гих элементов, в то время как другие остаются работоспособными. Простые элементы, особенно покупаемые со стороны и изготовляе­мые методом массового производства, часто не восстанавливают­ся.

Основные понятия и термины надежности стандартизованы.

Надежность характеризуется следующими основными состо­яниями и событиями:

Работоспособность - состояние изделия, при кото­ром оно способно нормально выполнять заданные функции (с пара­метрами, установленными в технической документации). Работоспо­собность не касается требований, непосредственно не влияющих на эксплуатационные показатели, например повреждение окраски и т. д.

Исправность - состояние изделия, при котором оно удов­летворяет всем не только основным, но и вспомогательным требо­ваниям. Исправное изделие обязательно работоспособно.

Неисправность - состояние изделия, при котором оно не соответствует хотя бы одному из требований технической доку­ментации. Различают неисправности, не приводящие к отказам, и неисправности и их сочетания, приводящие к отказам.

Отказ - событие, заключающееся в полной или частичной утрате работоспособности. Отказы делят на отказы функциониро­вания, при которых выполнение своих функций рассматриваемым элементом или объектом прекращается (например, поломка зубьев шестерни), и отказы параметрические, при которых некоторые параметры объекта изменяются в недопустимых пределах (напри­мер, потеря точности станка).

Причины отказов делятся на случайные и система­тические.

Случайные причины- это непредусмотренные перегрузки, де­фекты материала и погрешности изготовления, не обнаруженные контролем, ошибки обслуживающего персонала или сбои системы управления. Примеры: твердые включения в обрабатываемую среду, крупные неровности дороги, наезды на препятствия, недо­пустимые отклонения размеров заготовок или их неправильный зажим, раковины, закалочные трещины. Случайные факторы пре­имущественно вызывают отказы при действиях в неблагоприятных сочетаниях.

Систематические причины- это закономерные явления, вы­зывающие постепенное накопление повреждений: влияние среды, времени, температуры, облучения - коррозия, старение, нагрузки и работа трения - усталость, ползучесть, износ, функциональные воздействия - засорения, залипания, утечки.

В соответствии с этими причинами и характером развития и про­явления отказы делят на внезапные(поломки от перегрузок, заеда­ния), постепенные по развитию и внезапные по проявлению (усталост­ные разрушения, перегорание ламп, короткие замыкания из-за старения изоляции) и постепенные (износ, старение, коррозия, залипание). Внезапные отказы вследствие своей неожиданности более опасны, чем постепенные. Постепенные отказы представляют собой выходы параметров за границы допуска в процессе эксплуатации или хранения.

По причинам возникновения отказы можно также разделить на конструкционные, вызванные недостатками конструкции, тех­нологические, вызванные несовершенством или нарушением техно­логии, и эксплуатационные, вызванные неправильной эксплуата­цией.

Отказы в соответствии со своей физической природой бывают связаны с разрушением деталей или их поверхностей (поломки, выкрашивание, износ, коррозия, старение) или не связаны с разрушением (засорение каналов подачи топлива, смазки или подачи рабочей жидкости в гидроприводах, ослабление соединений, загряз­нение или ослабление электроконтактов). В соответствии с этим отказы устраняют: а) заменой деталей, б) регулированием или очисткой.

По своим последствиям отказы могут быть легкими- легко­устранимыми, средними, не вызывающими разрушений других уз­лов, и тяжелыми, вызывающими тяжелые вторичные разрушения, а иногда и человеческие жертвы.

По возможности дальнейшего использования изделия отказы разделяют на полные, исключающие возможность работы изделия до их устранения, и частичные, при которых изделие может частич­но использоваться, например, с неполной мощностью или на пони­женной скорости.

По сложности устранения различают отказы, устранимые в порядке технического обслуживания, в порядке среднего или капи­тального ремонта и по месту устранения - отказы, устранимые в эксплуатационных и стационарных условиях, что особенно су­щественно для транспортных машин, в частности для автомобилей.

Встречаются также самоустраняющиеся отказы, например, в системах автоматической подачи заготовок на станках.

По времени возникновения отказы делят на: приработочные, возникающие в первый период эксплуатации, связанные с отсутст­вием приработки и с попаданием на сборку дефектных элементов, не отбракованных контролем: при нормальной эксплуатации(за пе­риод до проявления износных отказов), износовые.

Проводя некоторую аналогию между изделиями и человеком с позиций надежности, приработочные отказы сопоставляют с дет­скими болезнями, отказы при нормальной эксплуатации - со случайными болезнями окрепшего организма взрослого человека, износовые - со старческими болезнями.

Отказы деталей и узлов в разных машинах и разных условиях могут иметь совершенно разные последствия. Последствия отказов универсальных машин, имеющихся в парке в количестве несколь­ких штук, при наличии ремонтного цеха могут быть устранены си­лами предприятия, а работа на время ремонта распределена между другими машинами. Отказ станка, встроенного в автоматическую линию, или специального станка, установленного на заводе в одном экземпляре, дополнительно вызовет большие убытки, связанные с простоем многих других станков, невыполнением плана цехом и заводом. Отказ деталей самолета может вызвать аварию с чело­веческими жертвами.

Рассмотрим свойства изделий в аспекте проблемы надежности.

Надежность изделий обусловливается их безотказностью, дол­говечностью, ремонтопригодностьюи сохраняемостью. Таким об­разом, надежность характеризуется свойствами, которые прояв­ляются в эксплуатации и позволяют судить о том, насколько изде­лие оправдает надежды его изготовителей и потребителей.

Безотказность (или надежность в узком смысле слова) - свойство непрерывно сохранять работоспособность в течение задан­ного времени или наработки. Это свойство особенно важно для ма­шин, отказ в работе которых связан с опасностью для жизни людей или с перерывом в работе большого комплекса машин, с остановкой автоматизированного производства или с браком дорогого изделия.

Долговечность - свойство изделия длительно сохра­нять работоспособность до предельного состояния при установлен­ной системе технического обслуживания и ремонтов. Предельное состояние изделия характеризуется невозможностью его дальней­шей эксплуатации, снижением эффективности или безопасности. Для невосстанавливаемых изделий понятия долговечности и безот­казности практически совпадают.

Ремонтопригодность - приспособленность изделия к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений и поддержанию и восстановлению работоспособности путем технического обслуживания и ремонтов. С усложнением систем все труднее становится находить причины отказов и отказав­шие элементы. Так, в сложных электрогидравлических системах станков поиск причин отказа может занимать более 50% общего времени восстановления работоспособности. Поэтому облегчение поиска отказавших элементов закладывается в конструкцию новых сложных автоматических систем. Важность ремонтопригодности машин определяется огромными затратами на ремонт машин в на­родном хозяйстве.

Сохраняемость - свойство объекта сохранять значе­ние показателей безотказности, долговечности и ремонтопригод­ности после хранения и транспортирования. Практическая роль этого свойства особенно велика для приборов. Так, по американ­ским источникам во время второй мировой войны около 50% радио­электронного оборудования для военных нужд и запасных частей к нему вышло из строя в процессе хранения.