Характеристики надежности изделий

 

Основные понятия. Термины и их определения, характеризующие надежность и, в частности. Изделий машиностроения, даны в ГОСТ 27.002-89. Перечислим их.

Надежность – свойство изделия сохранять в установленных пределах времени значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения, транспортировки и других действий.

Характеристики надежности выражают качественную сторону таких объектов, как:

– изделие – единица промышленной продукции, количество которой может исчисляться в штуках (экземплярах); к изделиям допускается относить завершенные и незавершенные предметы производства, в том числе заготовки (ГОСТ 15895-77);

– элемент – составная часть изделия;

– система – совокупность совместно действующих элементов, предназначенная для самостоятельного выполнения заданных функций.

Понятие «элемент» и «система» могут взаимно трансформироваться в зависимости от поставленной задачи. Например, станок с точки зрения надежности можно рассматривать как систему, состоящую из отдельных элементов – узлов, механизмов, деталей и т.д., но станок, установленный в автоматической линии, на которую заданы требования по надежности, рассматривается уже как ее элемент.

Надежность изделия – это комплексное свойство, которое в зависимости от назначения и условий эксплуатации может включать: безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость, устойчивость работы, режимную управляемость, живучесть и т.п. Однако чаще всего при оценке качества технических изделий определяют значения таких показателей свойств, как безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость.

В зависимости от вида изделия, его назначения и условий эксплуатации надежность может оцениваться только частью составных свойств надежности (ГОСТ 27.003-90). Если, например, изделие невосстанавливаемое, то для него в состав свойств надежности не входит ремонтопригодность.

Безотказность – свойство изделия непрерывно сохранять работоспособность в течении заданного времени или наработки в определенных условиях эксплуатации.

Работоспособное состояние – состояние изделия, при котором оно способно выполнять заданные функции, сохраняя при этом допустимые значения всех основных параметров, установленных нормативно-технической документацией (НТД) и/или проектно-конструкторской документацией.

Исправное состояние – состояние, при котором изделие соответствует всем требованиям нормативно-технической и/или проектно-конструкторской документации.

Долговечность – свойство изделия сохранять во времени работоспособность, с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонта, до его предельного состояния, оговоренного технической документацией.

Долговечность обусловлена наступлением таких событий, как повреждение или отказ.

Повреждение – событие, заключающееся в нарушении исправности изделия.

Неисправное состояние – состояние, при котором изделие не удовлетворяет хотя бы одному из требований нормативно-технической и (или) проектно-конструкторской документации.

Неисправное изделие может быть работоспособным. Например, снижение плотности электролита в аккумуляторных батарейках, повреждение облицовки автомобиля означает неисправное состояние, но такой автомобиль работоспособен. Неработоспособное изделие является одновременно и неисправным.

Отказ – событие, в результате которого происходит полное или частичная утрата работоспособности изделия.

Отказы классифицируют по различным признакам, а именно: по причинам возникновения, по характеру возникновения и по характеру проявления и по сложности и по месту устранения.

Причинами возникновения отказов могут быть:

– конструктивные ошибки и недостатки, например: недостаточная прочность отдельных элементов или конструкции; неудачная компоновка узлов; нетехнологичность конструкции, относящаяся к выполнению заготовок, механической и термической обработке, сборке и разборке; недостаточная защищенность конструкции от попадания влаги, пыли, от разогрева; назначение материала, не соответствующего условиям работы отдельных деталей; неудобство обслуживания и др;

– производственные недостатки в изготовлении, например: скрытые дефекты (раковины, рыхлости, мелкие трещины, инородные включения, неоднородность материала); некондиционные материалы; нарушения технологии изготовления и сборки и др.;

– неправильная эксплуатация и техническое обслуживание, например: невыполнение эксплуатационных инструкций, несоблюдение правил технического обслуживания из-за низкой квалификации обслуживающего персонала; неисправности вспомогательных механизмов и др.;

– внешние факторы, например: повышенная или низкая температура, повышенная влажность, повышенное или пониженное атмосферное давление, загрязненность воздуха и др.;

– некачественный ремонт, например: несоответствие материала, технологии изготовления (методов, режимов, точности и качества обработки) и сборки первоначальным условиям изготовления, плохой контроль за проведением ремонта.

По характеру возникновения отказы могут быть:

– внезапными, которые заранее предусмотреть невозможно;

– постепенными, когда условия, приводящие к отказу, накапливаются постепенно (износ, перегрев, усталостные явления, старение, деформации);

– периодическими, повторяющимися через некоторые промежутки времени, по мере накопления условий, приводящих к отказу; после восстановления нормальных условий (температура, давление и др.) система самовосстанавливается и продолжает функционировать.

Проявления отказов могут быть явными, скрытыми, независимыми и зависимыми. Независимым отказом является такой, который не вызван отказом других элементов системы. Отказ какого-либо элемента системы, случившийся в результате отказа других ее элементов, является зависимым. Отказ может быть также случайным или явно закономерным. В теории надежности отказ обычно рассматривается как событие независимое, случайное.

В зависимости от сложности устранения различают отказы: устраняемые в порядке технического обслуживания и устраняемые при среднем или капитальном ремонте. В зависимости от места устранения различают отказы, не устраняемые в эксплуатационных условиях и устраняемые в стационарных условиях.

Так как долговечность характеризует продолжительность работы изделий по суммарной наработке, прерываемой периодами для восстановления его работоспособности в плановых и неплановых ремонтах и техническом обслуживании, то основным мерилом долговечности является наработка и, в частности, технический ресурс.

Наработка – продолжительность (измеряемая, например, в часах или циклах) или объем работы изделия (измеряемый, например, в тоннах, километрах, кубометрах и т.п. единицах).

Ресурс – суммарная наработка изделия от начала его эксплуатации или ее возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние.

Предельное состояние – состояние изделия, при котором его дальнейшая эксплуатация (применение) недопустима по требованиям безопасности или нецелесообразна по экономическим причинам либо когда восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно из-за неустранимого снижения эффективности. Предельное состояние наступает в результате исчерпания ресурса или в аварийной ситуации.

Срок службы – календарная продолжительность эксплуатации изделий или ее возобновления после ремонта от начала его применения до наступления предельного состояния.

Неработоспособное состояние – состояние изделия, при котором оно не способно нормально выполнять хотя бы одну из заданных функций.

Перевод изделия из неисправного или неработающего состояние в исправное или работающее происходит в результате восстановления.

Восстановление – процесс обнаружения и устранения отказа (повреждения) изделия с целью восстановления его работоспособности (устранения неисправности).

По способности к восстановлению изделия подразделяются на восстанавливаемые и невосстанавливаемые.

Восстанавливаемое изделие – изделие, работоспособность которого в случае возникновения отказа подлежит восстановлению в рассматриваемой ситуации.

Невосстанавливаемое изделие – изделие, работоспособность которого в случае возникновения отказа не подлежит восстановлению в рассматриваемой ситуации.

Основным способом восстановления работоспособности является ремонт. В зависимости от того, предусмотрены или нет операции ремонта. Изделия подразделяются на ремонтируемые и неремонтируемые.

Ремонтируемое изделие – это изделие, ремонт которого возможен и предусмотрен нормативно-технической и(или) проектно-конструкторской документациями.

Неремонтируемое изделие – изделие, ремонт которого невозможен или не предусмотрен нормативно-технической и проектно-конструкторской документациями.

Большинство изделий машиностроения относятся к ремонтируемым. К неремонтируемым могут быть отнесены, например, подшипники, шпонки, шестерни, ремни, рукава высокого давления. Манжеты, уплотнения и другие изделия машиностроения.

Ремонтопригодность – свойство изделия, заключающееся в его приспособлении к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем обнаружения и устранения дефекта и неисправности технической диагностики, обслуживанием и ремонтом. Это свидетельство обусловлено в основном компоновочным решением изделия.

Используют такие показатели ремонтопригодности, как среднее время восстановления, вероятность восстановления, коэффициент ремонтосложности и др.

Время восстановления – основной показатель ремонтопригодности, характеризующий календарную продолжительность операций по восстановлению работоспособного состояния изделия или продолжительность профилактических операций по техническому обслуживанию.

Сохраняемость – свойство изделия непрерывно сохранять значения установленных показателей его качества в заданных пределах в течение длительного хранения и транспортирования.

Срок сохраняемости – календарная продолжительность хранения и/или транспортирования изделия в заданных условиях, в течение и после которых сохраняются исправность, а также значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в пределах, установленных нормативно-технической документацией на данный объект.

