Проблема надежности в технике

Под надежностью в широком смысле понимают приспособленность системы (естественной, искусственной) к выполнению в течение заданного времени функций в соответствии с ее предназначением в определенных условиях окружающей среды. Так, предназначением биологических систем является выживание, и их надежность характеризуется способностью существовать во времени в естественных условиях обитания. Для искусственных, в частности, технических систем предназначение определяется, а условия окружающей среды выбираются и регулируются по замыслу людей и представляют собой условия функционирования, хранения и обслуживания, т.е. эксплуатации. С учетом этого надежность технических систем представляет их приспособленность к выполнению всех функций в соответствии с целевым назначением. Она характеризует стабильность, сохраняемость во времени всех существенных с точки зрения применения свойств системы.

Обеспечение надежности является одной из основных инженерных проблем, без разрешения которой немыслим технический прогресс. Низкая надежность систем и средств управления (ССУ) резко уменьшает эффективность их использования и увеличивает стоимость. Это иллюстрируется рис.1.1, где:

Рис.1.1

P(t)– вероятность безотказной работы; WЭ – затраты на эксплуатацию; WИ – затраты на изготовление

Очевидно, что затраты на изготовление и затраты на эксплуатацию находятся в противоречии. Для малонадежных систем стоимость изготовления не высока, однако требуются значительные затраты на обслуживание, восстановление и ремонт в процессе эксплуатации, и наоборот, при существенных затратах на изготовление высоконадежных систем стоимость их эксплуатации резко уменьшается. В частном случае (см. рис.1.1), оптимальное соотношение затрат на изготовление и эксплуатацию достигается при обеспечении надежности Р _опт (t).

Особое значение проблема обеспечения высокой надежности ССУ приобрела для систем военного назначения. Это связано с необходимостью поддержания объектов в высокой степени готовности к боевому применению, причем критерий готовности является доминирующим по отношению к стоимости изготовления и эксплуатации и находится в прямой зависимости от надежности системы. Для таких систем вводят интегральный показатель качества – эффективность, являющийся мерой полезности системы в целом.

Основные понятия и определения теории надежности

Для дальнейшего изложения основ теории надежности необходимо ввести ряд понятий. Большинство из них определены ГОСТ 27.002-89. “Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения”, остальные являются общепринятыми. Они приведены, например, в [1].

Объект – техническое изделие определенного целевого назначения, рассматриваемое в периоды проектирования, производства, испытаний и эксплуатации.

Объектами могут быть различные системы и их элементы.

Система – объект, представляющий собой совокупность элементов, взаимосвязанных функционально и взаимодействующих в процессе выполнения определенного круга задач.

Элемент системы – объект, представляющий собой простейшую часть системы, который на данном уровне рассмотрения самостоятельно не применяется и не расчленяется на части.

Разумеется, что понятия системы и элемента являются относительными и в одном исследовании объект является системой, а в другом может рассматриваться как элемент более сложной системы.

Надежность – свойство объекта сохранять во времени и установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования.

Следует отметить, что надежность является сложным свойством, включающим безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость.

Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки.

Долговечность – свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

Ремонтопригодность – свойство объекта, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений и поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем проведения технического обслуживания и ремонтов.

Сохраняемость – свойство объекта сохранять значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в течение и после хранения и (или) транспортирования.

Понятие надежности тесно связано с понятием о его качестве, при этом качество определяется как совокупность свойств объекта, характеризующих возможность и целесообразность применения его по назначению. Для ССУ такими свойствами могут быть быстродействие, достоверность информации, степень автоматизации процесса и т.п. Надежность является одним из свойств качества, но оно не является самостоятельным, а характеризует сохраняемость основных свойств объекта во времени.

В зависимости от значений характеристик основных свойств объекта различают следующие технические состояния.

Исправное состояние – состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской документации.

Неисправное состояние – состояние объекта, при котором он не соответствует хотя бы одному из требований нормативно-технической и (или) конструкторской документации.

Работоспособное состояние – состояние объекта, при котором значение всех его параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствует требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской документации.

Неработоспособное состояние – состояние объекта, при котором значение хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской документации.

Предельное состояние – состояние объекта, при котором его дальнейшее применение по назначению недопустимо или нецелесообразно, либо восстановление его исправного или работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно.

