книги / Элементы прикладной теории надежности

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Е.М. Набока, А.И. Квашнин, А.В. Горбунов

ЭЛЕМЕНТЫ ПРИКЛАДНОЙ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2019

3

ВВЕДЕНИЕ

Одним из важнейших требований, предъявляемых к техническим объектам (ТО), является требование высокой надежности.

Под надежностью понимается свойство ТО сохранять требуемое качество в течение всего периода эксплуатации.

Это свойство закладывается на этапе проектирования, обеспе-

чивается при изготовлении, реализуется и поддерживается во вре-

мя эксплуатации.

Наука о надежности технических объектов сформировалась к пятидесятым годам прошлого столетия. У ее истоков стояли советские ученые, академики А.И. Берг, И.Г. Бруевич, В.В. Гниденко и др.

Развитие теории надежности идет по трем направлениям:

1.Математическая теория надежности. Разрабатываются ме-

тоды расчета надежности технических устройств.

2.Статистическая теория надежности. На основе экспе-

риментов изучаются статистические закономерности появления отказов.

3.Физическая теория надежности. Изучаются физические причины отказов, т.е. физика отказов.

Основные задачи прикладной теории надежности.

1.Расчет надежности на этапе проектирования и изготовления.

2.Обеспечение надежности в течение всего периода эксплуа-

тации.

Решение первой задачи связано с использованием специальных математических методов, разрабатываемых в теории надежности, а решение второй основано на традиционных конструкторских решениях и технологических методах создания высококачественных изделий, на их отработке по результатам испытаний и правильной эксплуатации.

(Основные сведения об эксплуатации технических объектов приведены в прил. 1).

Следует отметить, что все выводы теории надежности справедливы только для некоторой совокупности однотипных изделий, т.е. могут быть распространены только на массовые явления.

5

1.ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

ИОПРЕДЕЛЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ

Любой технический объект (ТО) можно рассматривать как отделенную от окружающей среды систему, которая предназначена для выполнения требуемых функций и состоит из совокупности совместно действующих и взаимосвязанных элементов. Это может быть, например, сборочная единица, деталь, устройство, оборудование, изделие, сооружение и т.п. ТО может включать аппаратные средства, программное обеспечение, персонал или их комбинации.

Надежность – это свойство ТО сохранять во времени способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования.

Требуемые функции и критерии их выполнения устанавливаются в нормативной, конструкторской, проектной, контрактной или иной документации на объект (далее – документация на объект).

Надежность является комплексным свойством. В общем случае оно включает: безотказность, ремонтопригодность, восстанавливаемость, долговечность, сохраняемость, готовность.

Рассмотрим подробнее эти составляющие надежности. Безотказность – свойство ТО непрерывно сохранять способ-

ность выполнять требуемые функции в течение некоторого времени или наработки в заданных режимах и условиях применения.

Ремонтопригодность – свойство ТО, заключающееся в его приспособленности к поддержанию и восстановлению состояния, в котором объект способен выполнять требуемые функции, путем технического обслуживания и ремонта.

Восстанавливаемость – свойство объекта, заключающееся в его способности восстанавливаться после отказа без ремонта. Восстанавливаемость объекта без использования внешнего ресурса называется самовосстанавливаемостью.

Долговечность – свойство ТО, заключающееся в его способности выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях

6

использования, технического обслуживания и ремонта до достижения предельного состояния.

Сохраняемость – свойство ТО сохранять способность к выполнению требуемых функций после хранения и (или) транспортирования при заданных сроках и условиях хранения и (или) транспортирования.

Готовность – свойство ТО, заключающееся в его способности находиться в состоянии, в котором он может выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания и ремонта в предположении, что все необходимые внешние ресурсы обеспечены. Готовность зависит от свойств безотказности, ремонтопригодности и восстанавливаемости объекта.

Составляющие надежности непосредственно связаны с техническим состоянием объекта.

Техническое состояние – это состояние ТО, характеризуемое совокупностью установленных в технической документации параметров, описывающих его способность выполнять требуемые функции в рассматриваемых условиях.

Техническое состояние во время эксплуатации ТО изменяется. Это происходит за счет:

–изменения внешнего и внутреннего нагружения и несущей способности конструкции ТО и его составных частей, режимов работы и условий применения;

–действия климатических факторов (влажность, температура, солнечная радиация и т.п.);

–износа деталей и старения материалов;

–операций регулировки;

–замены отказавших узлов, элементов, блоков.

В теории надежности рассматриваются следующие состояния:

исправное, неисправное, работоспособное, неработоспособное, рабочее, нерабочее, предотказное и предельное.

Исправное состояние (исправность) – состояние ТО, в котором он соответствует всем требованиям (здесь и далее – требованиям к параметрам ТО), установленным в документации на него.

7

Неисправное состояние (неисправность) – состояние ТО, в ко-

тором он не соответствует хотя бы одному из требований, установленных в документации на него.

Работоспособное состояние – состояние ТО, в котором он спо-

собен выполнять требуемые функции.

Неработоспособное состояние – состояние ТО, в котором он не способен выполнять хотя бы одну требуемую функцию по причинам, зависящим от него или из-за профилактического технического обслуживания.

Если ТО исправен, то он работоспособен. Неисправный объект может быть как неработоспособным, так и работоспособным. Неисправный ТО работоспособен, если группа параметров, определяющих работоспособность, находится в заданных пределах, а некоторые характеристики, непосредственно не влияющие на работоспособность, не соответствуют требованиям. Например, нарушение лакокрасочного покрытия, ржавчина на корпусе гидромашины: ГМ неисправна, но работоспособна. Неработоспособный объект всегда неисправен.

Рабочее состояние – состояние ТО, в котором он выполняет какую-либо требуемую функцию. В работоспособном состоянии ТО потенциально способен выполнять требуемую функцию, но не обязательно выполняет в данный момент.

Нерабочее состояние – состояние ТО, в котором он не выполняет ни одной из требуемых функций.

Предотказное состояние – состояние ТО, характеризуемое повышенным риском его отказа.

Предельное состояние – состояние ТО, в котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна, либо восстановление его работоспособности невозможно или нецелесообразно.

При достижении предельного состояния ТО снимается с эксплуатации и направляется в ремонт либо списывается и уничтожается, либо передается для применения не по назначению. Критерии предельного состояния устанавливаются в документации на объект.

Переход ТО из одного состояния в другое происходит за счет возникновения в нем дефектов.

8

Дефект – это каждое отдельное несоответствие ТО требованиям, установленным документацией. Дефект является результатом постепенных или внезапных изменений, происходящих в ТО в процессе его эксплуатации.

В зависимости от последствий дефекты делятся на повреждения и отказы.

Повреждение – это событие, заключающееся в нарушении исправного состояния при сохранении работоспособного состояния.

Отказ – событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта.

Важное значение в надежности имеют временные понятия. Наработка – это продолжительность или объем работы ТО.

Измеряется в единицах времени, в циклах, единицах выработки и т.п. Наработка до отказа – наработка ТО от начала эксплуатации или от момента его восстановления до отказа. Частным случаем наработки до отказа является наработка до первого отказа. Это нара-

ботка ТО от начала эксплуатации до первого отказа.

Наработка между отказами – наработка ТО между двумя следующими друг за другом отказами. Это понятие используется для восстанавливаемых ТО.

Ресурс – суммарная наработка ТО от начала эксплуатации или ее возобновления после ремонта до момента достижения предельного состояния.

Назначенный ресурс – это суммарная наработка, при достижении которой эксплуатация объекта может быть продолжена только после принятия решения о возможности продления данного показателя.

Остаточный ресурс – суммарная наработка ТО от момента контроля его технического состояния до момента достижения предельного состояния.

Срок службы – календарная продолжительность от начала эксплуатации или ее возобновления после капитального ремонта до момента достижения предельного состояния.

Все рассмотренные термины и определения соответствуют ГОСТ 27.002–2015, ГОСТ 18322–78, ГОСТ 27.003–2016.

9

2. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОТКАЗЕ

2.1. Отказ. Критерий отказа

Теория надежности – это наука о работоспособности технических объектов. Центральное место в ней занимает понятие отказа.

Отказ – это событие, заключающееся в нарушении работо-

способности объекта. При этом ТО прекращает выполнение хотя бы одной функции из заданной совокупности, определяющей его предназначение.

Примерами отказов являются поломка вала, разрушение корпуса, заклинивание подвижных частей изделия, несрабатывание электроуправляемого клапана при подаче на него напряжения, отказ насоса, который выражается в том, что подача насоса становится ниже установленного значения, срабатывание предохранительного клапана при давлении, большем установленного значения, и т.п.

ГОСТ 27.002–15 вводит понятие критерия отказа. Это признак или совокупность признаков нарушения работоспособного состояния объекта, установленные в документации. Признаки могут задаваться количественно или качественно. Типовыми критериями отказов являются:

–прекращение выполнения изделием требуемых функций;

–выход показателей функционирования (производительности, мощности, точности, чувствительности и других параметров) за пределы допустимого уровня;

–искажение информации на выходе объектов, имеющих в своем составе устройства дискретной техники, из-за сбоев;

–внешние проявления, свидетельствующие о наступлении или предпосылках наступления неработоспособного состояния (шум, стук в механических частях объектов, выделение химических веществ и т.п.).

Критерий отказа следует отличать от критерия повреждения, под которым понимаются признаки неисправного, но работоспособного ТО.

10