Основные положения
Важнейшей технической характеристикой качества является надежность. Надежность как свойство изделий оценивается вероятностными характеристиками, основанными на статистической обработке экспериментальных данных. Однако вероятностные методы определения; показателей надежности позволяют вполне определенно и достаточно хорошо оценивать надежность работы машин и других технических изделий.
По мере технического прогресса наблюдается усложнение технических изделий. Основное противоречие в развитии современной техники заключается в том, что если не предпринимать необходимые меры по повышению надежности, то чем сложнее, быстрее и точнее работа техники, тем менее она надежна. Отсюда следует, что решение проблемы надежности является не только важной технической, но и большой экономической задачей.
Сложность получения количественной оценки надежности исследуемого изделия состоит в том, что это свойство изделий обычно направлено в их будущее существование, т.е. оно «развернуто во времени» предстоящей эксплуатации, условия которой разнообразны и малопредсказуемы. Иначе говоря, характеристики надежности носят по отношению к каждому конкретному изделию вероятностный, прогнозный характер.
Основные термины и определения характеристик надежности
Основные понятия, термины и их определения, характеризующие надежность техники и, в частности, изделий машиностроения, даны и ГОСТ 27.002-89.
Надежность - свойство изделия сохранять в установленных пределах времени значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения, транспортировки и других действий.
Характеристики надежности выражают качественную сторону таких объектов, как:
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;
система - совокупность совместно действующих элементов, предназначенная для самостоятельного выполнения заданных функций.
Понятия «элемент» и «система» могут взаимно трансформироваться в зависимости от поставленной задачи. Например, станок с точки зрения надежности можно рассматривать как систему, состоящую из отдельных элементов — узлов, механизмов, деталей и т.д., но станок, установленный в автоматической линии, на которую заданы требования по надежности, рассматривается уже как ее элемент.
Надежность изделия — это комплексное свойство, которое в зависимости от назначения и условий эксплуатации может включать: безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость, устойчивость работы, режимную управляемость, живучесть и т.п. Однако чаще всего при оценке качества технических изделий определяют значения таких единичных показателей свойств, как безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость.
В зависимости от вида изделия, его назначения и условий эксплуатации надежность может оцениваться только частью составных свойств надежности (см. ГОСТ 27.003-90). Если, например, изделие невосстанавливаемое, то для него в состав свойств надежности не входит ремонтопригодность.
Безотказность - свойство изделия непрерывно сохранять работоспособность в течение заданного времени или наработки в определенных условиях эксплуатации.
Работоспособное состояние - состояние изделия, при котором оно способно выполнять заданные функции, сохраняя при этом допустимые значения всех основных параметров, установленных нормативно-технической документацией (НТД) и (или) проектно-конструкторской документацией.
Исправное состояние - состояние, при котором изделие соответствует всем требованиям нормативно-технической и (или) проектно-конструкторской документации.
Долговечность - свойство изделия сохранять во времени работоспособность, с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонта, до его предельного состояния, оговоренного технической документацией.
Долговечность обусловлена наступлением таких событий, какповреждение или отказ.
Повреждение - событие, заключающееся в нарушении исправности изделия.
Неисправное состояние - состояние, при котором изделие не удовлетворяет хотя бы одному из требований нормативно-технической и (или) проектно-конструкторской документации.
Неисправное изделие может быть работоспособным. Например, снижение плотности электролита в аккумуляторных батареях, повреждение облицовки автомобиля означают неисправное состояние, но такой автомобиль работоспособен. Неработоспособное изделие является одновременно и неисправным.
Отказ - событие, в результате которого происходит полная или частичная утрата работоспособности изделия.
Отказы классифицируют по различным признакам, а именно: по причинам возникновения, по характеру возникновения и по характеру проявления.
Причинами возникновения отказов могут быть:
конструктивные ошибки и недостатки, например: недостаточная прочность отдельных элементов или конструкции; неудачная компоновка узлов; не технологичность конструкции, относящаяся к выполнению заготовок механической и термической обработке, сборке и разборке; недостаточная защищенность конструкции от попадания влаги, пыли, от разогрева; назначение материала, не соответствующего условиям работы отдельных деталей; неудобство обслуживания и др.;
производственные недостатки в изготовлении - скрытые дефекты (раковины, рыхлости, мелкие трещины, инородные включении, неоднородность материала); некондиционные материлы; нарушения технологии изготовления и сборки и др.;
неправильная эксплуатация и техническое обслуживание - невыполнение эксплуатационных инструкций, несоблюдение правил технического обслуживания из-за низкой квалификации обслуживающего персонала; неисправности вспомогательных механизмов и т.д.;
внешние факторы - повышенная или низкая температура, повышенная влажность, повышенное пли пониженное атмосферное давление, загрязненность воздуха и др.;
некачественный ремонт - несоответствие материала, технологии изготовления (методов, режимов, точности и качества обработки) и сборки первоначальным условиям изготовления, плохой контроль за проведением ремонта.
По характеру возникновения отказы могут быть:
— внезапными, которые заранее предусмотреть бывает нельзя;
— постепенными, когда условия, приводящие к отказу, накапливаются постепенно (износ, перегрев, усталостные явления, старение, деформации);
— периодическими, повторяющимися через некоторые промежутки времени, по мере накопления условий, приводящих к отказу; после восстановления нормальных условий (температура, давление и др.) система как бы самовосстанавливается и продолжает функционировать.
Проявления отказов могут быть явными, скрытыми, независимыми и зависимыми. Независимым отказом является такой, который не вызван отказом других элементов системы. Отказ какого-либо элемента системы, получившийся в результате отказа других элементов ее, является зависимым. Отказ может быть также случайным или явно закономерным. В теории надежности отказ обычно рассматривается как событие независимое, случайное.
В зависимости от сложности устранения различают отказы: устраняемые в порядке технического обслуживания и устраняемые при среднем или капитальном ремонте. В зависимости от места устранения различают отказы, не устраняемые и эксплуатационных условиях и устраняемые в стационарных условиях. Так как долговечность характеризует продолжительность работы изделий по суммарной наработке, прерываемой периодами для восстановления его работоспособности в плановых и неплановых ремонтах и техническом обслуживании, то основным мерилом долговечности является наработка и, в частности, технический ресурс.
Наработка - продолжительность (измеряемая, например, в часах или циклах) или объем работы изделия (измеряемый, например, в тоннах, километрах, кубометрах и т.п. единицах).
Ресурс – суммарная наработка изделия от начала его эксплуатации или её возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние.
Предельное состояние - состояние изделия, при котором его дальнейшая эксплуатация (применение) недопустима по требованиям безопасности или нецелесообразна по экономическим причинам, либо когда восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно из-за неустранимого снижения эффективности. Предельное состояние наступает в результате исчерпания ресурса или в аварийной ситуации.
Срок службы - календарная продолжительность эксплуатации изделий или ее возобновления после ремонта от начала его применения до наступления предельного состоянии.
Неработоспособное состояние - состояние изделия, при котором оно не способно нормально выполнять хотя бы одну из заданных функций.
Перевод изделия из неисправного или неработоспособного состояния в исправное или работоспособное происходит в результате восстановления.
Восстановление - процесс обнаружения и устранения отказа (повреждения) изделия. С целью восстановления его работоспособности (устранение неисправности).
По способности к восстановлению изделия подразделяются на:
восстанавливаемые и невосстанавливаемые.
Восстанавливаемое изделие - изделие, работоспособность которого в случае возникновения отказа подлежит восстановлению в рассматриваемой ситуации.
Невосстанавливаемое изделие - изделие, работоспособность которого в случае возникновения отказа не подлежит восстановлению в рассматриваемой ситуации.
Основным способом восстановления работоспособности является ремонт. В зависимости от того, предусмотрены или нет операции ремонта, изделия подразделяются на ремонтируемые и не ремонтируемые.
Ремонтируемое изделие - это изделие, ремонт которою возможен и предусмотрен нормативно-технической и (или) проектно-конструкторской документациями.
Неремонтируемое изделие - изделие, ремонт которого невозможен или непредусмотрен нормативно-технической, проектно-конструкторской или эксплуатационно-ремонтной документациями.
Большинство изделий машиностроения относятся к ремонтируемым. К неремонтируемым могут быть отнесены, например, подшипники, шпонки, шестерни, ремни, рукава высокого давления, манжеты, уплотнения и другие изделия машиностроения.
Ремонтопригодность - свойство изделия, заключающееся в его приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем обнаружения и устранения дефекта и неисправности технической диагностикой, обслуживанием и ремонтом. Это свойство обусловлено в основном компоновочным решением изделия.
Используют такие показатели ремонтопригодности: среднее время восстановления, вероятность восстановления, коэффициент ремонтопригодности и другие.
Время восстановления - основной показатель ремонтопригодности, характеризующий календарную продолжительность операции по восстановлению работоспособного состояния изделия или продолжительность профилактических операций по техническому обслуживанию.
Сохраняемость - свойство изделий непрерывно сохранять значения установленных показателей его качества в заданных пределах в течение длительного хранения и транспортирования.
Срок сохраняемости - календарная продолжительность хранения и (или) транспортирования изделия в заданных условиях, в течение и после которых сохраняются исправность, а также значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в пределах, установленных нормативно-технической документацией на данный объект.
Безотказность как одна из важнейших составляющих надежности характеризуется закономерностями возникновения отказов, а ремонтопригодность - закономерностями их предупреждения и устранения. Долговечность определяется интенсивностью и продолжительностью действия этих закономерностей, их постоянными изменениями в допустимых пределах на протяжении всего срока службы.
Надежность постоянно изменяется в процессе эксплуатации технического изделия ипри этом характеризует его состояния. Схема изменения состояний эксплуатируемого изделия приведена ниже (рисунок 1).
Рисунок 1 – Схема состояния изделия
Для количественной характеристики каждого из свойств надежности изделия служат такие единичные показатели, как наработка до отказа и на отказ, наработка между отказами, ресурс, срок службы, срок сохраняемости, время восстановления. Значения этих величин получают по данным испытаний или эксплуатации.
Комплексные показатели надежности, так же как коэффициент готовности, коэффициент технического использования и коэффициент оперативной готовности, вычисляются по данным единичных показателей. Номенклатура показателей надежности приведена в таблице 1
| Свойство надежности | Наименование показателя | Обозначение |
| Единичные показатели | ||
| Безотказность | Вероятность безотказной работы Средняя наработка до отказа Средняя наработка на отказ Средняя наработка между отказами Интенсивность отказов Поток отказов восстанавливаемого изделия Средняя частота отказов Вероятность отказов | P(t) Tср Tо T λ(t) λI(t) ω(t) Q(t) |
| Долговечность | Средний ресурс Гамма-процентный ресурс Назначенный ресурс Установленный ресурс Средний срок службы Гамма-процентный срок службы Назначенный срок службы Установленный срок службы | Tp Tpλ Tр.н. Тр.у. Тсл. Тсл.λ Тсл.н. Тсл.у. |
| Ремонтопригодность | Среднее время восстановления Вероятность восстановления Коэффициент ремонтосложности | Тв Pв(t) R |
| Сохраняемость | Средний срок сохраняемости Гамма-процентный срок сохраняемости Назначенный срок сохраняемости Установленный срок сохраняемости | Tc Tcλ Tс.н. Tс.у. |
| Обобщенные показатели | ||
| Комбинация свойств | Коэффициент готовности Коэффициент технического использования Коэффициент оперативной готовности | Kг Kг.и. Ко.г. |
По способу получения численных значений различают показатели: расчетные, экспериментальные, определяемые по данным испытаний; эксплуатационные, получаемые при эксплуатации; экстраполированные, найденные на основании расчетов, испытаний и (или)
Таблица 1 – Примерная номенклатура показателей надежности
эксплуатационных данных путем экстраполирования на другую продолжительность эксплуатации или другие условия эксплуатации.
Характеристики надежности изделия отображают случайные события, связанные с непредусмотренными отказами при его эксплуатации. Поэтому соответствующие численные характеристики надежности имеют вероятностную сущность, а это значит, что они основаны на статистике и на математической теории вероятностей.
Исходным понятием теории вероятностей является событие, в результате которого изделие изменяет свое качественное состояние. В теории надежности таким событием считается отказ.
Событие, обязательно наблюдаемое в эксперименте, называется достоверным, событие является невозможным, если оно не может произойти в данном эксперименте.
Всякое событие или есть, или его нет. Состоянию А до события можно противопоставить состояние В после события. Состояние А противоположно состоянию В и наблюдается тогда, когда нет события, переводящего изделие из состояния А в состояние В.
Вероятность события и, следовательно, состоянии А и В характеризуется числом, которое тем больше, чем более возможно это событие - отказ. Если вероятность события, происходящего в эксперименте, оценить единицей, а невозможность его оценивать нулевой вероятностью, то вероятность иного события до того, как оно становится реальностью, имеет значение меньше единицы. Из сказанного следует, что сумма вероятности (вероятность обозначает буквой Р) события А, т.е. РА и вероятности события В, т.е. РВ как событий несовместимых равна единице или
РА = 1 - РВ
По целям использования показатели надежности подразделяют на нормируемые и оценочные.
Нормируемым значением показателя надежности является то значение, которое регламентировано (задано) нормативно-технической и (или) проектно-конструкторской документациями.
Оценочным является фактическое значение показателя надежности опытных образцов или серийной продукции, получаемое по результатам испытаний или эксплуатации.
Итак, надежность любых технических изделий (в том числе, и машин) количественно может оцениваться набором показателей: безотказности функционирования (работы), долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости.
