Методы обеспечения надежности изделий машиностроения

ББК 30.14 Т80 'I

УДК 621-192

Издание выпущено в счет дотации, выделенной Комитетом РФ по печати

Рецензент д-р техн. наук проф. Н. А. Северцев

Труханов В. М.

Методы обеспечения надежности изделий мащиностроеТ80 ния. М.: Машиностроение, 1995. ■— 304 с.: ил.

ISBN 5-217-02591-3

Рассмотрены вопросы теоретических и практических исследований в области обеспечения надежности изделий машиностроения, изложены методы создания и планирования испытаний опытных образцов, описаны способы обеспечения надежности изделий на этапах разработки, серий­ ного производства и эксплуатации. Приведены модели доработок техни­ ческих систем, а также рассмотрены вопросы оценки надежности и эф­ фективности доработок.

Для специалистов, работающих в области исследования, создания и эксплуатации изделий машиностроения, а также для преподавателей вузов.

ISBN 5-217-02591-3 ©Издательство «Машиностроение», 1995,

ПРЕДИСЛОВИЕ

Вопросам надежности в машиностроении уделя­ ется большое внимание, что можно объяснить бурным техническим прогрессом в области создания сложных изделий как общего промышленного использования, так и изделий военного назначения. Как правило, эти изделия многофункциональны и должны обладать высокой надежностью и безопасностью в эксплу­ атации. Вопросам надежности изделий посвящено много работ. В них изложены математические методы расчета и анализа надежности, способы оценки на­ дежности, методы планирования испытаний и другие вопросы.

В этой работе приведены методы обеспечения надежности сложных технических систем типа подвиж­ ных установок специального назначения и обобщены результаты теоретических и практических исследо­ ваний в этой области. Значительная часть излагаемых методов носит достаточно общий характер и может быть использована в различных отраслях техники.

Книга предназначена для специалистов, исследуюющих и разрабатывающих сложные технические систе­ мы, а также для преподавателей и студентов вузов, за­ нимающихся проблемами надежности.

3

Г л а в а 1 ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НАДЕЖНОСТИ

1.1. ПОНЯТИЯ, ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗ ОБЛАСТИ НАДЕЖНОСТИ

Основные понятия, термины и определения из области надежности соответствуют ГОСТ 27.002—89.

Надежность — одно из свойств качества продукции, или свойство объекта сохранять во времени в установленных преде­ лах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования.

В теории надежности рассматриваются следующие объекты: изделие — единица промышленной продукции, количество которой может исчисляться в штуках (экземплярах), к изделиям допускается относить завершенные и незавершенные предметы

производства, в том числе заготовки (ГОСТ 15895—77); элемент — составная часть изделия [15]; система — совокупность совместно действующих элементов,

предназначенная для самостоятельного выполнения заданных функций [15].

Понятия «элемент» и «система» могут взаимно трансфор­ мироваться в зависимости от поставленной задачи. Например, станок с точки зрения надежности можно рассматривать как систему, состоящую из отдельных элементов — узлов, механиз­ мов, деталей и т. д., но станок, установленный в автоматической линии, на которую заданы требования по надежности, рассматри­ вается уже как элемент.

Изделия подразделяются на невосстанавливаемые, которые не могут быть восстановлены потребителем и подлежат замене, например элементы радиоэлектронной аппаратуры (диоды, микросхемы, кинескопы), резинотехнические изделия (манжеты, уплотнительные кольца), детали механических узлов (подшип­ ники, валы, шестерни и т. д.) и восстанавливаемые, которые могут быть восстановлены потребителем (например, станок, трак­ тор, автомобиль, телевизор).

Надежность является комплексным свойством и включает в себя такие свойства, как безотказность, долговечность, ремонто­ пригодность и сохраняемость. В зависимости от вида изделия >

4

его надежность может включать только часть составных свойств надежности (см. ГОСТ 27.003—90). Так, например, если изде­ лие невосстанавливаемое, то для такого изделия в свойство надежности не включается долговечность и ремонтопригод­ ность — для него важно только свойство безотказности. Для из­ делий, подлежащих длительному хранению, важно свойство сохраняемости.

Безотказность — свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или некоторой наработки (наработка — временное понятие, слу­ жащее для количественной оценки надежности объекта и харак­ теризующее продолжительность или объем работы объекта; может измеряться в часах, числах циклов функционирования, километрах пробега и других величинах).

Долговечность — свойство объекта сохранять работоспособ­ ное состояние до наступления предельного состояния при уста­ новленной системе технического обслуживания и ремонта.

В отличие от свойства безотказности долговечность харак­ теризует продолжительность работы изделий по суммарной наработке, прерываемой периодами для восстановления его ра­ ботоспособности в плановых и неплановых ремонтах и техничес­ ком обслуживании.

Ремонтопригодность — свойство объекта, заключающееся в его приспособленности к поддержанию и восстановлению работо­ способного состояния путем проведения технического обслу­ живания и ремонта. Это свойство определяется компоновочным решением объекта.

Сохраняемость — свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способности объекта выполнять требуемые функции, в течение хранения и (или) транспортирования.

Изделие машиностроения, с точки зрения надежности, может находиться в одном из следующих состояний: исправном, не­

1 ехнической и (или) конструкторской (проектной) документации. Работоспособное состояние — состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность вы­ полнять заданные функции, соответствует требованиям норма­ тивно-технической и (или) конструкторской (проектной) доку­

ментации.

