Визначення показників надійності.

 

У нашій країні встановлена досить чітка термінологія надійності. Випущено ряд стандартів, що дають однозначні тлумачення і визначення поняттям, що відносяться до якості продукції взагалі і надійності зокрема.

Будь-яка продукція, у тому числі АТЗ, має багато різних властивостей. Властивості, тобто різні чи ознаки особливості АТЗ створюються і виявляються при їхньому проектуванні, виробництві й експлуатації. Якість продукції включає не усі властивості, а лише ті, котрі зв'язані з можливістю задовольнити визначені потреби людини відповідно до їх призначення. Якість АТЗ визначають надійність, економічність, їхній енергетичні, эргономічні та інші показники. Таким чином, надійність є одним із властивостей АТЗ, що визначають їхню якість.

Надійність є властивість об'єкта виконувати задані функції в заданих режимах і умовах використання, технічного обслуговування, ремонтів, збереженні і транспортування, зберігаючи встановлені експлуатаційні показники в заданих межах протягом необхідного проміжку часу і (чи) необхідного наробітку. Заданою функцією для автомобільного двигуна буде забезпечення енергією того автомобіля для який він призначений. Якщо двигун автомобіля «Запорожець» буде встановлений на автомобіль УАЗ при цьому незабаром відмовить, то не можна вважати його ненадійним, тому що він при цьому виконував не задані йому функції. Якщо автомобіль і двигун будуть виготовлені в північному виконанні, тобто призначені для експлуатації в холодних районах, а спрямовані, наприклад, у Середню Азію, де вони будуть перегріватися і мати інші несправності, то не можна їх вважати ненадійними, тому що задані для них умови використання істотно інші.

Якщо двигун автомобіля «Волга» знизить потужність збільшить витрату олії і чи палива вийде за інші задані межі зміни експлуатаційних показників у період пробігу автомобіля до капітального ремонту, маючи наробіток без ремонту, наприклад, 350 тис. км, то також не можна вважати його ненадійним, тому що необхідний наробіток цього двигуна до капітального ремонту, передбачений його технічними умовами, складає 200 - 225 тис. км.

Об'єкт – предмет визначеного цільового призначення. Об'єктами можуть бути системи і їхні елементи, зокрема спорудження, машини, прилади і їхні складові частини: вузли і деталі.

Виріб. Любою чи предмет набір предметів виробництва, що підлягає виготовленню на підприємстві.

Ремонтуємий об'єкт – об'єкт, справність і працездатність якого у випадку виникнення чи відмовлення ушкодження підлягає відновленню. До ремонтируемым об'єктів практично відносяться всі машини, у тому числі і двигуни.

Неремонтуємий об'єкт – об'єкт, справність і працездатність якого у випадку виникнення чи відмовлення ушкодження не подлежит.відновленню. До них відноситься велика кількість деталей двигунів: поршневі кільця, клинові ремені, термостати, кріпильні вироби, свічі запалювання і т.д. Усі ці деталі неремонтопригодны, і у випадку відмовлення заміняються.

Вироби можуть розглядатися і як ремонтуємі і як неремонтуємі в залежності від прийнятої системи експлуатації і ремонту. Наприклад, підшипники качіння ремонтуються на спеціальних заводах, але в процесі експлуатації їх просто заміняють. Якщо на автопідприємстві двигуни при їхньому відмовленні заміняють на нові чи відремонтовані на стороні, то в умовах прийнятої системи експлуатації вони можуть бути віднесені до категорії неремонтуємих виробів. Наприклад, клиновий ремінь практично неможливо відремонтувати з технічних причин, а вкладиші підшипників звичайно невигідно через значні витрати, що перевищують вартість нового вкладиша. У зв'язку з цим уводяться поняття про відновлювані і невідновлювані об'єкти.

Відновлюваний об'єкт – об'єкт, працездатність якого у випадку відмовлення підлягає відновленню в розглянутій ситуації, тобто, наприклад, в умовах даного автопідприємства.

Невідновлюваний об'єкт – об'єкт, працездатність якого не підлягає відновленню в розглянутій ситуації. Неремонтуємий об'єкт є одночасно і невідновлюваним.

Працездатний стан (працездатність) - стан об'єкта, при якому він здатний виконувати задані функції, зберігаючи значення заданих параметрів у межах, установлених нормативно-технічною документацією. До таких параметрів відносяться, наприклад, енергетичні (потужність і ін.), економічні і т.д.

Справний стан (справність) – стан об'єкта, при якому він відповідає усім вимогам, установленим нормативно-технічною документацією.

Протилежними поняттями є непрацездатний і несправний стани (непрацездатність і несправність).

Варто підкреслити різницю між несправністю і непрацездатністю. Несправність може не робити впливу на працездатність. Наприклад, дефекти у фарбуванні двигуна не перешкоджають виконанню їм заданих функцій, хоча і є порушенням вимозі нормативно-технічної документації. Тим часом утрата працездатності виробу завжди зв'язаний з його несправністю.

Несправність у міру її наростання може привести до порушення працездатності. Наприклад, слабке затягування кріпильних деталей часто приводить до їхнього відвернення і поломки інших деталей виробу.

Утрата працездатності може наступити раптово, наприклад, через поломку якої-небудь деталі. Частіше, однак, працездатність губиться таким чином, що параметри виробу погіршуються поступово, поки, нарешті, наступить граничний стан.

Граничний стан об'єкта визначається неможливістю його подальшої експлуатації через непереборний відхід заданих параметрів за встановлені межі, чи непереборного зниження ефективності експлуатації нижче припустимої, чи непереборного порушення вимог безпеки, чи необхідності проведення середнього чи капітального ремонту.

Для неремонтуємих виробів граничним станом буде їхнє перше порушення працездатності. Об'єкт, що досяг граничного стану, вилучається з експлуатації й або списується, або направляється в ремонт, або використовується в інших умовах, де його змінені параметри є.прийнятними. Найчастіше граничний стан викликається зносом. При цьому збільшуються зазори між деталями, у результаті чого в двигуні, наприклад, виникають стукоти, утрата потужності, димність газів, що відробили, збільшується витрата олії і палива, погіршується динаміка автомобіля. Експлуатація стає неекономічною. При сучасному стані техніки знос є неминучим, у силу чого будь-яка машина повинна чи рано пізно досягти граничного стану. Іншими причинами граничного стану можуть з'явитися короблення деталей, корозія, а також поломки. Правильні конструкція, виробництво й експлуатація виробу в принципі повинні виключити ці чи причини зрушити їхній вплив за межі зносу.

У ряді випадків у технічній документації може бути обговорено, що об'єкт повинний бути знятий з експлуатації при досягненні призначеного наробітку по розуміннях безпеки. Так звичайно надходять з авіаційними двигунами. Після призначених годин роботи їх змінюють на інші – нові чи відремонтовані, хоча зовні ніяких несправностей на замінних об'єктах може і не бути.

У випадку, коли до надійності автомобільного двигуна пред'являються підвищені вимоги, те звичайно призначають граничні наробітки для його окремих деталей, наприклад для свіч чи запалювання для вкладишів підшипників, при яких вони ще зберігають працездатність.

Нарешті, нерідко граничним станом є моральний знос. Двигун, менш економічний, застарілої конструкції, хоча ще і працездатний, у ряді випадків доцільно замінити на інший, що має більш високий технічний рівень.

Ушкодження – подія, що полягає в порушенні справності об'єкта через зовнішні впливи.

Несуттєве ушкодження звичайне не приводить до втрати працездатності. Наприклад, якщо буде трохи пом'ятий масляний картер, то двигун буде продовжувати працювати без відхилень. Однак ушкодження часте згодом приводить до відмовлення. Так, тріщина в якій-небудь деталі може привести до її поломки і, отже, до відмовлення двигуна.

Відмовлення – подія, що полягає в порушенні працездатності. Поняття відмовлення є одним з головних у теорії надійності. Як сказано вище, не всяке ушкодження, що викликає несправність, приводить до відмовлення, хоча відмовлення завжди зв'язане з несправністю. Розрізняють різні види відмовлень.

При частковому відмовленні виріб перестає виконувати яку-небудь одну чи кілька функцій, чи виконує свої функції, але зі зниженими параметрами. Наприклад, відмовлення однієї свічі в многоцилиндровом двигуні приводить, до того, що автомобіль знижує швидкість, збільшує витрату палива, працює хитливо.

При повному відмовленні виріб перестає виконувати усі функції. Так, порушення контактів у переривачі чи поломка колінчатого вала приводять до зупинки двигуна, тобто до повного відмовлення. Однак ваги відмовлень у цих випадках істотно відрізняються друг від друга. Оцінювати вага відмовлень випливає за допомогою спеціальних показників, про що буде сказано нижче.

Поступове відмовлення виявляється в поступовій зміні одного чи декількох заданих параметрів об'єкта. Причинами його звичайно бувають знос, корозія, утома й інші поступово наростаючі зміни в деталях і вузлах машини в процесі тривалої експлуатації. Знаючи ресурс чи деталі вузла, а також застосовуючи методи технічного діагностування, таке відмовлення можна передбачати і попередити своєчасним чи обслуговуванням ремонтом.

Раптове відмовлення виникає зненацька і виявляється в стрибкоподібній зміні одного чи декількох заданих параметрів об'єкта через поломки, перегорянні і т.п. Причинами тому бувають, наприклад, дефекти в матеріалі, недбалість при виготовленні, перевантаження. Ці відмовлення важко передбачати, тому що відбуваються вони без попередніх помітних симптомів.

Проте, як поступові, так і раптові відмовлення є результатом нагромадження ушкоджень. Це нагромадження являє собою сукупність проміжних стані між працездатністю і відмовленням.

У випадку поступового відмовлення виріб повільний наближається до нього зі зниженням своїх вихідних параметрів. При раптовому відмовленні вихідні параметри до настання відмовлення помітно не погіршуються, хоча сховане наростання ушкоджень також може відбуватися протягом тривалого часу, наприклад розвиток чи тріщини самовідвернення кріпильної деталі.

Збій – короткочасне відмовлення, що самоусувається. Так, улучення води в систему харчування може привести до перебоїв у чи роботі зупинці двигуна, але при прокручуванні стартером відмовлення самоусувається.

Перемежований відмовлення – це багаторазово повторюваний збій. Відмовлення в цьому випадку багаторазово виникає і сам собою пропадає. Прикладом такого часткового відмовлення є погіршення параметрів двигуна через утворення нагару в камері згоряння. При швидкій їзді нагар звичайно вигорає і несправність, самоусувається.

Незалежне відмовлення даної чи деталі вузла викликається несправністю безпосередньо даної чи деталі вузла, наприклад поломка зуба шестірні масляного насоса через влучення в насос стороннього предмета. Але несправність масляного насоса може викликати задир чи выплавлення підшипників, відмовлення яких буде залежним, тому що причиною його послужило інше відмовлення.

Відмовлення можуть бути конструкційними, виробничо-технологічними, експлуатаційними. Ця класифікація обумовлена причиною їхнього виникнення.

Конструкційне відмовлення виникає в результаті порушення встановлених правил і (чи) норм конструювання. Так, неправильний розрахунок на міцність, через якого зменшений розмір найбільш навантаженого перетину, неминуче приведе до поломки.

Виробничо-технологічне відмовлення настає при чи виготовленні ремонті виробу через порушення встановленого технологічного процесу. Наприклад, недотримання заданих розмірів деталей, погане затягування кріпильних деталей, улучення сторонніх предметів у картер двигуна під час зборки і т.д.

Експлуатаційне відмовлення викликається порушенням правил і (чи) умов експлуатації. Несвоєчасне проведення регулювань, застосування невідповідних необхідним паливно-мастильних матеріалів, використання об'єкта не по призначенню – усе це приклади порушень правил експлуатації, що можуть привести до відмовлень.

Випливає, відзначити, що проведення технічного обслуговування, передбаченого посібником з експлуатації, і змушений при цьому простої машини (наприклад, підтяжка кріплення голівки блоку циліндрів після визначеного пробігу автомобіля) не відноситься до відмовлення. Однак усяке технічне обслуговування є результатом недосконалості чи машини експлуатаційних матеріалів. Тому достаток попереджень і вимог до споживача, що вказуються іноді в експлуатаційних документах, свідчить про недостатню якість виробу.

Надійність - це комплексне чи, як виражаються, інтегральна властивість об'єкта. Вона обумовлюється його безвідмовністю, ремонтопридатністю, довговічністю і сохраняємістью. Таким чином, виріб може вважатися надійним, якщо воно має цими чотирма властивості.

Безвідмовністю називається властивість об'єкта безупинно зберігати працездатність протягом деякого проміжку чи часу деякого наробітку без змушених перерв. Іноді неправильно під безвідмовністю розуміють надійність у цілому. Але безвідмовність є тільки складова частина більш загального поняття «надійність». У ряді випадків безвідмовність є вирішальною властивістю. Це відноситься, наприклад, до машин, що експлуатуються в умовах, коли від їхньої роботи залежить життя чи людини виконання особливо важливих завдань. Наприклад, відмовлення авіаційного двигуна, рульового чи керування гальм автомобіля може мати дуже важкі наслідки, і тому для таких об'єктів безвідмовність є найбільш важливою складовою частиною надійності. Для автомобільного двигуна в умовах виконання повсякденних транспортних задач недостатня безвідмовність наносить звичайно матеріальний збиток. Для зниження цього збитку автомобільний двигун повинний володіти ще ремонтопридатністю.

Безвідмовність є вирішальною властивістю також для неремонтуємих деталей.

Ремонтопридатністью називається властивість об'єкта, що полягає в його пристосованості до попередження і виявлення причин виникнення відмовлень, ушкоджень і усуненню їхніх наслідків шляхом проведення ремонтів і технічного обслуговування.

Ця пристосованість двигунів складається в приступності для огляду, наявності пристроїв, що сигналізують, зручності проведення розбирання і заміни дефектних детальна. Варто враховувати, що до ремонтопригодности відноситься також пристосованість не тільки до усунення відмовлень, по і до проведення планових технічних обслуговуванні і ремонтів.

Довговічністю називається властивість об'єкта зберігати працездатність до настання граничного стану при встановленій системі технічного обслуговування і ремонту. Для неремонтуємих виробів властивості безвідмовності і довговічності збігаються, тому що їх граничним станом є перше відмовлення. Ремонтуємий виріб після відмовлення може бути відновлено, якщо це економічно доцільно. Для деяких виробів, які можна багаторазово ремонтувати, межею довговічності, коли вони підлягають списанню, звичайно буває економічна недоцільність подальшої чи експлуатації моральний знос. Автомобільні двигуни також допускають можливість багаторазового відновлення, але настає момент, коли їх ремонтувати невигідно, і тоді їх списують.

Сохраняємістю називається властивість об'єкта безупинно зберігати справний і працездатний стан протягом і після збереження і транспортування.

Проблема збереження машин є в ряді випадків досить складної. Особливі вимоги пред'являються до тих виробам, що повинні експлуатуватися в особливих кліматичних умовах, зокрема, північних чи тропічних, чи довго зберігатися, наприклад, на складах запасних частин. Забезпечення сохраняемості досягається в залежності від призначення ДВЗ спеціальними мірами як у процесі конструювання і виробництва, так і в експлуатації.

Часто в літературі верб розмовної мови уживають вищенаведені терміни в неправильному сполученні. Наприклад, говорять: «підняти якість і надійність» чи «підвищити надійність і довговічність». Тому що надійність входить у поняття якості, а довговічність — у поняття надійності, то в цих вираженнях порушуються правила логіки. Варто сказати: «підняти якість і в тому числі надійність» чи, наприклад, «підвищити безвідмовність і довговічність».

Оскільки надійність містить у собі безвідмовність, довговічність, ремонтопридатність і сохраняємість, то для кожної складової маються свої одиничні кількісні характеристики. Маються також деякі комплексні показники, що відносяться до декількох властивостей, що складають надійність.

Для будь-якого випадково обраного виробу неможливо заздалегідь передбачати, чи буде воно надійно. З двох двигунів однієї марки в одному можуть незабаром виникнути відмовлення, а другий буде справним тривалий час.

Відмовлення – подія випадкове. Тому для розрахунку показників надійності використовують методи теорії імовірностей і математичної статистики.

Одним, з основних понять, використовуваних при розрахунках показників надійності, є «наробіток».

Наробітком називається чи тривалість обсяг роботи виробу. Для двигунів наробіток звичайно вимірюють у кілометрах пробігу чи автомобіля в годинник (мотогодинах). У технічній і навчальній літературі можна зустріти такі вираження: добовий наробіток, наробіток до першого відмовлення, наробіток між відмовленнями і т.п.

Показники безвідмовності.

 

Безвідмовність – властивість автомобіля зберігати працездатність без змушених перерв протягом визначеного пробігу, вираженого в чи кілометрах часі (у мотогодинах роботи). Для неремонтуємих елементів автомобіля, а також для деталей, де за умовами безпеки руху відмовлення неприпустимі, показниками безвідмовності можуть служити імовірність безвідмовної роботи, інтенсивність відмовлень, середній наробіток на відмовлення й інші характеристики. Для ремонтуємих елементів автомобіля показниками безвідмовності можуть бути параметр потоку відмовлень, наробіток на відмовлення і т.д.

 Показники безвідмовності оцінюються теоретичними (точними) і статистичними (наближеними) рівняннями для регламентованих умов експлуатації, технічного обслуговування, ремонту, збереження і транспортування. На практиці звичайно користаються статистичними рівняннями. Неминучі коливання якості матеріалів, виробничих факторів і умов експлуатації приводять до розкиду властивостей, що характеризують надійність автомобіля. Унаслідок цього показники безвідмовності розглядають як верогідністні статистичні величини, засновані на достатній інформації. Для зручності користування рівняння будуть приведені в статистичній формі.

Імовірність безвідмовної роботи, - імовірність того, що в заданому інтервалі пробігу (часу) не виникне відмовлення елемента автомобіля,

                                                                               ,                                                                          (1)

де N₀ – число елементів автомобіля на початок експерименту;

S n_i – сумарна кількість елементів автомобіля, що мала відмовлення за пробіг l.

Інтенсивність відмовлень – імовірність відмовлення елемента автомобіля в одиницю чи часу пробігу після даного моменту чи часу пробігу за умови, що відмовлення до цього моменту не виник,

                                                                          ,                                                                    (2)

де D l – деякий досить малий проміжок (інтервал) пробігу;

N(l) – кількість працездатних елементів автомобіля на момент пробігу l;

N(l+ D l) – кількість працездатних елементів автомобіля на момент пробігу (l+ D l).

Середній наробіток на відмовлення (середній безвідмовний пробіг) може бути знайдена за результатами іспиту, для чого потрібно випробувати елементи автомобіля до останнього відмовлення,

                                                                                    ,                                                                              (3)

де l_i – наробіток i-го елемента на відмовлення.

Параметр потоку відмовлень (частота відмовлень) – середня кількість відмовлень елементів автомобіля в одиницю чи часу пробігу, узяте для розглянутого інтервалу чи часу пробігу,

                                                                                  ,                                                                             (4)

де D n_i – кількість відмовлень елементів автомобіля в одиницю часу (пробігу) D l_i;

 - кількість випробовуваних елементів автомобіля.

Наробіток на відмовлення — середнє значення пробігу елемента автомобіля між відмовленнями (км)

                                                                              ,                                                                         (5)

де L_i – пробіг i-го елемента, автомобіля до відмовлення;

N_i - кількість випробовуваних елементів автомобіля;

n - сумарна кількість відмовлень елементів автомобіля за пробіг L.

З обліком восстанавліваємості, комплексним показником, що оцінює надійність автомобіля, може бути коефіцієнт технічної готовності, тому що імовірність безвідмовної роботи автомобіля з урахуванням відновлення P(l) ® К_Г при l ® ¥. Коефіцієнт К_Г технічної готовності варто визначати при сталому режимі експлуатації.

Для структурного аналізу надійності автомобіля (агрегату) зручно застосовувати коефіцієнт відмовлень

                                                                                    ,                                                                              (6)

чи відсоток відмовлень

                                                                             ,                                                                       (7)

Інтенсивність відмовлень невідновлюваних виробів є відношення числа виробів, що відмовили, в одиницю наробітку числу виробів, що безвідмовно працюють до розглянутого моменту наробітку:

                                                                                 ,                                                                           (8)

Помноживши і розділивши праву частину на N₀, одержимо

                                                                           ,

Тому що

 , а ,

те

                                                                                     .                                                                               (9)

По визначенню

;

;

                                                                  .                                                          (10)

Оцінка імовірності настання відмовлення виражається рівнянням (4). Таким чином, оцінками імовірності безвідмовної роботи й імовірності настання відмовлення є накопичені частості безвідмовної роботи і відмовлень.

 .

Отже, сума імовірностей безвідмовної роботи і настання відмовлення дорівнює 1. Це випливає також з того, що безвідмовність і поява відмовлення - події протилежні.

Середній наробіток до відмовлення t_ср може бути визначена в такий спосіб:

 .

Тому що

 , те

Для одержання верогідностної характеристики t_ср переходимо до межі. Одержимо:

                                                           .                                                   (11)

Тому що , те

                                                                                .                                                                        (12)

Відомо, що в теорії імовірностей середня величина називається математичним чеканням. Таким чином, формули (11) і (12) дають можливість визначити математичне чекання наробітку до першого відмовлення.

Проінтегруємо вроздріб:

 ;

P(¥)=0 тому що при необмеженому наробітку t ® ¥ усі вироби після закінчення визначеного періоду відмовлять; P(0)=1, тому що на початку експлуатації (t=0) відмовлень ще немає й імовірність безвідмовної роботи дорівнює одиниці.

                                                              , чи .                                                      (13)

У випадку якщо підрахунок виробляється від початку введення машини в експлуатацію і всі машини мають наробіток t, те наробіток на одне відмовлення

 .

Якщо ж кожна машина (двигун) має різний наробіток t_i, то

Для періоду наробітку від t₁ до t₂ середнє значення числа відмовлень складе , а наробіток на відмовлення:

 .

Параметр потоку відмовлень, оцінкою якого є середнє число відмовлень на один виріб і на одиницю наробітку, являє собою зворотну величину стосовно наробітку на відмовлення, тобто:

 .

В умовах, що відзначені вище, середнє число відмовлень на одиницю наробітку підраховується але наступним формулам:

                                                                                     ;                                                                             (14)

                                                                                     .                                                                              (15)

Як характеристику потоку відмовлень використовується «ведуча функція» W (t) даного потоку. Усереднене значення (оцінка) цієї функції являє собою середнє число відмовлень на один виріб до моменту наробітку t:

 ,

де N₀ – кількість виробів, за яких ведеться спостереження;

r_i (t) – кількість відмовлень i-го виробу.

Формула (14) застосовується у випадку, коли усі вироби мають однаковий наробіток t до моменту підрахунку значень , а формула (15), якщо наробіток у всіх різна.

Переходячи до межі, одержимо вероггідностні значення зазначених показників.