Лекция - Основные понятия и показатели теории надежности. Лекция Надежность как наука
 Скачать 27.43 Kb.
|
|
Лекция 1. Надежность как наука Надежность характеризует качество технического средства. Качество – совокупность свойств, определяющих пригодность изделия к использованию по назначению и его потребительские свойства. Надежность – комплексное свойство технического объекта, которое состоит в его способности выполнять заданные функции, сохраняя свои основные характеристики в установленных пределах. Понятие надежности включает в себя безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохранность. Предмет надежности – изучение причин, вызывающих отказы объектов, определение закономерностей, которым они подчиняются, разработка способов количественного измерения надежности, методов расчета и испытаний, разработка путей и средств повышения надежности. Объектом исследования надежности как науки является то или иное техническое средство: отдельная деталь, узел машины, агрегат, машина в целом, изделие и др. Различают общую теорию надежности и прикладные теории надежности. Общая теория надежности имеет три составляющие: 1. Математическая теория надежности. Определяет математические закономерности, которым подчиняются отказы и методы количественного измерения надежности, а также инженерные расчеты показателей надежности. 2. Статистическая теория надежности. Обработка статистической информации о надежности. Статистические характеристики надежности и закономерности отказов. 3. Физическая теория надежности. Исследование физикохимических процессов, физических причин отказов, влияния старения и прочности материалов на надежность. Прикладные теории надежности разрабатываются в конкретной области техники применительно к объектам этой области. Например, существует теория надежности систем управления, теория надежности электронных устройств, теория надежности машин и др. Надежность связана с эффективностью (например, с экономической эффективностью) техники. Недостаточная надежность технического средства имеет следствием: – снижение производительности из-за простоев вследствие поломок; – снижение качества результатов использования технического средства из-за ухудшения его технических характеристик вследствие неисправностей; – затраты на ремонты технического средства; – потеря регулярности получения результата (например, снижение регулярности перевозок для транспортных средств); – снижение уровня безопасности использования технического средства. История развития теории надежности I этап. Начальный этап. Он начинается с начала появления первых технических устройств (это конец XIX в. (приблизительно 1880 г.)) и заканчивается с появлением электроники и автоматики, авиации и ракетно-космической техники (середина XX в.). Уже в начале века ученые стали задумываться, как сделать любую машину неломающейся. Появилось такое понятие, как «запас» прочности. Но, увеличивая запас прочности, увеличивается и масса изделия, что не всегда приемлемо. Специалисты стали искать пути решения этой проблемы. Основой для решения таких проблем стала теория вероятностей и математическая статистика. На базе указанных теорий уже в 30-е гг. было сформулировано понятие отказа, как превышение нагрузки над прочностью. С началом развития авиации и применения в ней электроники и автоматики теория надежности начинает бурно развиваться. II этап. Этап становления теории надежности (1950 – 1960). В 1950 г. военно-воздушные силы США организовали первую группу для изучения проблем надежности радиоэлектронного оборудования. Группа установила, что основная причина выхода из строя радиоэлектронной аппаратуры заключалась в низкой надежности ее элементов. Стали в этом разбираться, изучать влияние различных эксплуатационных факторов на исправную работу элементов. Собрали богатый статистический материал, который и явился основой теории надежности. III этап. Этап классической теории надежности (1960 – 1970). В 60-70 гг. появляется космическая техника, требующая повышенной надежности. С целью обеспечения надежности этих изделий начинают анализировать конструкцию изделий, технологию производства и условия эксплуатации. На данном этапе было установлено, что причины поломок машин можно обнаружить и устранить. Начинает развиваться теория диагностики сложных систем. Появляются новые стандарты по надежности машин. IV этап. Этап системных методов надежности (с 1970 г. по настоящее время). На этом этапе были разработаны новые требования к надежности, заложившие основу современных систем и программ обеспечения надежности. Были разработаны типовые методики проведения мероприятий, связанных с обеспечением надежности. Эти методики разделяются на два основных направления: − первое направление относится к потенциальной надежности, которое учитывает конструктивные (выбор материала, запас прочности и т.д.) и технологические (ужесточение допусков, повышение чистоты поверхности и т.д.) методы обеспечения надежности; − второе направление – эксплуатационное, которое направлено на обеспечение эксплуатационной надежности (стабилизация условий эксплуатации, совершенствование методов ТО и ремонта и т.д.). Основные понятия надежности Надежность использует понятие объекта. Объект характеризуется качеством. Надежность является составляющим показателем качества объекта. Чем выше надежность объекта, тем выше его качество. В процессе эксплуатации объект может находиться в одном из следующих состояний: 1) Исправное состояние – состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской документации. 2) Неисправное состояние – состояние объекта, при котором он не соответствует хотя бы одному из требований нормативнотехнической и (или) конструкторской документации. 3) Работоспособное состояние – состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствует требованиям нормативнотехнической и (или) конструкторской документации. 4) Неработоспособное состояние – состояние объекта, при котором значение хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской документации. Различают неисправности, не приводящие к отказам (нарушение лакокрасочного покрытия, износ протектора колеса), и неисправности, ведущие к возникновению отказа (трещина металлоконструкции рамы, изгиб лопасти вентилятора системы охлаждения двигателя). Частным случаем неработоспособного состояния является предельное состояние. Предельное состояние – состояние, при котором дальнейшая эксплуатация объекта недопустима или нецелесообразна, либо восстановление работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно. Переход объекта в предельное состояние влечет за собой временное или окончательное прекращение эксплуатации объекта, то есть объект должен быть выведен из эксплуатации, направлен в ремонт или списан. Критерии предельного состояния устанавливают в нормативно-технической документации. Повреждение – это событие, заключающееся в нарушении исправного состояния объекта при сохранении работоспособного состояния. Отказ – это событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта. Восстановление (ремонт) – возвращение объекту работоспособного состояния. Критерии повреждений и отказов устанавливают в нормативно-технической и (или) конструкторской документации. Зависимый отказ – отказ, обусловленный другими отказами. Внезапный отказ – характеризуется резким изменением одного или нескольких заданных параметров объекта. Примером внезапного отказа является нарушение работоспособности системы зажигания или системы питания двигателя. Постепенный отказ – характеризуется постепенным изменением одного или нескольких заданных параметров объекта. Характерным примером постепенного отказа является нарушение работоспособности тормозов в результате износа фрикционных элементов. Явный отказ – отказ, обнаруживаемый визуально или штатными методами и средствами контроля и диагностирования при подготовке объекта к применению или в процессе его применения по назначению. Скрытый отказ – отказ, не обнаруживаемый визуально или штатными методами и средствами контроля и диагностирования, но выявляемый при проведении технического обслуживания или специальными методами диагностики. В зависимости от способа устранения отказа все объекты разделяют на ремонтируемые (восстанавливаемые) и неремонтируемые (невосстанавливаемые). К ремонтируемым относят объекты, которые при возникновении отказа ремонтируют и после восстановления работоспособности снова вводят в эксплуатацию. Неремонтируемые объекты (элементы) после возникновения отказа заменяют. К таким элементам относятся большинство асбестовых и резинотехнических изделий (тормозные накладки, накладки дисков сцепления, прокладки, манжеты), некоторые электротехнические изделия (лампы, предохранители, свечи зажигания), быстроизнашивающиеся и обеспечивающие безопасность эксплуатации детали (вкладыши и пальцы шарниров рулевых тяг, втулки шкворневых соединений). К числу неремонтируемых элементов машин относят также подшипники качения, оси, пальцы, крепежные детали. Восстановление перечисленных элементов экономически нецелесообразно, так как затраты на ремонт достаточно велики, а обеспечиваемая при этом долговечность значительно ниже, чем у новых деталей Жизненный цикл объекта Объект характеризуется жизненным циклом. Жизненный цикл объекта состоит из ряда стадий: проектирование