Общие сведения о понятии «надежность» в технике

Понятие надежности, а также методы прогнозирования, оценки, нормирования и обеспечения надежности применяют к любым техническим объектам - машинам, изделиям, сооружениям и системам, а также их подсистемам - деталям, сборочным единицам и т.п. При необходимости в понятие объект может быть включена информация или ее носитель, а также человеческий фактор (например, при рассмотрении системы машина-оператор).

Теория надежности - наука, изучающая:

- закономерности возникновения отказов систем;

- нормированные критерии и количественные характеристики надежности;

- методы анализа сложных систем по критериям надежности;

- методы повышения надежности;

- методы испытаний на надежность;

- методы эксплуатации систем с учетом надежности (обоснование периодичности технического обслуживания систем, норм запасных частей, методов отыскания неисправностей);

- методы сбора и анализа статистических данных об отказах систем.

В отечественной практике часто используют параметрическое определение надежности. При этом способность технического объекта выполнять требуемые функции описывают при помощи некоторой совокупности непосредственно измеряемых параметров. Тогда надежность определяют, как свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения этих параметров. К таким параметрам относят кинематические и динамические параметры машин, показатели конструкционной прочности деталей машин и их соединений, точности технологической обработки, производительности и т.п. С течением времени значения этих параметров изменяются, достигая некоторых предельно допустимых значений.

Параметрическое описание функционирования технических объектов не всегда целесообразно. Примером служат простейшие технические объекты, работоспособность которых может быть охарактеризована по типу "да-нет". Не все свойства объекта характеризуются количественно (как для системы машина-оператор). В этих случаях параметрический подход к оценке надежности оказывается затруднительным.

Специфическими особенностями вопросов надежности являются:

а) фактор времени, поскольку оценивается изменение начальных параметров в процессе эксплуатации машины;

б) прогнозирование поведения объекта с точки зрения сохранения его выходных параметров (показателей качества).

Следует иметь в виду, что изменение показателей качества машины во времени может быть абсолютным и относительным [11].

Абсолютное изменение качества связано с различными процессами, действующими на машину и изменяющими свойства или состояние материалов, из которых она выполнена, за счет чего и понижаются показатели машины и происходит ее физическое старение.

Относительное изменение качества машины связано с появлением новых машин с более совершенными характеристиками, и ее показатели становятся более низкими по сравнению со средним уровнем, хотя в абсолютных значениях они могут и не измениться, т.е. происходит моральный износ машины.

Наука о надежности изучает изменения показателей качества машины под влиянием тех причин, которые приводят только к абсолютным изменениям ее свойств.

Основная трудность при оценке надежности машин заключается в использовании таких методов расчета и таких источников информации об изменении работоспособности машины, которые позволили бы прогнозировать поведение машины в различных условиях эксплуатации.

Проблема надежности связана в первую очередь именно с прогнозом, так как констатация того или иного уровня надежности для машины, уже отработавшей свой ресурс, имеет весьма малую ценность. Особенно на ранних стадиях создания машины — при ее проектировании или при наличии опытного образца — необходимо дать оценку ее надежности в предполагаемых усло­виях эксплуатации.

Следует подчеркнуть, что наука о надежности не рассматривает вопросов достижения определенного уровня показателей качества машин — их точности, мощности, КПД, производительности — это задача других наук, а рассматривает процесс изменения этих показателей с течением времени.

Наука и исследования по надежности развивались до последнего времени по двум основным направлениям.

Первое направление возникло в радиоэлектронике, связано с развитием математических методов оценки надежности, особенно применительно к сложным системам, со статистической обработкой эксплуатационной информации, с разработкой структур сложных систем, обеспечивающих высокий уровень надежности.

Второе направление возникло в машиностроении, связано с изучением физики отказов (износа, усталостной прочности, коррозии), с разработкой методов расчета на прочность, износ, теплостойкость и др., с применением технологических приемов, обеспечивающих необходимую надежность машины.

В настоящий период идет процесс взаимного слияния этих двух направлений, перенесение рациональных идей из одной области в другую и формирование на этой основе единой науки о надежности изделий.

Как всякая прикладная отрасль знаний наука о надежности базируется на фундаментальные математические и естественные науки, на те их разделы и теоретические разработки, которые способствуют решению поставленных задач. Особое значение для науки о надежности, как и для любой науки, имеет вопрос о применении математического аппарата и привлечении уже разработанных или созданных по запросам практики новых методов, позволяющих осуществлять оценку и прогнозирование надежности изделий и сложных систем.

Математические методы теории надежности получили в настоящее время достаточно широкое развитие и дают в руки инженера богатый ассортимент возможностей для решения разнообразных задач практики.

Второй теоретической основой науки о надежности являются результаты исследований естественных наук, изучающих физико-химические процессы разрушения, старения и изменения свойств материалов, из которых изготовлены машины или которые необходимы для их функционирования (топливо, смазка и т. п.).

Сюда относятся науки, изучающие виды механических разрушений материалов (сопротивление материалов, ползучесть), изменения, происходящие в материалах и их поверхностных слоях (физико-химическая механика, триботехника), химические процессы разрушения в материалах (коррозия металлов, старение полимеров) и др.

С позиций надежности результаты этих наук концентрируются в области, которая получила название «физика отказов». Физика отказов изучает необратимые процессы, приводящие к потере материалом начальных свойств при эксплуатации изделий. При этом основной особенностью этих исследований является рассмотрение всех явлений во времени. Временные закономерности физики отказов являются базой для решения основных задач надежности.

Оценка достигнутого уровня надежности и необходимость его повышения должна решаться с учетом экономических позиций. Современный уровень развития техники позволяет достичь достаточно высоких показателей качества и надежности изделия. Нозатраты на достижение поставленной цели могут быть столь высоки, что эффект от повышенной надежности объекта не возместит их, а суммарный результат от проведенных мероприятий будет отрицательным (рис. 1.1).

Выбор варианта машины с позиций надежности должен исходить из сравнения затрат на изготовление и эксплуатацию машины с тем экономическим эффектом, который она сможет обеспечить. Например, как это видно из рис. 1.1, начальная стоимость машины № 2 выше, но за счет показателей производительности, качества и надежности она дает больший экономический эффект и ее целесообразно эксплуатировать более длительное время.

Рис. 1.1. Изменение экономической эффективности машины во времени

При оценке разнообразных возможностей по повышению и обеспечению надежности машин экономический критерий является важнейшим для выбора оптимальных решений.