1.1. Понятия надежности

Надежность (общая) — это свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах все параметры, обеспечивающие выполнение требуемых функций в заданных условиях эксплуатации,

Первостепенное значение надежности в технике связано с тем, что уровень надежности в значительной степени определяет развитие техники по основным направлениям: автоматизации производства, интенсификации рабочих процессов и транспорта, экономии материалов и энергии.

Современные технические средства состоят из множества взаимодействующих механизмов, аппаратов и приборов. Например, в современных автоматизированных прокатных комплексах насчитывается более миллиона деталей, современные системы радиоуправления ракетами имеют десятки миллионов элементов, тогда как первые простейшие машины и радиоприемники состояли только из десятков или сотен деталей. Отказ в работе хотя бы одного ответственного элемента сложной системы без резервирования может привести к нарушению работы всей системы.

Недостаточная надежность оборудования приводит к огромным затратам на ремонт, простою оборудования, прекращению снабжения населения электроэнергией, водой, газом, транспортными средствами, невыполнению ответственных задач, иногда к авариям, связанным с большими экономическими потерями, разрушением крупных объектов и с человеческими жертвами.

Хотя в литературе по надежности подчеркивалась полная надежность современной системы электроснабжения, в 1965 г. в США произошла исключительная по масштабам авария, оставившая огромную часть территории страны с населением 40 млн. человек без электрической энергии, освещения и электротранспорта на 14 ч. Причиной аварии был выход из строя одного реле на распределительном щите Ниагарской гидроэлектростанции.

При недостаточной долговечности машины изготовляют в большем, чем нужно, количестве, что ведет к перерасходу металла, излишкам производствен­ных мощностей, завышению расходов па ремонт и эксплуатацию. Физический срок службы машин в среднем существенно меньше срока морального износа.

Быстрое развитие науки о надежности в период научио–технической революции связано; а) с автоматизацией, многократным усложнением машин и их соединением в крупные комплексы; б) с задачами безлюдной технологии; в) с непрерывным форсированием машин, уменьшением их металлоемкости, повышением их силовой, тепловой, электрической напряженности.

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., восстанавливаемы е, 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, запинания, 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 — легко-устранимыми, 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, прнработочные 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, ремонтопригодностью и 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.