КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ НАДЕЖНОСТЬ Б. Любые технические устройства всегда изготавливались в расчете на некоторый достаточный для практических целей период экономически эффективного использования
 Скачать 0.82 Mb.
|
|
2. Надежность как прикладная научная дисциплина О том, что теория надежности представляет собой чрезвычайно актуальную прикладную науку, свидетельствует развитая система международных и национальных стандартов по надежности. Приведем определения надежности, данные в действующих в РФ стандартах: ГОСТ Р 53480-2009 (МЭК 60050 (191): 1990-12 Надежность и качество услуг) 17 надежность: свойство готовности и влияющие на него свойства безотказности и ремонтопригодности, и поддержка технического обслуживания. ПРИМЕЧАНИЕ: Данный термин используют только для общего неколичественного описания надежности. 18 готовность: способность изделия выполнить требуемую функцию при данных условиях в предположении, что необходимые внешние ресурсы обеспечены. ПРИМЕЧАНИЯ: 1. Эта способность зависит от сочетания свойств безотказности, ремонтопригодности и поддержки технического обслуживания. 2. «Данные условия» могут включать климатические, технические или экономические обстоятельства. 3. Необходимые внешние ресурсы, кроме ресурсов технического обслуживания, не влияют на свойство готовности. 19 безотказность: способность изделия выполнить требуемую функцию в заданном интервале времени при данных условиях. ПРИМЕЧАНИЯ: 1. «Данные условия» могут включать климатические, технические или экономические обстоятельства. 2. Обычно предполагают, что в начале интервала времени изделие в состоянии выполнить требуемую функцию. 20 ремонтопригодность: способность изделия при данных условиях использования и технического обслуживания к поддержанию или восстановлению состояния, в котором оно может выполнить требуемую функцию. ПРИМЕЧАНИЕ: «Данные условия» могут включать климатические, технические или экономические обстоятельства. ГОСТ 27.002-89 Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения 1.1 надежность (reliability, dependability) - свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования. ПРИМЕЧАНИЕ: Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость или определенные сочетания этих свойств. Из приведенных выдержек видно, что разница между определением надежности в ГОСТе и в стандарте МЭК значительная лишь на первый взгляд. При учете примечаний к термину она таковой не кажется. Тем не менее, определение надежности в двух этих стандартах разница есть. Она заключается в разных взглядах на надежность участников процесса: советский стандарт отражает точку зрения разработчика, а международный – потребителя. Этим же объясняется отсутствие в определении надежности по МЭК 60050 такого показателя надежности, как долговечность. Цель исследований надежности заключается в повышении качества, эффективности и безопасности объекта. Объект в теории надежности – это техническое средство определенного целевого назначения (изделие, система) или его составная часть, рассматриваемое с точки зрения надежности на различных этапах жизненного цикла. При необходимости в понятие объект могут включаться: информация, программные средства, а также человеческий фактор. Технические средства (в особенности, средства производства – технологическое оборудование и средства технологического оснащения), рассматриваемые при их создании как изделия, используются, как правило, в составе систем (в частности, технологических). Под обобщающим термином техника понимается совокупность средств человеческой деятельности, созданных для осуществления процессов производства и удовлетворения непроизводственных потребностей человека и общества. К технике относят всё многообразие создаваемых комплексов и изделий, машин и механизмов, производственных зданий и сооружений, приборов и агрегатов, инструментов и коммуникаций, устройств и приспособлений, деталей механических, электротехнических, радиотехнических и электронных устройств. Изделием называется любой предмет или набор предметов производства, подлежащий изготовлению на предприятии. Использование термина изделие подчеркивает, что образец или техническое средство рассматривается как предмет или продукт производства. Различают изделия неспецифицированные (не имеющие составных частей) – детали и специфицированные (состоящие из двух и более составных частей) – сборочные единицы, комплексы и комплекты. Изделие, как готовая техническая продукция, поставляется и применяется, как правило, в составе комплексов или комплектов. Под комплексом или комплектом понимают совокупность изделий, не соединённых на предприятии-изготовителе сборочными операциями. Составные же части сборочной единицы подлежат сборке на предприятии-изготовителе. Термин комплекс подчёркивает обязательность функционального взаимодействия входящих в него изделий в процессе его применения (вычислительный комплекс, добывающий комплекс, обрабатывающий комплекс и др.). В комплект входят изделия, имеющие, как правило, общее функциональное назначение вспомогательного характера (комплект ЗИП, комплект инструмента, комплект оборудования и др.). Система – упорядоченная совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, образующих единое функциональное целое, предназначенное для решения определенных задач (достижения определенных целей). Это определение подчеркивает первичность цели при объединении каких-то системообразующих факторов (материальных, человеческих, информационных и пр.) в систему. Если цель не сформулирована, предметного