Упрощение системы. Одной из главных причин возникновения проблемы надежности является исключительная сложность современных машин. Уменьшение сложности может существенно повысить их надежности.
Рисунок 1.15 – Зависимость вероятности безотказной работы аппарата от числа элементов и вероятности их безотказной работы
На рисунке 1.15 приведены зависимости вероятности безотказной работы машин от числа элементов и вероятность их безотказной работы для случая экспоненциального закона надежности. Из рисунка видно, что упрощение системы может позволить существенно повысить надежность. Этот эффект тем больше, чем ниже надежность элементов и чем сложнее оборудование.
Создание простых конструкций является одной из наиболее трудных технических задач. Трудность состоит в том, что упрощение конструкции дает ощутимый эффект лишь при значительном уменьшении числа элементов. Между тем их существенное упрощение в большинстве случаев не позволяет обеспечить нужное качество продукции в сочетании с высокой производительностью и безопасностью производства.
Это может привести к ошибочному выводу, что упрощение конструкции является малоэффективным способом повышения надежности. Упрощение является единственным методом повышения надежности при одновременном уменьшении веса.
Уменьшение веса может быть косвенным источником повышения надежности оборудования, так как высвободившийся за счет рационального проектирования вес может быть использован в качестве резерва надежности. Это обстоятельство позволяет заключить, что упрощение конструкции объекта техники является весьма эффективным, но достаточно трудно реализуемым методом повышения надежности.
При практическом осуществлении данного метода возникает задача о минимально необходимом числе элементов для реализации системы. Эта задача в настоящее время определенного процедурного решения не имеет.
Например, можно говорить о ее частичном решении при проектировании гидравлических сетей. Теория, основанная на алгебре логики, позволяет спроектировать гидравлическую сеть с минимально необходимым числом элементов переключения и длинной (количеством) труб.
Выбор наиболее надежных элементов. Эффект увеличения надежности машин за счет повышения надежности элементов тем значительней, чем сложнее конструкция. Казалось бы, при проектировании машины, как сложной системы, всегда необходимо стремиться выбрать наиболее надежные элементы.
Чем выше надежность элемента, тем он часто имеет больший вес, габариты и стоимость. Поэтому выбирать тот или иной элемент конструкции необходимо на основании анализа технических требований на надежность и предварительного расчета надежности машины в целом.
Предъявляемые требования таковы, что при данном числе элементов и при данных условиях работы машины удовлетворить их можно, выбирая не самые надежные элементы. При этом можно сэкономить в весе машины, габаритах и стоимости.
Облегчение режимов работы элементов. Улучшить условия работы элементов можно:
- во-первых, уменьшая вредное влияние окружающей среды и внешних воздействий. Уменьшить вредное влияние окружающей среды и внешних воздействий можно, защитив оборудование от коррозионного воздействия и уменьшив внешние силовые воздействия, т.е. демпфируя его основные элементы;
- во-вторых, облегчая энергетические режимы работы. Облегчить энергетические режимы работы элементов можно понижением коэффициентов запаса прочности и уменьшением температуры окружающей среды.
Облегчение работы машины означает, что имеются элементы конструкции (детали), имеющие определенный запас по прочности, (виброустойчивости, жесткости).
Замена одних элементов другими, рассчитанными на большие нагрузки, не обязательно приводит к повышению надежности. Элементы, рассчитанные на большую нагрузку, могут быть сами по себе менее надежными.
Разумно выбрать типы элементов конструкции и режимы их работы можно лишь при наличии для них зависимостей интенсивности отказов от коэффициента запаса прочности. При проектировании эту задачу можно решить на основании анализа надежности машины в целом. Выбирая за основной критерий качества машины вероятность безотказной работы, задачу о выборе режимов работы элементов конструкции можно сформулировать следующим образом.
Задано численное значение вероятности безотказной работы машины, и известна ее принципиальная конструктивная схема, т. е. тип и число элементов конструкции, способ их соединения. Требуется выбрать режимы такие их работы, при которых вероятность безотказной работы машины была не ниже заданного значения.
Надежность машины в целом определяется либо наиболее многочисленные элементами конструкции, либо наименее надежными, и режимы ее работы лучше подбирать для одного из двух типов элементов.
Интенсивность отказов зависит от температуры окружающей среды, коэффициент запаса прочности, частота и амплитуда вибрации, влажности давления.
При выборе элементов конструкции решающее значение имеет коэффициент запаса прочности и температура окружающей среды. Они определяют габаритные размеры элементов конструкции в зависимости от величины внешней нагрузки.
Амплитуды и частоты вибраций, влажность и давление влияют не столько на выбор типа элементов конструкции, сколько на саму конструкцию оборудования. Поэтому при разработке машины наиболее важным является выбор рабочей температуры (иногда давления) и коэффициента запаса прочности для отдельных ее элементов конструкции.
Отбраковка малонадежных элементов. Интенсивность отказов системы на начальном участке времени ее работы значительно выше, чем на участке нормальной работы. Это объясняется тем, что при изготовлении машины могут попасть элементы конструкции с внутренними производственными или другими дефектами.
Подобные дефекты часто не удается выявить при обычных методах испытания в течение сравнительно короткого времени работы машины. Отбраковать ненадежные элементы можно путем их тщательной проверки при тяжелых условиях их работы. Утяжелять условия работы наиболее удобно, увеличивая либо нагрузки, либо температуру окружающей среды. Возникают два вопроса – как долго необходимо испытывать элементы, и при каких нагрузках (температуре окружающей среды).
Рисунок 1.16 – Зависимость интенсивности отказов от времени при различных коэффициентах нагрузок
Выбрать режим выхода элементов конструкции из строя можно на основании анализа зависимости интенсивности отказов от времени. Эти кривые для большинства элементов конструкции имеют вид такой, как показано на рис. 4.5. С увеличением нагрузки (или при увеличении температуры окружающей среды) кривая смещается вверх и влево. Участок, где интенсивность отказов постоянна, сокращается, а начало этого участка смещается влево. Вывести элементы конструкции их строя можно, когда имеется участок, для которого 
.
Для установления численных значений коэффициента запаса прочности и времени выхода из строя необходимо провести испытание элементов конструкции при различных нагрузках и на основании статистических данных об отказах построить кривые 
. По этим кривым можно установить время выхода из строя и коэффициент запаса прочности.
Дополнительно необходимо проанализировать, как сохраняются основные параметры элементов конструкции при различных режимах эксплуатации. Если интенсивность отказов на основании статистических данных об отказах сохраняет постоянную величину, а параметры элемента конструкции уходят за допустимые пределы, то такой режим эксплуатации является вредным.
Создание схем с ограниченными последствиями отказов элементов конструкции. Отказы элементов конструкции сложной машины не равноценны. Одни отказы приводят к потере работоспособности, другие лишь ухудшают характеристики машины, третьи нарушают контроль человека за ее работой.
Конструкция машины не должна строиться по принципу: равносложные ее части должны иметь равную надежность Различные последствия отказов требуют учета их значимости по степени опасности последствия. Та часть машины, отказ которой приводит к тяжелым последствиям, должна быть более надежной. С позиций надежности каждому элементу, узлу должен быть приписан определенный вес.
Проектировать машины с ограниченными последствиями отказов необходимо так, чтобы отказ элементов не приводил к потере ее работоспособности или разрушению, а, в крайнем случае, лишь к ухудшению ее характеристик.
Стандартизация и унификация элементов и узлов. Унифицированные и стандартизованные узлы всегда наиболее надежны. Это объясняется тем, что такие узлы, доведены до совершенства на основании богатого опыта эксплуатации, и:
- сами по себе наиболее надежны,
- они значительно облегчают построение машин высокой надежности,
- позволяют применять скользящее резервирование
- удешевляют и убыстряют разработку и изготовление оборудования,
- облегчают и удешевляют его эксплуатацию.
Стандартизация и унификация узлов могут существенно уменьшить время, потребное на отыскание и устранение неисправностей. Данный метод повышения надежности позволяет не только уменьшить интенсивность отказов, но также уменьшить среднее время восстановления, а значит, улучшить коэффициент технического использования оборудования.
Совершенствование технологии производства и его автоматизация обеспечивают высокую однородность продукции. Это повышает ее надежность и уменьшает дисперсию времени возникновения отказов.
Большая интенсивность отказов вначале эксплуатации машины объясняется скрытыми дефектами ее элементов. При ручном производстве таких элементов значительно больше, чем при полной автоматизации производства.
Статистический контроль качества, проводимый на производстве непрерывно, позволяет выявить эти причины, повлиять должным образом на технологический процесс и отбраковать дефектную продукцию. Этим самым он позволяет добиться высокой надежности и однородности продукции.
Профилактические мероприятия, проводимые при эксплуатации оборудования и направленные на предупреждение отказов, позволяют выявить слабые элементы и узлы, устранить их дефекты до появления полного отказа и тем самым уменьшить интенсивность отказов машины. При эксплуатации надежность расходуется. При проведении же профилактических мероприятий она может восстанавливаться.
Итог. Выигрыш надежности по среднему времени безотказной работы, растет пропорционально коэффициенту уменьшения интенсивности отказов. Это выгодно отличает данный метод повышения надежности по сравнению с резервированием.