В процессе эксплуатации объект может переходить из одного состояния в другое под воздействием событий: повреждения, отказа, восстановления, ремонта. (см. рис. 1.2).

Дефект – каждое отдельное несоответствие продукции установленным требованиям.

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

Рис. 1.2

Отказ – событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта.

Различают [1, 2, 3, 4] следующие виды отказов (табл.1.1).

Внезапный отказ – отказ, характеризующийся скачкообразным изменением одного или нескольких основных параметров системы.

Постепенный отказ – отказ, характеризующийся постепенным изменением одного или нескольких основных параметров.

Независимый отказ – отказ элемента системы, не обусловленный повреждениями или отказами других элементов системы.

Устойчивый отказ – отказ, который сохраняется до его устранения в процессе ремонта (восстановления).

Перемежающийся отказ – отказ, который проявляется периодически и самоустраняется; длительность периода носит случайный характер. Устойчивый отказ – отказ, который сохраняется до его устранения в процессе ремонта (восстановления).

Таблица 1.1

Классификация отказов

№ ^п/п	Классификационный признак	Вид отказа
1.	Влияние на работоспособность	полный, частичный
2.	Характер проявления	внезапный, постепенный
3.	Связь между отказами	независимый, зависимый
4.	Причина появления	конструкционный, производственный, эксплуатационный
5.	Время существования	устойчивый, перемежающийся
6.	Внешнее проявление	явный, маскируемый
7.	Частота появления	типичный, случайный
8.	Внешнее определяющее воздействие	механическое, тепловое, электрических нагрузок, агрессивных сред, радиоактивного излучения
9.	Эффект внешнего воздействия	обратимый, необратимый
10.	Природа происхождения	естественный, искусственный
11.	Механизм проявления	короткое замыкание, обрыв, изменение параметров

Маскируемый отказ – отказ, который после возникновения не устраняется сам по себе, но появляется лишь в определенных режимах работы системы.

Конструкционный отказ – отказ, возникающий вследствие ошибок конструктора.

Производственный отказ – отказ, возникающий вследствие нарушения или несовершенства технологического процесса изготовления объекта или комплектующего изделия.

Эксплуатационный отказ – отказ, возникающий вследствие нарушения установленных правил эксплуатации или вследствие влияния непредусмотренных внешних воздействий.

Типичный отказ – отказ, типичный для данной конструкции или технологии изготовления при определенных условиях эксплуатации.

Случайный отказ – отказ, являющийся следствием единичных проявлений каких-либо ошибок или дефектов.

Обратимый отказ – устойчивый отказ, который самоустраняется после окончания внешнего воздействия (теплового, механического и т.п.).

Необратимый отказ – отказ, который самопроизвольно не устраняется после окончания внешнего воздействия.

Для устранения повреждений и отказов предназначены процессы восстановления и ремонта.

Восстановление – процесс обнаружения и устранения отказа (повреждения) с целью восстановления его работоспособного (исправного) состояния.

Ремонт – комплекс операций по восстановлению исправного или работоспособного состояния объекта и восстановлению ресурса объекта или его элементов.

Наработка до отказа – наработка объекта от начала его эксплуатации до возникновения первого отказа.

Восстанавливаемый объект – объект, для которого в рассматриваемой ситуации проведение восстановления работоспособного состояния предусмотрено в нормативно-технической и (или) конструкторской документации.

Невосстанавливаемый объект – объект, для которого в рассматриваемой ситуации проведение восстановления работоспособного состояния не предусмотрено в нормативно-технической и (или) конструкторской документации.

Следует подчеркнуть, что каждый технический объект в течение жизненного цикла проходит множество этапов, основными из которых являются:

1. Исследование и обоснование разработки [5] включают проработку, научно-исследовательские работы, разработку технического предложения.

2. Разработка. Предполагает опытно-конструкторские работы, начиная от эскизного проектирования до изготовления рабочей документации на опытные образцы, опытную отработку и разработку документации для серийного производства.

3. Эксплуатация объекта. Включает в себя следующие основные процессы: приведение в готовность к применению по назначению, поддержание в этой готовности, применение по назначению, хранение, транспортирование, техническое обслуживание, восстановление исправного, работоспособного состояния, ремонт. В процессе эксплуатации могут проводиться доработки и модернизация. Заканчивается жизненный цикл снятием с эксплуатации по достижении предельного состояния либо вследствие замены объекта на более совершенный.

Дата добавления: 2015-09-05