Неработоспособное состояние — состояние объекта, при ко­ тором значение хотя бы одного параметра, характеризующего

5

его способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.

Предельное состояние — состояние объекта, при котором его дальнейшее применение по назначению недопустимо или не­ целесообразно, либо восстановление его работоспособного со­ стояния невозможно или нецелесообразно. Предельное состояние наступает после исчерпания ресурса или в аварийной ситуации.

Неисправное изделие может быть работоспособным, на­ пример, снижение плотности электролита в аккумуляторных батареях, повреждение облицовки автомобиля означает неис­ правное состояние, но такой автомобиль работоспособен. Не­ работоспособное изделие является одновременно и неисправным.

Переход объекта из работоспособного в неработоспособное состояние происходит при наступлении события, называемого отказом.

Отказ — это событие, заключающееся в нарушении работо­ способного состояния объекта. В зависимости от того, преду­ смотрены или не предусмотрены нормативно-технической и (или) конструкторской документацией для данного изделия операции технического обслуживания, изделия подразделяются на обслу­ живаемые и необслуживаемые, а в зависимости от того, преду­ смотрены или нет операции ремонта — на ремонтируемые и пере­ монтируемые.

Ремонтируемый объект — объект, ремонт которого возможен и предусмотрен нормативно-технической, ремонтной и (или) конструкторской (проектной) документацией.

Перемонтируемый объект — объект, ремонт которого невоз­

Большинство изделий машиностроения относятся к классу ремонтируемых; к неремонтируемым могут быть отнесены под­ шипники, шпонки, шестерни, ремни, рукава высокого давления, манжеты, уплотнения и другие изделия машиностроения.

Для количественной характеристики каждого из свойств на­ дежности изделия служат такие единичные показатели, как нара­ ботка, наработка до отказа, наработка между отказами, ресурс, срок службы, срок сохраняемости, время восстановления. Значе­ ния этих величин получают по данным испытаний или эксплу­

плуатации или ее возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние.

Срок службы — календарная продолжительность эксплу­ атации объекта или ее возобновления после ремонта от начала его применения до наступления предельного состояния.

6

Срок сохраняемости — календарная продолжительность хра­ нения и (или) транспортирования объекта в заданных условиях, в течение и после которых сохраняются исправность, а также значения показателей безотказности, долговечности и ремонтнопригодности в пределах, установленных нормативно-технической документацией на данный объект.

Время восстановления — характеризует календарную продол­ жительность операций по восстановлению работоспособного состояния объекта или продолжительность операций по техни­ ческому обслуживанию.

Для количественной характеристики надежности исполь­ зуют показатели надежности.

По способу получения различают показатели: расчетные,

получаемые на основе расчетных методов, экспериментальные, определяемые по данным испытаний; эксплуатационные, полу­ чаемые по данным эксплуатации; экстраполированные, найден­ ные на основании расчетов, испытаний и (или) эксплуатацион­ ных данных путем экстраполирования на другую продолжитель­ ность эксплуатации и другие условия эксплуатации.

7

По области использования показатели надежности подразде­ ляются на нормируемые и оценочные. Нормируемым называют показатель надежности, значение которого регламентировано нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документацией. К оценочным относятся фактические значения показателей надежности опытных образцов и серийной продукции, получаемые по результатам испытаний и эксплуатации.

По области распространения показатели надежности подраз­ деляются на индивидуальные и групповые.

К индивидуальным относятся такие показатели надежности, используя которые можно по результатам испытаний или экс­ плуатации делать вывод, соответствует или не соответствует даннре изделие регламентированным требованиям по надеж­ ности.

К групповым относятся такие показатели надежности, ис­ пользуя которые можно по результатам испытаний или эксплу­ атации делать вывод, соответствует или не соответствует пар­ тия изделий регламентированным требованиям по надежности.

Единичные показатели характеризуют одно из свойств на­ дежности и в зависимости от этого подразделяются на показа­ тели безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохра­ няемости.

Комплексные показатели характеризуют одновременно не­ сколько свойств. Номенклатура основных показателей надеж­ ности приведена в табл. 1.1.

1.2. ПОКАЗАТЕЛИ БЕЗОТКАЗНОСТИ

Вероятность безотказной работы — вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ изделий не возникает (ГОСТ 27.002—89).

Статистическую оценку вероятности безотказной работы за время t определяют из соотношения

= ( и )

где Np— число работоспособных изделий к концу времени t ис­ пытаний или эксплуатации; N — число изделий, поставленных на испытания или эксплуатацию; n(t) — число изделий, отказав­ ших к концу времени t испытаний или эксплуатации.

Так как безотказная работа и отказ — взаимно противопо­ ложные события, то оценку вероятности отказа определяют по формуле

( 1.2)

8

Распределение отказов во времени характеризуется функ­ цией плотности распределения f(t) наработки до отказа. Ста­ тистическая оценка плотности распределения имеет вид

где Дn(t) — приращение числа отказавших изделий за время Дt. В вероятностном смысле плотность распределения наработки

Это соотношение является одним из основных уравнений теории надежности.

В рассматриваемых способах оценки вероятности безотказной

9