Безотказность, как одна из важнейших составляющих надежности, характеризуется закономерностями возникновения отказов, а ремонтопригодность – закономерностями их предупреждения и устранения. Долговечность определяется интенсивностью и продолжительностью действия этих закономерностей, их постоянными изменениями в допустимых пределах на протяжении всего срока службы.

Надежность постоянно изменяется в процессе эксплуатации технического изделия и при этом характеризует его состояния. Схема изменения состояний эксплуатируемого изделия приведена на рис. 10.1.

 

Рис. 10.1 – Схема состояний изделия

 

Для количественной характеристики каждого из свойств надежности изделия служат такие единичные показатели, как наработка до отказа и на отказ, наработка между отказами, ресурс, срок службы, срок сохраняемости, срок восстановления и другие. Значения этих величин получают по данным испытаний или эксплуатации.

Обобщенные показатели надежности, так же как коэффициент готовности, коэффициент технического использования и коэффициент оперативной готовности, вычисляются по данным единичных показателей. Номенклатура показателей надежности приведена в табл. 10.1.

Многие показатели надежности изделия отображают случайные события, связанные с предусмотренными отказами при его эксплуатации. Поэтому соответствующие численные характеристики надежности имеют вероятную сущность, а это значит, что они обоснованы на статистике и на математической теории вероятностей.

Исходным понятием теории вероятностей является событие, в результате которого изделие изменяет свое качественное состояние. В теории надежности таким событием считается отказ.

Событие, обязательно наблюдаемое в эксперименте, называется достоверным. Событие является невозможным, если оно не может произойти в данном эксперименте.

Таблица 10.1

Примерная номенклатура показателей надежности

Свойство надежности	Наименование показателя	Обозначение
Единичные показатели
Безотказность	Вероятность безотказной работы	P (t)
	Средняя наработка до отказа	Т ср
	Средняя наработка на отказ	Т о
	Средняя наработка между отказами	Т
	Интенсивность отказов	λ (t)
	Поток отказов восстанавливаемого изделия	λ 1(t)
	Средняя частота отказов	ω (t)
	Вероятность отказов	p (t)
Долговечность	Средний ресурс	Т р
	Гамма - процентный ресурс	Т рγ
	Назначенный ресурс	Т р.н.
	Установленный ресурс	Т р.у
	Средний срок службы	Т сл
	Гамма – процентный срок службы	Т слγ
	Назначенный срок службы	Т сл.н
	Установленный срок службы	Т сл.у
Ремонтопригодность	Среднее время восстановления	Т в
	Вероятность восстановления	Р в(t)
	Коэффициент ремонтосложности	R
Сохраняемость	Средний срок сохраняемости	Т с
	Гамма - процентный срок сохраняемости	Т сγ
	Назначенный срок хранения	Т с.н
	Установленный срок сохраняемости	Т с.у
Обобщенные показатели
Комбинация свойств	Коэффициент готовности	К r
	Коэффициент технического использования	К т.и
	Коэффициент оперативной готовности	К о.r

 

Всякое событие или есть, или его нет. Состоянию А до события можно противопоставить состояние В после события. Состояние А противоположено состоянию В и наблюдается тогда, когда нет события, переводящего изделие из состояния А в состояние В.

Вероятность события и, следовательно, состояний А и В характеризуется числом, которое тем больше, чем более возможно это событие – отказ. Если вероятность события, происходящего в эксперименте, оценить единицей, а невозможность его оценить нулевой вероятностью, то вероятность иного события до того, как оно становится реальностью, имеет значение меньше единицы. Из сказанного следует, что сумма вероятности (вероятность обозначается буквой Р) события А, т.е. Р _А, и вероятности события В, т.е. Р _В, как событий несовместных, равна единице или

 

Р _А = 1 - Р _В.

 

По целям использования показатели надежности подразделяют на нормируемые и оценочные значения.

Нормируемым значением показателя надежности является то значение, которое регламентировано (задано) нормативно-технической и/или проектно-конструкторской документациями.

Оценочным является фактическое значение показателя надежности опытных образцов или серийной продукции, получаемое по результатам испытаний или эксплуатации.

Итак, надежность любых технических изделий (в том числе и машин) количественно может оцениваться набором показателей: безотказности функционирования (работы), долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости.