Надёжность технического изделия

Надёжность техническогоизделия это свойство изделия сохранять значения установленных параметров функционирования в определённых пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, хранения и транспортирования.

Надёжность — комплексное свойство, которое в зависимости от назначения изделия и условий его эксплуатации может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость в отдельности или определённое сочетание этих свойств как изделия в целом, так и его частей.

Основное понятие, используемое в теории надёжности, — понятие отказа, т. е. утраты работоспособности, наступающей либо внезапно, либо постепенно.

Работоспособность — такое состояние изделия, при котором оно соответствует всем требованиям, предъявляемым к его основным параметрам. К числу основных параметров изделия относятся: быстродействие, нагрузочная характеристика, устойчивость, точность выполнения производственных операций и т.д. Вместе с другими показателями (масса, габариты, удобство в обслуживании и др.) они составляют комплекс показателей качества изделия. Показатели качества могут изменяться с течением времени. Изменение их, превышающее допустимые значения, приводит к возникновению отказового состояния (частичного или полного отказа изделия). Показатели надежности нельзя противопоставлять другим показателям качества: без учёта надежности все другие показатели качества изделия теряют свой смысл, точно так же и показатели надежности становятся полноценными показателями качества лишь в сочетании с др. характеристиками изделия.

Понятие «надежность изделия» давно используется в инженерной практике. Любые технические устройства — машины, инструменты или приспособления — всегда изготавливались в расчёте на некоторый достаточный для практических целей период использования. Однако долгое время надежность не измерялась количественно, что значительно затрудняло её объективную оценку.

Для оценки надежности использовались такие понятия, как высокая надежность, низкая надежность и др. качественные определения. Установление количественных показателей надежности и способов их измерения и расчёта положило начало научным методам в исследовании надежности.

На первых этапах развития теории надежности основное внимание сосредоточивалось на сборе и обработке статистических данных об отказах изделий. В оценке надежности преобладал характер констатации степени надежности на основании этих статистических данных. Развитие теории надежности сопровождалось совершенствованием вероятностных методов исследования, как-то: определение законов распределения наработки до отказа, разработка методов расчёта и испытаний изделий с учётом случайного характера отказов и т.п.

Вместе с тем появились новые направления исследований: поиск принципиально новых способов повышения надежности, прогнозирование отказов и прогнозирование надежности, анализ физико-химических процессов, оказывающих влияние на надежность, установление количественных связей между характеристиками этих процессов и показателями надежности, совершенствование методов расчёта надежности изделий, обладающих всё более сложной структурой, с учётом всё большего числа действующих факторов (достоверность исходных данных, контроль и профилактика, условия работы и обслуживания и т.д.).

Испытания на надежность совершенствовались главным образом в направлении проведения ускоренных и неразрушающих испытаний. Наряду с совершенствованием натурных испытаний широкое распространение получили математическое моделирование и сочетание натурных испытаний с моделированием. В результате к 50-м гг. XX в. сформировались основы общей теории надежности и её частных направлений по отдельным видам техники.

Увеличивающаяся сложность технических устройств; возрастающая ответственность функций, которые выполняют технические устройства; повышение требований к качеству изделий и условиям их работы; возросшая роль автоматизации, которая сокращает возможность непрерывного наблюдения за состоянием устройства, — основные факторы, определившие главное направления в развитии науки о надежности.

Количественные показатели надёжности. Надежность изделий определяется набором показателей; для каждого из типов изделий существуют рекомендации по выбору показателей надежности.

Для оценки надежности изделий, которые могут находиться в двух возможных состояниях — работоспособном и отказовом, применяются следующие показатели: среднее время работы до возникновения отказа Т_ср — наработка до первого отказа; среднее время работы, приходящееся на один отказ, Т — наработка на отказ; интенсивность отказов 1(t ); параметр потока отказов w(t ); среднее время восстановления работоспособного состояния t_в; вероятность безотказной работы за время t [Р (t )]; коэффициент готовности K_r.

Закон распределения наработки до отказа определяет количественные показатели надежности невосстанавливаемых изделий. Закон распределения записывается либо в дифференциальной форме плотности вероятности f (t ), либо в интегральной форме F (t ). Существуют следующие соотношения между показателями надежности и законом распределения:

Для восстанавливаемых изделий вероятность появления n отказов за время t в случае простейшего потока отказов определяется законом Пуассона:

 

Из него следует, что вероятность отсутствия отказов за время t равна

Р (t) = exp(-1t) (экспоненциальный закон надёжности).

Технические системы, состоящие из конструктивно независимых узлов, обладающие способностью перестраивать свою структуру для сохранения работоспособности при отказе отдельных частей, в теории надежности принято называть сложными техническими системами.