объекта, изготовление объекта, эксплуатация объекта. Каждая из этих стадий жизненного цикла влияет на надежность изделия. На стадии проектирования объекта закладываются основы его надежности. На надежность объекта влияют: – выбор материалов (прочность материалов, износостойкость материалов); – запасы прочности деталей и конструкции в целом; – удобство сборки и разборки (определяет трудоемкость последующих ремонтов); – механическая и тепловая напряженность конструктивных элементов; - резервирование важнейших или наименее надежных элементов и другие меры. На стадии изготовления надежность определяется выбором технологии производства, соблюдением технологических допусков, качеством обработки сопрягаемых поверхностей, качеством используемых материалов, тщательностью сборки и регулировки. На стадии проектирования и изготовления определяются конструктивно-технологические факторы, влияющие на надежность объекта. Действие этих факторов выявляется на стадии эксплуатации объекта. Кроме того, на данной стадии жизненного цикла объекта на его надежность влияют и эксплуатационные факторы. Эксплуатация оказывает решающее влияние на надежность объектов, особенно сложных. Надежность объекта при эксплуатации обеспечивается путем: – соблюдения условий и режимов эксплуатации (смазка, нагрузочные режимы, температурные режимы и др.); – проведения периодических технических обслуживаний с целью выявления и устранения возникающих неполадок и поддержания объекта в работоспособном состоянии; – систематической диагностики состояния объекта, выявления и предупреждения отказов, снижения вредных последствий отказов; – проведения профилактических восстановительных ремонтов. Основной причиной снижения надежности в процессе эксплуатации являются износ и старение компонентов объекта. Износ приводит к изменению размеров, нарушению работоспособности (из-за ухудшения условий смазки, например), поломкам, снижению прочности и т.д. Старение приводит к изменению физико-механических свойств материалов, влекущему поломки или отказы. Условия эксплуатации назначаются такими, чтобы максимально снизить износ и старение: например, износ возрастает в условиях дефицита или низкого качества смазки. Старение возрастает при выходе температурных режимов за допустимые (например, уплотнительные прокладки, клапаны и т.д.). Поддержание надежности объекта при эксплуатации Поддержание требуемого уровня надежности технических объектов в процессе эксплуатации осуществляется путем проведения комплекса организационно-технических мероприятий. Сюда входят периодические технические обслуживания, профилактические и восстановительные ремонты. Периодические технические обслуживания направлены на своевременные регулировки, устранение причин отказов, раннее выявление отказов. Периодические технические обслуживания проводятся в установленные сроки и в установленном объеме. Задачей любого ТО является проверка контролируемых параметров, регулировка в случае необходимости, выявление и устранение неисправностей, замена элементов, предусмотренная эксплуатационной документацией. Порядок выполнения несложных работ определяется инструкциями по техническому обслуживанию, а порядок выполнения сложных работ – технологическими картами. В процессе технических обслуживаний обычно осуществляется и диагностика состояния эксплуатируемого объекта (в том или ином объеме). Диагностика заключается в контроле состояния объекта с целью выявления и предупреждения отказов. Осуществляется диагностика с помощью диагностических средств контроля, которые могут быть встроенными и внешними. Встроенные средства позволяют осуществлять непрерывный контроль. С помощью внешних средств осуществляется периодический контроль. В результате диагностики выявляются отклонения параметров объекта и причины этих отклонений. Определяется конкретное место неисправности. Решается задача прогнозирования состояния объекта и принимается решение о его дальнейшей эксплуатации. Объект считается работоспособным, если его состояние позволяет ему выполнять возложенные на него функции. Если в процессе эксплуатации характеристики объекта или его структура недопустимо изменились, то говорят, что в объекте возникла неисправность. Возникновение неисправности нельзя отождествлять с потерей объектом работоспособности. Однако в неработоспособном объекте всегда будет иметь место неисправность. Для восстановления показателей надежности объекта при их снижении проводятся профилактические и восстановительные ремонты. Восстановительные ремонты служат для восстановления работоспособности объекта после отказа и поддержания заданного уровня его надежности путем замены деталей и узлов, потерявших свой уровень надежности или отказавших. Количество ремонтов определяется экономической целесообразностью. Основные показатели надежности В соответствии с ГОСТ 27.002 надежность – свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции. Этот стандарт оговаривает как единичные показатели надежности, каждый из которых характеризует отдельную сторону надежности (безотказность, долговечность, сохраняемость или ремонтопригодность), так и комплексные показатели надежности, которые характеризуют одновременно несколько свойств надежности. Показатели для оценки безотказности 1. Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки. Под наработкой понимается продолжительность работы машины, выраженная: – для машин в целом – во времени (часах); – для автомобильного транспорта – в километрах пробега автомобиля; – для авиации – в часах налета самолета; – для с/х техники – в гектарах условной пахоты; – для двигателей – в моточасах и т.д 2. Средняя наработка до отказа (среднее время безотказной работы) и средняя наработка на отказ. Средняя наработка до отказа – математическое ожидание наработки объекта до первого отказа. Этот показатель часто называют средним временем безотказной работы. 3. Плотность вероятности отказа (частота отказов) – отношение числа отказавших изделий в единицу времени к первоначальному числу находящихся под наблюдением при условии, что отказавшие изделия не восстанавливаются и не заменяются новыми. 4. Интенсивность отказов – условная плотность вероятности возникновения отказа объекта, определяемая при условии, что до рассматриваемого момента времени отказ не возник. Иначе говоря, это отношение числа отказавших изделий в единицу времени к среднему числу работающих безотказно за данный промежуток времени при условии, что отказавшие изделия не восстанавливаются и не заменяются новыми. Показатели для оценки долговечности Долговечность – свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта. Долговечность машин закладывается при их проектировании и конструировании, обеспечивается в процессе производства и поддерживается в процессе эксплуатации. Ресурс – наработка машины от начала эксплуатации или ее возобновления после ремонта до предельного состояния. Срок службы – календарная продолжительность эксплуатации машины от начала ее эксплуатации или возобновления после ремонта, до наступления предельного состояния. Показатели для оценки сохраняемости Сохраняемость – свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способности объекта выполнять требуемые функции, в течение и после хранения и (или) транспортирования. Для оценки сохраняемости применяют следующие показатели: 1. Средний срок сохраняемости – математическое ожидание срока сохраняемости объекта. 2. Гамма-процентный срок сохраняемости – календарная продолжительность хранения и (или) транспортирования объекта, в течение и после которой показатели безотказности, долговечности и ремонтопригодности объекта не выйдут за установленные пределы с вероятностью γ, выраженной в процентах. Показатели сохраняемости по сути своей соответствуют показателям долговечности и определяются по тем же формулам. Показатели для оценки ремонтопригодности Ремонтопригодность – свойство объекта, заключающееся в его приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонта. Время восстановления – это продолжительность восстановления работоспособного состояния объекта. Время восстановления равно сумме времен, затрачиваемых на отыскание и устранение отказа, а также на проведение необходимых отладок и проверок, чтобы убедиться в восстановлении работоспособности объекта. Комплексные показатели надежности Каждый из описанных выше показателей позволяет оценить лишь одну из сторон надежности – одно из свойств надежности объекта. Для более полной оценки надежности используют комплексные показатели, позволяющие одновременно оценить несколько важнейших свойств объекта. 1. Коэффициент готовности Кг – вероятность того, что объект окажется работоспособным в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых применение объекта по назначению не предусматривается. Кг=То/То+ТВ где То – среднее значение наработки на отказ; Тв – среднее время восстановления объекта после отказа. 2. Коэффициент технического использования – отношение математического ожидания суммарного времени пребывания объекта в работоспособном состоянии за некоторый период эксплуатации к математическому ожиданию суммарного времени пребывания объекта в работоспособном состоянии и простоев, обусловленных техническим обслуживанием и ремонтом за тот же период эксплуатации. КТИ=ТО+ТР+ТТО где ТР , ТТО – суммарная продолжительность простоев машины в ремонте и техническом обслуживании. Для автомобилей основными показателями долговечности являются ресурс до замены (до ремонта определенного вида) или списания, гамма-процентный ресурс; основным показателем безотказности – наработка на отказ определенной группы сложности (среднее время безотказной работы); основными показателями ремонтопригодности – удельная трудоемкость технического обслуживания, удельная трудоемкость текущих ремонтов и удельная суммарная трудоемкость технического обслуживания и текущих ремонтов. Получение информации о надежности машин Для того чтобы определить надежность любой машины, необходимо иметь информацию об отказах ее деталей, узлов, агрегатов и самой машины в целом. Сбором информации об отказах машин занимаются: – организации-разработчики машины; – предприятия-изготовители машины; – эксплуатационные и ремонтные предприятия. Организации-разработчики (проектные институты) осуществляют сбор и обработку информации о надежности опытных образцов машин путем проведения специальных испытаний. Предприятия-изготовители (машиностроительные заводы) осуществляют сбор и обработку первичной информации о надежности серийно изготовляемой продукции и анализ причин отказов машин. Сбор информации они ведут на основе проведения специальных заводских и эксплуатационных испытаний. Эксплуатационные и ремонтные организации собирают первичную информацию о надежности машин в эксплуатации. Требования к информации Сбор информации о надежности машин проводят в соответствии с требованиями отраслевой нормативно-технической документации. Информация о надежности машин должна удовлетворять следующим требованиям: 1) полнота информации, под которой понимается наличие всех сведений, необходимых для проведения оценки и анализа надежности; 2) достоверность информации, т.е. все сообщения об отказах должны быть точными; 3) своевременность информации позволяет быстрее устранять причины отказов и принимать меры по устранению выявленных недостатков; 4) непрерывность информации позволяет сопоставлять результаты расчетов, полученные в первый и последующий периоды эксплуатации и избавляет от ошибок. Нормирование показателей надежности С целью создания высоконадежных объектов необходимо нормирование надежности – установление номенклатуры и количественных значений основных показателей надежности элементов объекта. Номенклатуру показателей надежности выбирают в зависимости от класса изделий, режимов эксплуатации, характера отказов и их последствий. Выбор показателей надежности может определяться заказчиком. Все изделия подразделяются на следующие классы: – неремонтируемые и невосстанавливаемые изделия общего назначения. Составные части изделий, невосстанавливаемые на месте эксплуатации и не подлежащие ремонту (например, подшипники, шланги, тонеры, крепежные детали, радиодетали и др.), а также невосстанавливаемые изделия самостоятельного функционального назначения (например, электрические лампы, контрольные приборы и др.); – восстанавливаемые изделия, подвергающиеся плановым техническим обслуживаниям, текущему и среднему ремонту, а также изделия, подвергающиеся капитальному ремонту; – изделия, предназначенные для выполнения кратковременных разовых или периодических заданий. Режимы эксплуатации изделий могут быть следующими: – непрерывными, когда изделие работает непрерывно в течение определенного времени; – циклическими, когда изделие работает с заданной периодичностью в течение определенного времени; – оперативными, когда неопределенный период простоя сменяется периодом работы заданной продолжительности. Градация изделий по классам надежности представлена в таблице. Таблица – Класс надежности
В нулевой класс входят малоответственные детали и узлы, отказ которых остается практически без последствий. Для них хорошим показателем надежности может быть средний срок службы, наработка на отказ или параметр потока отказов. Классы с первого по четвертый характеризуются повышенными требованиями к безотказной работе (номер класса соответствует числу девяток после запятой). В пятый класс включаются высоконадежные изделия, отказ которых в заданный период недопустим. По американской методике FMECA безопасность системы оценивается вероятностью безотказной работы с учетом двух параллельных показателей: категории последствий и уровня опасности. Категория последствий оценивает степень серьезности тех последствий, к которым может привести отказ: I класс – отказ не приводит к травмированию персонала; II класс – отказ приводит к травмированию персонала; III класс – отказ приводит к серьезной травме или смерти; IV класс – отказ приводит к серьезным травмам или смерти группы людей. |