Теория надежности как наука и научная дисциплина

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕОРИЯ НАДЕЖНОСТИ

ВВЕДЕНИЕ

Надежность является одним из самых важных показателей современной техники. От нее зависят такие показатели, как качество, эффективность, безопасность, риск, готовность, живучесть. Техника может быть эффективной только при условии, если она имеет высокую надежность.

Надежность техники определяется при ее проектировании и производстве. Чтобы создать техническую систему, удовлетворяющую требованиям надежности, необходимо уметь рассчитать ее надежность в процессе проектирования, знать методы обеспечения высокой надежности и способы их технической реализации. Необходимо также доказать экспериментально, что показа­тели надежности спроектированной системы не ниже заданных. И это еще не все. Нужно также разработать методы, обеспечивающие высокую безотказность техники в процессе ее эксплуатации. Все это невозможно реализовать, если не владеть основами теории надежности. Ее должен знать инженер, проектирующий технику, инженер-технолог, инженер-эксплуатационщик.

Необходимость знания теории надежности широкому кругу специалистов — одна из особенностей теории надежности как науки и научной дисциплины.

Теория надежности — это наука, изучающая закономерности отказов технических объектов. Она изучает:

- критерии и показатели надежности различных видов технических объектов;

- методы анализа и синтеза техники по критериям надежности;

- методы обеспечения и повышения надежности техники;

- научные методы эксплуатации, обеспечивающие ее эксплуатационную надежность.

Теория надежности является научной дисциплиной, относящейся к числу общетехнических дисциплин. Она изучается во всех технических вузах страны под разными названиями. На основании теории надежности в специальных технических дисциплинах изучаются вопросы надёжности конкретных технических объектов.

ГЛАВА 1

Теория надежности - наука, изучающая закономерности отказов технических систем.

Основными объектами ее изучения являются:

- критерии надежности технических систем различного назначения;

- методы анализа надежности в процессе проектирования и эксплуатации технических систем;

- методы синтеза технических систем;

- пути обеспечения и повышения надежности техники;

- научные методы эксплуатации техники, обеспечивающие ее высокую надежность.

Особенности этой дисциплины таковы:

- теория надежности — общетехническая дисциплина;

- математическое моделирование — основа изучения дисциплины;

- комплексный характер;

- высокая значимость и глубокая связь с другими техническими предметами;

- трудность моделирования и изучения процессов, протекающих в сложных технических системах (в смысле их надежности).

Рассмотрим более подробно эти особенности.

Процессы, протекающие в сложных технических системах, в смысле их надежности, закономерны и не зависят от вида техники. Это дает возможность их изучения общими для любых технических средств методами. Разработан­ные в теории надежности методы анализа, синтеза, способы повышения надежности и научные методы эксплуатации техники являются общими для любых технических систем. Этим определяется общетехнический характер теории надежности и ее научность. Особенности отдельных видов техники изучаются в специальных технических дисциплинах, в которых на основании общей теории решаются конкретные задачи надежности.

Математическое моделирование является основой изучения функционирования сложных систем в смысле их надежности. При этому исследователя возникают значительные трудности в связи со следующими особенностями решаемых задач:

- случайный характер явлений;

- многокритериальность;

- высокая размерность уравнений;

- многовариантность;

- необходимость обеспечения высокой точности.

Эти особенности требуют применения в процессе моделирования объемного математического аппарата: теории вероятностей и математической статистики, решения алгебраических, дифференциальных, интегральных уравнений, теории графов, интегральных преобразований, вычислительной математики, методов оптимизации, статистического моделирования и др.

Надежность является важнейшим параметром любой технической системы. Она во многом определяет такие характеристики системы, как качество, эффективность, безопасность, живучесть, риск, которые изучаются в специальных предметах. Глубокая связь с этими предметами — еще одна особенность теории надежности как науки.

Теория надежности — дисциплина комплексная. В ее разделы входят предметы, которые могут быть самостоятельными дисциплинами. К ним относятся:

- математическая теория надежности;

- физическая теория надежности ("физика отказов");

- прогнозирование;

- диагностика;

- теория контроля;

- теория восстановления (управление запасами).

Надежность техники зависит от многих факторов; критерии и показатели надежности устанавливаются в зависимости от вида техники и ее применения; обеспечение надежности в процессе эксплуатации определяется дисциплиной обслуживания, квалификацией обслуживающего персонала, экономическими соображениями. Отсюда ясно, что техника с позиции надежности — это объект системного анализа.