Число работоспособных состоянии таких систем — два и более. Каждое из работоспособных состояний характеризуется своей эффективностью работы, которая может измеряться производительностью, вероятностью выполнения поставленной задачи и т.д. Показателем надежности сложной системы может быть суммарная вероятность работоспособности системы — сумма вероятностей всех работоспособных состояний системы.

Способы определения количественных показателей надёжности. Показатели надежности определяются из расчётов, проведением испытаний и обработкой результатов (статистических данных) эксплуатации изделий, моделированием на ЭВМ, а также в результате анализа физико-химических процессов, обусловливающих надежность изделия. Расчёты надежности основаны на том, что при определенной структуре изделия и имеющемся законе распределения наработки до отказа изделий этого типа существуют вполне определенные зависимости между показателями надежности отдельных элементов и надежности изделия в целом. Для установления таких зависимостей используются следующие приемы: решение уравнении, составленных на основании структурной схемы надежности (использование последовательно-параллельных структур) или на основании логических связей между состояниями изделия (использование алгебры логики); решение дифференциальных уравнений, описывающих процесс перехода изделия из одного состояния в другие (использование графов состояний); составление функций, описывающих состояния сложного изделия.

Расчёты надежности производятся главным образом на этапе проектирования изделий с целью прогнозирования для данного варианта изделия ожидаемой надежности. Это позволяет выбрать наиболее подходящий вариант конструкции и методы обеспечения надежности, выявить «слабые места», обоснованно назначить рабочие режимы, форму и порядок обслуживания изделия.

Испытания на надежность производятся на этапах разработки опытного образца и серийного производства изделия. Существуют испытания на надежность определительные, в результате которых определяют показатели надежности; контрольные, имеющие целью контроль качества технологического процесса, обеспечивающего с некоторым риском надежность не ниже заданной; ускоренные, в ходе которых используют факторы, ускоряющие процесс возникновения отказов; неразрушающие, основанные на применении методов дефектоскопии и интроскопии, а также на изучении косвенных признаков (шумов, тепловых излучений и т.п.), сопутствующих возникновению отказов.

Моделирование на ЭВМ является наиболее эффективным средством анализа надежности сложных систем. Широко распространены два алгоритма моделирования: первый, основанный на моделировании физических процессов, происходящих в исследуемом объекте (оценка надежности при этом определяется по числу выходов параметров объекта за пределы допуска); второй, основанный на решении систем уравнений, описывающих состояния исследуемого объекта.

Анализ физико-химических процессов также позволяет получить оценку надежности исследуемого изделия, т.к. часто удаётся установить зависимость надежности от состояния и характера протекания физико-химических процессов (соотношение показателей прочности и нагрузки, износостойкость, наличие примесей в материалах, изменение электрических и магнитных характеристик, шумовые эффекты и т.д.).

Способы повышения надёжности. На стадии разработки изделий: использование новых материалов, обладающих улучшенными физико-химическими характеристиками, и новых элементов, обладающих повышенной надежностью по сравнению с применявшимися ранее; принципиально новые конструктивные решения; выбор оптимальных рабочих режимов и наиболее эффективной защиты от неблагоприятных внутренних и внешних воздействий; применение эффективного контроля, позволяющего не только констатировать техническое состояние изделия (простой контроль) и устанавливать причины возникновения отказового состояния (диагностический контроль), но и предсказывать будущее состояние изделия, с тем чтобы предупреждать возникновение отказов (прогнозирующий контроль).

В процессе производства: использование прогрессивной технологии обработки материалов и прогрессивных методов соединения деталей; применение эффективных методов контроля (в том числе автоматизированного и статистического) качества технологических операций и качества изделий; разработка рациональных способов тренировки изделий, выявляющих скрытые производственные дефекты; испытания на надёжность, исключающие приёмку ненадёжных изделий.

Во время эксплуатации: обеспечение заданных условий и режимов работы; проведение профилактических работ и обеспечение изделий запасными деталями, узлами и элементами, инструментом и материалами; диагностический контроль, предупреждающий о возникновении отказов.

В ходе развития техники возникают новые аспекты проблемы обеспечения надежности. Так, например, внедрение больших интегральных схем требует принципиально новых методов расчёта их надежности, применение систем автоматизированного контроля приводит к необходимости учёта его влияния на показатели надежности и т.д.

Исправность, состояние технического устройства, при котором оно соответствует всем требованиям, обусловленным технической документацией. Исправным считается такое устройство, у которого все параметры, определяющие работоспособность и характеризующие его состояние и внешний вид, находятся в заданных пределах, и, кроме того, оно не имеет отказов резервных узлов и элементов. Из исправного состояния изделие вследствие отказа или повреждения может перейти в неисправное.