разговора о системе не может быть. Для технологических систем, в частности, целью является производство определенной продукции с определенными показателями качества и определенным тактом выпуска при регламентированных затратах материальных, энергетических, трудовых и прочих ресурсов. Элемент системы – часть системы, предназначенная для выполнения определенных функций и неделимая на составные части при данном уровне рассмотрения. Техническое устройство как материализованный объект существует на стадиях разработки и постановки на производство, изготовления и поставки, применения, вплоть до утилизации. Существование технического устройства в нематериальном (идеальном) состоянии описывают стадии формирования потребностей и требований к нему, а также стадии разработки, включающие создание конструкторской и технологической документации. Предмет надежности как научной дисциплины – 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. Помимо общей теории надежности развиваются и прикладные ее разделы. Общая теория содержит разделы: 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 физико-химических процессов, физических причин отказов, влияния старения и прочности материалов на надежность. Прикладные аспекты 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; потерю регулярности получения результата (например, снижение регулярности перевозок для транспортных средств); снижение уровня безопасности использования технического средства. Оценка надежности устройств, основанная на данных о физических свойствах материалов, о характеристиках элементов и воздействующих факторов предполагает использование вероятностных, статистических методов, поскольку эти характеристики представляют собой обычно случайные функции времени или случайные величины. Статистические методы широко применяют при исследовании физико-химических процессов в материалах и устройствах. Значительное число физических явлений и процессов на молекулярном, атомном, электронном уровнях может быть точно описано только с помощью теории вероятности и математической статистики, например методами статистической физики, статистической термодинамики и др. Детерминистические зависимости, характеризующие законы протекания физико-химических процессов, описывают осредненные явления и включают осредненные величины. При составлении эмпирических зависимостей используют средние значения из ряда наблюдений. С инженерной точки зрения, при рассмотрении физических явлений и процессов, обусловливающих возникновение отказов элементов и устройств, следует определить оптимальную степень детализации физического анализа, учитывая, что в конечном счете нас интересуют макроскопические характеристики состояния материалов, элементов, технических устройств. По-видимому, целесообразная степень детализации должна определяться не столько возможностью непосредственного использования физических закономерностей для инженерных расчетов надежности, сколько необходимостью глубокого физического анализа процессов для эффективного решения многих задач исследования и обеспечения надежности конкретных устройств в конкретных условиях применение и внешних воздействий. 3. Надежность и качество Надежность характеризует качество технического средства. Показатели надежности в технике входят в номенклатуру нормируемых показателей качества. Сторонники рассмотрения надежности как составляющей науки о качестве соответствующим образом определяют и предмет науки о надежности: «Предметом науки о надежности является изучение закономерностей изменения показателей качества объектов во времени и разработка методов, позволяющих с минимальной затратой времени и ресурсов обеспечить необходимую продолжительность и эффективность их работы». ПРИМЕЧАНИЕ: Ранее было приведено более общее определение теории надежности, данное академиком А.И. Бергом. Особенно большое значение имеет прогноз на ранних стадиях жизненного цикла объекта (разработка и изготовление), когда необходимо дать оценку эффективности принятых конструкторских решений и применяемых технологических методов для обеспечения требуемого уровня качества и эффективности применения объекта в предполагаемых условиях эксплуатации, в течение необходимого времени применения. Согласно ГОСТ Р ИСО 9000-2008. Системы менеджмента качества. Основные положения и словарь: 3.1.1. КАЧЕСТВО (quality): степень соответствия совокупности присущих ХАРАКТЕРИСТИК (3.5.1) ТРЕБОВАНИЯМ (3.1.2). Из этого следует, что разные образцы однотипной продукции, находящиеся в обращении на рынке, могут в разной степени соответствовать конкретному набору требований. А значит, их качество можно сравнивать. Таким образом, уровень качества конкретной продукции определяется степенью соответствия ее показателей качества конкретным требованиям, с одной стороны, и соотношением с аналогичными показателями других образцов однотипной продукции с другой. Логично утверждать, что теория надежности исследует показатели качества не с целью сравнения образцов продукции. Этот аспект оценки качества продукции относится к квалиметрии. Теория надежности исследует изменчивость показателей надежности, являющихся одновременно показателями качества, в течение времени (по мере исчерпания ресурса или срока хранения). Представляется, однако, что теория надежности и обеспечение качества хотя и сильно взаимосвязанные, но все же различные научные дисциплины, имеющие свои специфические предметы исследований. Это особенно явно проявляется в соотношениях: «надежность-безопасность», «качество-безопасность». В обеспечении качества безопасность не исследуется – это присущее свойство продукции, а в теории надежности показатели рассматриваются как потребительские свойства продукции и как параметры, влияющие на величину риска, определяемого вероятностью нанесения ущерба и его тяжестью при нарушении работоспособного состояния объекта. В статье «Превращение качества в надежность или почему надежность не становится качеством с течением времени», подготовленной по материалам 58-го конгресса ASQ, Джеймс Мак Линн по поводу взаимосвязи надежности и качества отмечает следующее: «Иногда надежность определяют как качество, развернутое во времени, или даже считают надежность критерием эффективности работ по обеспечению качества. Вместе с тем подобные определения могут уводить от существа вопроса, поскольку в них не учитываются многочисленные различия между процессами обеспечения качества и специальными подходами, применяемыми для достижения высокой надежности продукции…. Достижение высокого качества не тождественно обеспечению надежности». «Робастное проектирование представляет собой подход, позволяющий связать между собой качество и надежность разрабатываемой продукции. Конструкторы обязаны выявить критически важные элементы и свойства разрабатываемого изделия, определяющие ее качество, которые затем должны быть объединены в устойчиво работающую систему. Для решения этой задачи применяют такие известные методы, как анализ видов и последствий потенциальных отказов (FMEA), анализ допусков и методы обеспечения технологичности при проектировании». «Стабильность производства является абсолютно обязательным условием положительной корреляции между качеством и надежностью продукции, выполнение которого обеспечивает поддержание обоих свойств на высоком уровне». Таким образом, на различных стадиях ЖЦП связь и взаимное влияние надежности и качества проявляются с разной силой. Наиболее сильна эта взаимосвязь на стадиях проектирования и производства. Какой итог сказанному можно подвести, если принять точку зрения потребителя? Сформулируем его коротко так:
Есть, однако, еще такое важное свойство продукции, как безопасность. Если продукция может являться источником непосредственной опасности (в условиях нормальной работы или в результате повреждения, отказа или при достижении предельного состояния), то параметры безопасности продукции нормируются. В этом случае нет предмета для дискуссии – либо продукция удовлетворяет нормам безопасности, либо нет. Однако возможны ситуации, когда продукция может явиться источником опосредованной опасности (что никак не нормируется). Это зависит от области конкретного применения продукции. Сам по себе отказ устройства может не представлять особой опасности, но при работе его в составе более сложной и более опасной системы, его отказ может явиться исходным событием, инициирующим серьезные последствия. Так происходит и это учитывается при оценке безопасности в ядерно-опасных объектах. Это же имеет место в системах автоматизированного управления опасными объектами. В последнем случае для описания такой ситуации введено понятие функциональной безопасности (в основном, в отношении программных средств автоматизированных систем управления). Во всех остальных сферах эти вопросы пока слабо проработаны. Тем не менее, они важны именно для потребителя, так как он должен иметь представление о потенциальной опасности продукции в различных, реализуемых при эксплуатации условиях применения. Ведь опасной системой не обязательно должна быть атомная станция. Ей вполне может оказаться внутренняя электропроводка в собственной квартире. Таким образом для объектов, являющихся потенциальным источником опасности, близким к понятию надежность, но не тождественным ему является понятие безопасность. Дать универсальное определение термина безопасность непросто. Будем руководствоваться определением, данным в законе «О техническом регулировании» №184-ФЗ: Безопасность объекта технического регулирования (далее – безопасность) - состояние уверенности в том, что отсутствует недопустимый риск, связанный с причинением вреда здоровью населения и среде обитания человека. Недопустимый риск - уровень риска (риск как мера опасности), при котором превышены допустимые уровни воздействия и возникает реальная угроза здоровью человека и окружающей среде. Количественно риск может выражаться как вероятность реализации события на каком-то отрезке времени, приводящего к определенному уровню воздействия. Понятие, связанное как с надежностью, так и с безопасностью, – живучесть (fail-safeconcept). Живучесть - свойство объекта, состоящее в его способности противостоять развитию критических отказов из дефектов и повреждений при установленной системе технического обслуживания и ремонта, или - свойство объекта сохранять ограниченную работоспособность при воздействиях, не предусмотренных условиями эксплуатации, или при наличии дефектов и повреждений определенного вида, а также при отказе некоторых компонентов. В англоязычной литературе по надежности для характеристики живучести объектов по отношению к человеческим ошибкам (ошибки оператора, неквалифицированное вмешательство в работу объекта и др.) также применяется специальный термин fool-proof (защищенный от дурака). Эффективность применения/работы технического устройства – эффективность использования технического устройства в качестве активного средства достижения заданной цели в направленной на это согласованной совокупности действий, достигающих требуемого результата. Соотношение обсуждаемых понятий изображено в виде взаимосвязанных областей на рис.1. |