Любая наука развивается из основных понятий и определений. В теории надежности такими понятиями являются "надежность" и "отказ". Сформулируем эти понятия и дадим им научные определения.

1.2. Определение понятия "надежность"

Надежностью называется свойство технического объекта сохранять свои характеристики (параметры) в определенных пределах при данных условиях эксплуатации.

Из этого определения следует, что надежность — понятие объективное, независимое от нашего сознания.

В природе все, что имеет начало, имеет и конец. В течение жизни объект расходует свои ресурсы и, наконец, погибает. Так же происходит и с надежностью. Создается техническое средство с определенным ресурсом. В процессе эксплуатации оно приносит человеку пользу за счет потери этого ресурса. Оно отказывает (болеет), его ремонтируют (лечат). Этот процесс длится до тех пор, пока эксплуатация технического средства целесообразна.

Этот процесс и все, что с ним связано (применительно к техническим средствам), и изучает теория надежности.

В литературе и даже в некоторых стандартах приводятся определения понятия "надежность", существенно отличающиеся по смыслу от сформулированного ранее. Иногда это понятие отождествляется с его численной оценкой: «надежностью называется вероятность безотказной работы системы в течение времени t». Численные показатели не могут быть определениями физических явлений, подобные определения ошибочны.

Часто понятие "надежность" связывают со временем работы технического объекта. Следует иметь в виду, что время — лишь аргумент показателей надежности, такой же, как число элементов системы и, интенсивность отказов элементов. Манипулируя временем, можно прийти к ложным выводам. Вот типичный пример. Имеются две системы, их вероятности безотказной работы имеют значения Р₁(100) = 0,95, Р₂ (200)= 0,92. Какая из систем более надежна? Очевидный ответ, что первая, т. к. Р₁> Р₂, ошибочен. В ответе не учтено, что системы работают разное время. Правильный ответ здесь неизвестен. Ошибочны также определения, в которых понятие "надежность" трактуется как совокупность свойств безотказности, ремонтопригодности, сохраняемости, долговечности. В подобных определениях содержатся две принципиальные ошибки. Во-первых, безотказность, ремонтопригодность и долговечность не являются физическими свойствами техники. Во-вторых, физическое свойство не может быть совокупностью других физических свойств. Приведенные нами определения понятия "надежность" не научны, их часто называют монтерскими.

4.3. Понятие "отказ". Классификация и характеристики отказов

Отказом называется событие, после возникновения которого характеристики технического объекта (параметры) выходят за допустимые пределы.

Это понятие субъективно, т. к. допуск на параметры объекта устанавливает пользователь. Вот один из примеров. Математическая система Мар1е имеет в своем составе около 3000 функций. Предположим, что перестала функционировать одна из них, например функция вычисления логарифма действительного числа. Является это отказом компьютера или, вернее, системы Мар1е или нет? Ответ здесь не однозначный, субъективный.

Отказ — фундаментальное понятие теории надежности. Критерий отказа — отличительный признак или совокупность признаков, согласно которым устанавливается факт возникновения отказа.

По типу отказы подразделяются на:

- отказы функционирования, при которых прекращается выполнение объектом основных функций (например, поломка зубьев шестерни);

- отказы параметрические, при которых параметры объекта изменяются в недопустимых пределах (например, потеря точности измерения напряжения вольтметром).

По своей природе отказы могут быть:

- случайные, обусловленные непредусмотренными перегрузками, дефектами материала, ошибками персонала, сбоями системы управления и т. п.;

- систематические, обусловленные закономерными явлениями, вызывающими постепенное накопление повреждений: усталость, износ, старение, коррозия материалов и т. п.

Основными признаками классификации отказов являются:

- характер возникновения;

- причина возникновения;

- последствия отказов;

- дальнейшее использование объекта;

- легкость обнаружения;

- время возникновения.

Рассмотрим подробнее каждый из классификационных признаков.

По характеру возникновения отказы могут быть внезапные, постепенные и перемежающиеся. Внезапный отказ - это отказ, проявляющийся в резком (мгновенном) изменении характеристик объекта. Постепенный отказ - отказ, происходящий в результате медленного, постепенного ухудшения характеристик объекта из-за износа и старения материалов. Внезапные отказы обычно проявляются в виде механических повреждений элементов (поломки, пробои изоляции, обрывы и т. п.) и не сопровождаются предварительными видимыми признаками их приближения. Внезапный отказ характеризуется независимостью момента наступления от времени предыдущей работы. Перемежающимся называется отказ самоустраняющийся (возникающий/исчезающий). Типичным примером перемежающегося отказа является сбой ком­пьютера.

По причине возникновения отказы могут быть конструкционные, производственные и эксплуатационные. Конструкционным отказ появляется в результате недостатков и неудачной конструкции объекта. Производственный отказ связан с ошибками при изготовлении объекта по причине несовершенства или нарушения технологии. Эксплуатационный отказ вызывается нарушением правил эксплуатации объекта.

По признаку дальнейшего использования объекта отказы могут быть полные или частичные. Полный отказ исключает возможность работы объекта до его устранения. При возникновении частичного отказа объект может частично использоваться.

По признаку легкости обнаружения отказы бывают очевидные (явные) и скрытые (неявные).

По времени возникновения отказы подразделяются на приработочные, возникающие в начальный период эксплуатации, отказы при нормальной эксплуатации, износовые отказы, вызванные необратимыми процессами износа деталей, старения материалов и т. п.

Анализ сведений об отказах оборудования при эксплуатации сложных систем показывает, что с течением времени происходит старение элементов и увеличение их отказов, что приводит к значительному росту затрат (материальных, временных, финансовых) ресурсов. Многолетняя практика эксплуатации сложных систем показывает, что важной задачей при поддержании объектов в состоянии работоспособности является организация и проведение технического обслуживания и различных видов ремонтов (восстановлений) элементов систем. Исключительно важна проблема продления ресурса стареющих систем с учетом критериев надежности и уменьшения техногенного риска.

1.4. Надежность и сохраняемость

Существуют технические объекты, основным режимом функционирования которых является хранение. К таким объектам относятся системы разового использования, например: системы вооружения, системы с малым коэффициентом использования, запасные элементы, приборы, устройства, хранящиеся на складе, и т. п.

Понятие "надежность", сформулированное ранее, в полной мере относится и к таким объектам. Вводится только новое название "сохраняемость".

Сохраняемостью называется свойство технического объекта сохранять свои характеристики (параметры) в процессе хранения.

Из этого определения следует, что понятия "надежность" и "сохраняемость" тождественны. Их отличие лишь в условиях эксплуатации.

Критериями и показателями сохраняемости могут быть все критерии и показатели, применяемые для оценки надежности техники в процессе ее работы. Однако методы анализа надежности и сохраняемости по этим показателем существенно различны.

В процессе хранения техника не работает. В связи с этим основным видом ее отказа является отказ постепенный, возникающий вследствие старения материалов. Время возникновения такого отказа - величина случайная. Получить экспериментальным путем ее распределения чрезвычайно трудно. В связи с этим прогнозировать показатели сохраняемости в процессе проектирования и создания техники вряд ли возможно.

1.5. Терминология теории надежности

Надежность - один из самых важных параметров техники. Ее показатели необходимы для оценки, качества техники, ее эффективности, безотказности, живучести, риска. Надежность зависит от многих внешних и внутренних факторов и оценивается многими критериями и показателями. Все это привело к появлению в теории надежности большого числа различных терминов н их определений. Далее приводятся некоторые из них, часто применяемые на практике и в теории.

Элемент - объект (материальный, энергетический, информационный), обладающий рядом свойств, внутреннее строение (содержание) которого значения не имеет.

В теории надежности под элементом понимают элемент, узел, блок, имеющий показатель надежности, самостоятельно учитываемый при расчете показателей надежности системы. Понятия элемента и системы трансформируются в зависимости от решаемой задачи. Например, станок при оценке его надежности рассматривается как система, состоящая из элементов - деталей, механизмов, узлов и т. п. При оценке надежности технологической линии станок является элементом системы.

Система — совокупность связанных между собой элементов, обладающая свойством (назначением, функцией), отличным от свойств отдельных ее элементов.

Практически любой объект с определенной точки зрения может рассматриваться как система. Системой с точки зрения механики являются, например, собранная из стержней стрела крана или труба газопровода. Элементами последней будут ее участки между сварными швами или опорами. Связи в данном случае имеют силовой (энергетический) характер— каждый элемент действует на соседний.

Структура системы — взаимосвязи и взаиморасположение составных частей системы, ее устройство. Расчленение системы на группы элементов может иметь материальную (вещественную), функциональную, алгоритмическую и другую основу. Структура сборного моста состоит из его отдельных, собираемых на месте секций. Грубая структурная схема укажет только эти секции и порядок их соединения. Последнее и есть связи, которые здесь носят силовой характер. Пример функциональной структуры - это деление двигателя внутреннего сгорания на подсистемы питания, смазки, охлаждения, передачи силового момента.

Обычно понятие структура связывают с ее графическим отображением. В зависимости от связей между элементами различают следующие виды структур: последовательные, параллельные, с обратной связью, сетевые и иерархические.

Процесс - это набор состояний системы, соответствующий упорядоченному (непрерывному или дискретному) изменению некоторого параметра, определяющего характеристики (свойства) системы.

Процесс изменения системы во времени называется динамикой системы. Параметрами процесса могут также выступать температура, давление, линейные и угловые координаты и другие физические величины, которые, однако, сами зависят от времени.

Технический объект в процессе функционирования может находиться в различных состояниях, оцениваемых численными показателями. Приведем термины состояния объекта и их оценки.

Исправность - состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям, установленным нормативно-технической документацией (НТД).

Работоспособность - состояние объекта, при котором он способен выпол­нять заданные функции, сохраняя значения основных параметров, установ­ленных НТД.

Основные параметры характеризуют функционирование объекта при выполнении поставленных задач.

Понятие исправности шире, чем понятие работоспособности. Работоспособный объект обязан удовлетворять лишь тем требованиям НТД, выполнение которых обеспечивает нормальное применение объекта по назначению. Таким образом, если объект неработоспособен, то это свидетельствует о его неисправности. С другой стороны, если объект неисправен, то это не означает, что он неработоспособен.

Предельное состояние - состояние объекта, при котором его применение по назначению недопустимо или нецелесообразно. Применение (использование) объекта по назначению прекращается в следующих случаях:

- при неустранимом нарушении безопасности;

- при неустранимом отклонении величин заданных параметров;

- при недопустимом увеличении эксплуатационных расходов.

Для некоторых объектов предельное состояние является последним в его функционировании, т. е. объект снимается с эксплуатации, для других объектов - определенной фазой в эксплуатационном графике, требующей проведения ремонтно-восстановительных работ.

В связи с этим, объекты могут быть:

- невосстанавливаемые, для которых работоспособность в случае возникновения отказа не подлежит восстановлению;

- восстанавливаемые, работоспособность которых может быть восстановлена, в том числе и путем замены.

К числу невосстанавливаемых объектов можно отнести, например, подшипники качения, полупроводниковые изделия, зубчатые колеса и т. п. Объекты, состоящие из многих элементов, например станок, автомобиль, электронная аппаратура, являются восстанавливаемыми, поскольку их отказы связаны с повреждениями одного или немногих элементов, которые могут быть заме­нены.

В ряде случаев один и тот же объект в зависимости от особенностей, этапов эксплуатации или назначения может считаться восстанавливаемым или невосстанавливаемым.

Восстановление может быть полностью ограниченным, когда обслуживание системы производится одной ремонтной единицей, ограниченным, если имеется более одной ремонтной единицы, но при этом может образоваться очередь на обслуживание вследствие нехватки ремонтных единиц. Восстановление может быть неограниченным, если ремонтных единиц достаточно для одновременного обслуживания всех отказавших элементов.

Наработка — продолжительность или объем работы объекта, измеряемые единицами времени, числом циклов нагружения, километрами пробега и т. п.

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

Наработка между отказами — наработка объекта от окончания восстановления его работоспособного состояния после отказа до возникновения следующего отказа.

Технический ресурс — наработка объекта от начала его эксплуатации (или ее возобновления после ремонта) до перехода в предельное состояние. Технический ресурс может быть также регламентирован, например, от начала эксплуатации до среднего или капитального ремонта, или от среднего до капитального ремонта, после которого требуется продление технического ресурса. Если регламентация отсутствует, то имеется в виду ресурс от начала эксплуатации до достижения предельного состояния после всех видов ремонтов.

Для невосстанавливаемых объектов понятия технического ресурса и наработки до отказа совпадают.

Назначенный ресурс - суммарная наработка объекта, при достижении которой эксплуатация должна быть прекращена независимо от его состояния.

Срок службы — календарная продолжительность эксплуатации (в том числе хранение, ремонт и т. п.) от ее начала до наступления предельного состояния.

Для большинства объектов электромеханики в качестве критерия долговечности чаще всего используется технический ресурс.

Время восстановления работоспособного Состояния — продолжительность восстановления работоспособного состояния объекта.

В теории надежности важную роль играют такие понятия, как безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость. Часто ошибочно считают эти понятия— составляющие надежности и определяют их как физические свойства. Уточним эти понятия.

Безотказность — это способность объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки.

Часто безотказность отождествляют с понятием "надежность" и характеризуют теми же показателями: вероятностью безотказной работы, средней наработкой до отказа, средней наработкой на отказ, интенсивностью отказов, параметром потока отказов.

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

Долговечность определяется следующими показателями:

- средний ресурс - математическое ожидание технического ресурса;

- гамма-процентный ресурс - наработка, в течение которой объект не достигнет предельного состояния с заданной вероятностью γ, выраженной в процентах;

- средний срок службы - математическое ожидание срока службы;

- гамма-процентный срок службы - календарная продолжительность от начала эксплуатации объекта, в течение которой он не достигнет предельного состояния с заданной вероятностью γ, выраженной в процентах.

Ремонтопригодность — способность объекта, заключающаяся в его приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем проведения ремонтов и технического обслуживания.

К показателям ремонтопригодности относятся вероятность восстановления работоспособного состояния в течение заданного времени и среднее время восстановления работоспособного состояния.

1.6. Классификация технических систем

Технические системы могут быть невосстанавливаемыми и восстанавливаемыми, длительного и короткого времени работы, резервированными и нерезервированными.

Техническая система называется невосстанавливаемой (перемонтируемой), если ее отказ приводит к неустранимым последствиям и систему нельзя использовать по своему назначению. Работа после отказа невосстанавливаемой системы считается невозможной или нецелесообразной. Типичными примерами невосстанавливаемых систем являются полупроводниковые приборы, управляемые снаряды, система управления воздушным судном в процессе полета и т. п.

Под восстанавливаемой (ремонтируемой) понимается система, которая может продолжать выполнение своих функций после устранения отказа, вызвавшего прекращение ее функционирования. Работа восстанавливаемой системы после отказа может быть возобновлена в результате проведения необходимых восстановительных работ. При этом под восстановлением системы понимается не только ремонт тех или иных элементов системы, а также полная замена отказавших элементов на новые.

Существуют системы смешанного типа, у которых часть элементов может восстанавливаться, а другая — нет.

В зависимости от выполняемых функций различаются системы длительного существования и системы короткого существования.

Резервированием называют способ повышения надежности путем включения резервных единиц, способных в случае отказа основного устройства выполнять его функции. Этот метод обладает большими возможностями получения заданных уровней надежности и имеет широкое практическое применение.

Разнообразные методы резервирования и способы включения резерва могут быть сведены к трем методам: общему, раздельному (поэлементному) и комбинированному (смешанному) резервированию. Общим называется такое резервирование системы, при котором параллельно включаются идентичные системы. Раздельным называется резервирование системы путем использования отдельных резервных устройств. При комбинированном резервировании в одной и той же системе применяется общее и раздельное резервирование.

Отношение числа резервных устройств к числу основных называется кратностью резервирования. Если это отношение - число целое, то такое резервирование называется резервированием с целой кратностью, иначе - с дробной кратностью.

Резервирование может быть с восстановлением, если основные и резервные элементы ремонтируются в процессе эксплуатации, и без восстановления в противном случае. Классификация методов резервирования показана на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Классификация методов резервирования

Главными способами включения резервных устройств, при отказах основных, являются следующие:

- постоянное, при котором резервные объекты соединены с основными в течение всего времени работы;

- замещением, при котором резервные объекты замещают основные только после отказа последних.

При этом в обоих случаях резервные объекты могут находиться в трех режимах работы:

- нагруженном, при котором резервные объекты находятся в тех же условиях, что и основные;

- ненагруженном, при котором резервные объекты не включены и не могут отказывать;

- облегченном, при котором резервные объекты включены, но работают не на полную нагрузку, т. е. их надежность в резервном состоянии выше, чем в рабочем. Однако отказ элементов возможен.

ГЛАВА 2

Дата добавления: 2014-10-15