Неисправность, состояние технического устройства, при котором хотя бы один из его основных или дополнительных параметров не соответствует требованиям, обусловленным технической документацией. В неисправное состояние устройство переходит вследствие отказа или повреждения. Отказ приводит устройство в неработоспособное состояние, так как при этом, по крайней мере, один из основных параметров не соответствует техническим требованиям, предъявляемым к устройству. Повреждение может и не приводить к потере работоспособности, если вследствие повреждения устройство перестаёт соответствовать техническим требованиям только по дополнительным параметрам. Пример неисправного, но работоспособного устройства — радиоприёмник, основные параметры которого находятся в заданных пределах, а лампочка освещения шкалы перегорела; тот же радиоприёмник окажется неработоспособным при обрыве в цепи питания или отказе радиолампы (транзистора) в одном из каскадов усиления.

Отказ, нарушение работоспособности технического устройства; одно из основных понятий теории надёжности. Отказ возникает вследствие изменения параметров устройства или его частей под влиянием внутренних физико-химических процессов и воздействия внешней среды. Различают внезапные и постепенные отказы: внезапные отказы характеризуются скачкообразным изменением значений одного или нескольких основных параметров устройства (пример: перегорела нить накала в электрической лампе); постепенные отказы — это медленное (постепенное) изменение значений одного или нескольких основных параметров устройства (например, снижение мощности двигателя ниже установленной). Критерии отказов устанавливаются в нормативно-технической документации на конкретное изделие. Вследствие отказов возможно полное прекращение работы устройства или снижение эффективности его функционирования ниже допустимого уровня. Отказ элемента устройства, не обусловленный повреждениями др. элементов, называется независимым отказом. Отказ возникший в результате повреждения или выхода из строя др. элементов, — зависимым.

Интенсивность отказов, показатель надёжности неремонтируемых технических устройств, численно равна вероятности отказа устройства в единицу времени начиная с некоторого момента времени при условии, что до этого отказа не было.

Наработка на отказ, среднее значение наработки ремонтируемого изделия между отказами (нарушениями его работоспособности). Если наработка выражена в единицах времени, то под наработкой на отказ понимается среднее время безотказной работы. Для периода от наработки t₁ до наработки t₂ Наработка на отказ определяется равенством:

где m_ср — среднее число отказов (на изделие) для некоторого числа однотипных изделий до наработки t_i (i = 1, 2), найденное опытным путём.

Моделирование, исследование объектов на их моделях; построение и изучение моделей реально существующих инженерных конструкций (предметное моделирование), для определения, уточнения их характеристик, рационализации способов их построения и т. п.

Предметным называется моделированием, в ходе которого исследование ведётся на модели, воспроизводящей основные геометрические, физические, динамические и функциональные характеристики " оригинала". На таких моделях изучаются процессы, происходящие в оригинале — объекте исследования или разработки (изучение на моделях свойств строительных конструкций, различных механизмов, транспортных средств и т. п.). Если модель и моделируемый объект имеют одну и ту же физическую природу, то говорят о физическом моделировании.

Система, процесс может исследоваться путём опытного изучения каких-либо явления иной физической природы, но таких, которые описывается теми же математическими соотношениями, что и моделируемые. Например, механические и электрические колебания описываются одними и теми же дифференциальными уравнениями; поэтому с помощью механических колебаний можно моделировать электрические и наоборот. Такое «предметно-математическое» моделирование широко применяется для замены изучения одних явлений изучением других явлений, более удобных для лабораторного исследования, в частности потому, что они допускают измерение неизвестных величин. Так, электрическое моделирование позволяет изучать на электрических моделях механических, гидродинамических, акустических и другие явления.

Электрическое моделирование лежит в основе аналоговых вычислительных машин.

При знаковом моделировании моделями служат знаковые образования какого-либо вида: схемы, графики, чертежи, формулы, графы, слова и предложения в некотором алфавите (естественного или искусственного языка).

Важнейшим видом знакового моделирования является математическое (логико-математическое) моделирование, осуществляемое средствами языка математики и логики. Знаковые образования и их элементы всегда рассматриваются вместе с определенными преобразованиями, операциями над ними, которые выполняет человек или машина (преобразования математических, логических, химических формул, преобразования состояний элементов цифровой машины, соответствующих знакам машинного языка, и др.). Современная форма «материальной реализации» знакового, прежде всего, математического моделирования — это моделирование на цифровых электронных вычислительных машинах, универсальных и специализированных. Такие машины — это своего рода «чистые бланки», на которых можно зафиксировать описание любого процесса (явления) в виде его программы, т. е. закодированной на машинном языке системы правил, следуя которым машина может «воспроизвести» ход моделируемого процесса.

Моделирование позволяет изучать такие объекты, прямой эксперимент над которыми затруднён, экономически невыгоден, либо вообще невозможен в силу тех или иных причин. Например: моделирование уникальных гидротехнических сооружений, сложных промышленных комплексов, экономических систем, социальных явлений, процессов, происходящих в космосе, и др.

 

⇐ Предыдущая891011121314151617Следующая ⇒

Поделиться: