НОРМИРОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ

При создании новой машины (на этапах ее проектирования и изготовления) необходимо установить и обеспечить такой уровень надежности, чтобы при эксплуатации машины были гарантированы безопасность и высокая эффективность работы.

Установление в нормативно-технической документации и (или) конструкторской (проектной) документации количественных и качественных требований к надежности - нормирование надежности.

Одной из главных задач нормирования надежности является выбор номенклатуры нормируемых показателей надежности.

Нормируемый показатель надежности – показатель надежности, значение которого регламентировано нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документацией на объект.

При выборе номенклатуры нормируемых показателей надежности необходимо учитывать:

- назначение объекта;

- степень его ответственности;

- условия эксплуатации;

- характер отказов;

- возможные последствия отказов.

При этом целесообразно, чтобы общее число нормируемых показателей надежности было минимально; нормируемые показатели имели простой физический смысл, допускали возможность расчетной оценки на этапе проектирования, статистической оценки и подтверждения по результатам испытаний и (или) эксплуатации.

Эксплуатация машины – сложный процесс, который состоит из различных периодов, во время которых работоспособность машины либо снижается, либо восстанавливается (см. табл. 1).

Для различных машин в зависимости от их назначения характерны определенные сочетания перечисленных периодов и различная их длительность.

Таблица 1

Периоды эксплуатации машины

При расчете показателей надежности большое значение имеет вид и характер возникающих или возможных отказов.

Основными признаками, определяющими различные виды отказов, являются:

- характер возникновения и протекания процессов, приводящих к отказу;

- последствия отказов;

- методы устранения отказов.

С этой точки зрения существуют следующие основные виды отказов.

1. Постепенные и внезапные отказы.

Постепенные (износные) отказы возникают в результате протекания того или иного процесса старения, ухудшающего начальные параметры изделия.

К этому виду относится большинство отказов машины. Они связаны с изнашиванием, коррозией, усталостью и другими процессами старения материалов, из которых созданы изделия.

Внезапные отказы – это те, причиной которых являются процессы, возникшие в результате сочетания неблагоприятных факторов и случайных внешних воздействий, превышающих возможности изделия к их восприятию.

Примерами таких отказов могут служить тепловые трещины, возникшие в детали вследствие прекращения подачи смазки; поломки детали из-за неправильных методов эксплуатации машины или возникновения перегрузок; деформация или поломка деталей, попавших в непредусмотренные условия работы.

Отказ при этом происходит, как правило, внезапно, без предшествующих симптомов разрушения и не зависит от степени изношенности изделия.

2. Отказы функционирования и параметрические отказы.

Отказ функционирования приводит к тому, что изделие не может выполнять возложенные на него функции. Например, в результате отказа насос не подает масла, двигатель внутреннего сгорания не запускается и т.п. Часто отказ функционирования связан с поломками или заклиниванием отдельных элементов изделия.

Параметрический отказ возникает при выходе параметров (характеристик) изделия за допустимые пределы. Изделие становится неработоспособным с точки зрения требований, установленных техническими условиями.

Продолжение использования изделия, имеющего параметрический отказ, может привести к весьма тяжелым экономическим и иным последствиям, например, к выпуску некачественной продукции.

3. Фактические и потенциальные отказы.

При эксплуатации изделия рано или поздно наступит его первый, а затем и последующие отказы. Если эти отказы предотвращаются заблаговременным выполнением ремонта и регулировок, то они воспринимаются не как фактические, а как потенциально возможные события. Такие отказы называются потенциальными.

4. Допустимые и недопустимые отказы.

Допустимые отказы связаны обычно с процессами старения, которые нельзя предотвратить и которые приводят к постепенному ухудшению выходных параметров изделия. Сюда же следует отнести внезапные отказы, которые вызваны неблагоприятным сочетанием факторов, если последние находятся в пределах, указанных в технических условиях.

Недопустимые отказы связаны с нарушением условий производства и эксплуатации и с неучтенными факторами. Например, это отказы, связанные с нарушением технических условий при изготовлении и сборке изделий.

Анализ принадлежности каждого отказа к той или иной категории классификации позволит выбрать показатели надежности и модель расчета, правильно отражающую реальную ситуацию, в которой используется изделие.

Анализ причин отказов проводится с целью обоснованной разработки мероприятий по их предотвращению как в серийно изготавливаемых изделиях, так и во вновь разрабатываемых видах техники с конструктивно-технологическим подобием. Результаты анализа причин отказов могут использоваться для:

- установления или уточнения критериев отказов;

- определения и учета влияния на надежность отдельных особенностей и факторов конструкции, технологии изготовления, режимов и условий эксплуатации, внешних воздействующих факторов, различного вида ремонтов;

- оценки эффективности мероприятий по обеспечению надежности;

- выбора или уточнения системы контроля качества изготовления или диагностирования изделий;

- определения или уточнения периодичностей технического обслуживания, ремонта и объемов видов работ при этих операциях.

Анализ причин отказов машин можно проводить в следующем порядке:

1) установление факта отказа;

2) установление внешних проявлений отказа;

3) установление вида отказа;

4) установление технической сущности отказа;

5) установление причин отказа.

Факт отказа определяют на основании критериев отказа, установленных в нормативно-технической документации. Внешние проявления отказов устанавливают органолептическими методами без использования диагностических средств (шум в коробке передач, течь масла, запах горелого при работе электродвигателя, появление дыма и т.д.). Вид отказа устанавливают после проведения диагностических процедур (износ зубов шестерни, разрушение подшипника и т.д.). Техническая сущность характеризует физико-технические факторы, приводящие к данному виду отказа (технической сущностью износа зубьев шестерни является перекос, отсутствие приработки, попадание постороннего предмета в зацепление и т.д.).

По завершению анализа причины отказа детали (узла, машины) составляется соответствующий акт (рекламация).

Причина отказа – это явление, процессы, события и состояния, обуславливающие возникновение отказа объекта. Например, причиной отказа системы поддержания уровня масла в шлицевом соединении могут быть: нарушения правил затяжки болтов крепления крышек и корпусов коробки передач; срез резьбы болта при ремонте; низкое качество сальника; нарушение правил заправки маслом и т.д.

Наглядной формой анализа причин отказов является схема причинно-следственных связей (диаграмма Исикавы). В этой схеме конечный результат (критерий отказа, показатель надежности) изображается центральной стрелкой. Явления (факторы, принципы), влияющие на результат, изображают стрелками, направленными к центральной линии (рис.1).

Для составления такой схемы можно использовать мнения экспертов.

Рис. 1. Схема «рыбий скелет» (диаграмма проф. Исикавы)

Компанией «Клейтон Девандре Хойллинг» (США) разработан и активно используется метод анализа характера потенциальных дефектов и причин, их вызывающих (Potential Failure Mode and Effects Analysis – FMEA).

Сущность метода сводится к тому, что еще на начальных стадиях создания техники проводится анализ, и количественно определяются все потенциальные причины и последствия отказов. Система предполагает, что анализу по FMEA будут подвергнуты все детали, которые могут отказать в процессе эксплуатации, и его проводят на основе формы, приведенной в табл. 2. Проектировщики используют результаты проведенных ими расчетов, испытаний опытных образцов, а также предыдущий опыт по изделиям-аналогам. Инженер-технолог заполняет форму на основе своего опыта, знания особенностей используемого оборудования. В форму записей результатов заносят следующее данные:

1) наименование элемента (детали, узла) или его номер;

2) функция элемента. Указывается целевое назначение (функция) элемента. Если элемент выполняет несколько функций, то указываются все функции, невыполнение которых связано с отказом изделия;

3) потенциальный вид отказа. Перечисляются возможные виды отказов по каждой функции. В качестве исходной информации для установления потенциальных видов отказов могут использоваться данные об изделиях-аналогах, результаты испытаний, контроля качества, знание физических процессов разрушения. Вид отказа указывается в технических терминах (износ, усталость и т.п.);

4) последствия отказов. Допускается, что имеет место определенный вид отказа, указанный в колонке 3. Записываются те последствия, которые вызовут данный вид отказа при его появлении у заказчика (потребителя);

5) причина отказа. Перечисляются все причины, приводящие к каждому виду отказа. Ими могут быть ошибки расчета, отклонения от изготовления, сборки, некачественный материал и т.п.;

6) существующие средства контроля. Перечисляются средства контроля, которые предназначены для предотвращения возникновения отказа или причины отказа и которые предусмотрены технической документацией. Если требуются другие средства контроля, то они указываются в колонке 11;

7) классификация частоты отказов. Указывается классификационный номер частоты отказа определенного вида в соответствии с табл.3. Частота отказов характеризуется цифрой от 1 до 10. При выборе классификационного номера следует учитывать вероятность того, что потенциальные причины будут иметь место, что они не будут обнаружены существующей системой контроля;

8) значимость отказа. Проставляется значимость отказа с точки зрения потребителя, выбирается в соответствии с табл. 4 и характеризуется одной из цифр от 1 до 10. Эта оценка не связана с потенциальными причинами отказов;

9) степень обнаруживаемости дефекта. Цифрами от 1 до 10 характеризуется вероятность обнаружения при контроле причины отказа или отказа определенного вида. Оценка обнаруживаемости дефекта проводится в предположении, что причина отказа имеет место (табл.5);

10) число приоритета риска. Это число представляет собой произведение цифр, указанное в строках 7-9 и должно вычисляться для всех причин отказов. Оно используется для установления приоритетности в устранении причин отказов и при проведении управляющих воздействий. Специальное внимание следует уделять причинам отказов с числом риска 125, а также отказам, значимость которых оценена баллами 9 и 10;

11) рекомендуемые действия. Дается краткое описание рекомендуемых корректируемых воздействий, предусматривающих: изменение конструкции детали или узла; изменение технологического процесса; совершенствование процесса контроля качества.

Таблица 2

Форма записей результатов исследований по методу FMEA

Таблица 3

Классификация частоты отказов

Классификация, номер	Критерий	Вероятность отказа
	Практически недостоверное событие; отказа в течение времени ожидать не следует
	Низкая вероятность отказа	0,00005
	Возможность появления отказа ассоциируется только с методами расчета	0,0001
	Умеренная вероятность отказа	0,0005
	Возможность появления отказа ассоциируется только с методами расчета	0,001
	Практически отказы можно ожидать	0,005
	Высокая вероятность отказа	0,01
	Ассоциируется с методами расчета аналогов и отказами в небольших количествах при предыдущих наблюдениях	0,05
	Высокая вероятность отказа	0,1
	Известно, что будет иметь место большое число отказов	0,5

Таблица 4

Значимость отказов

Таблица 5

Классификации степени обнаружения дефекта

Допустимое значение вероятности безотказной работы является мерой для оценки последствий отказа, которые могут быть самыми разнообразными (от незначительного материального ущерба до катастрофического).

Все особенности отказа и его последствий следует характеризовать допустимой вероятностью безотказной работы, которая аккумулирует в себе и численно оценивает опасность последствий отказа.

Применяют шесть классов надежности в зависимости от допустимых значений вероятности безотказной работы (см. табл. 2).

Таблица 2

Классы надежности по допустимому значению

вероятности безотказной работы

Класс надежности	Допустимое значение	Последствия отказа	Примеры машин
	<0,9	Без существенных последствий	Элементы машины, не влияющие на ее технические характеристики
	≥0,9	Экономические потери	Технологическое оборудование неавтоматизированных производств
	≥0,99	Значительные экономические потери	Технологическое оборудование в автоматизированных системах. Сельскохозяйственная техника
	≥0,999	Моральный ущерб	Бытовые машины
	≥0,9999	Авария, катастрофа, невыполнение ответственного задания	Подъемно-транспортные машины, летательные аппараты, машины химического производства, медицинское оборудование, военная техника

В нулевой класс входят малоответственные детали и узлы, отказ которых остается практически без последствий.

Классы 1-4 характеризуются повышенными требованиями к безотказности (номер класса соответствует числу девяток после запятой у значения ).

В пятый класс включаются высоконадежные изделия, отказ которых в заданный период недопустим.

По мере развития техники наблюдается тенденция обеспечения все более высоких значений , что связано как с экономическими причинами, так и с престижными соображениями в условиях конкуренции.

Наиболее полную характеристику надежности объекта дает функциональная зависимость показателя эффективности работы объекта от времени. Чтобы найти такой показатель надежности для характеристики объекта необходимо построить математическую модель его функционирования и принять в качестве нормируемого показателя тот, который войдет в выражение математической модели.

Для построения математической модели необходимо иметь две зависимости: плотность распределения вероятностей и эффективность функционирования объекта - . Эффективность может быть выражена через некоторый «доход», например, в деньгах или в какой-либо другой наработке.

Рассмотрим функционирование штук невосстанавливаемых объектов.

Число объектов, отказавших к моменту времени (по определению плотности распределения вероятностей отказов) равно

, (1)

где – значение плотности распределения вероятностей отказов к моменту времени ; - рассматриваемый отрезок времени.

Очевидно, что «доход» , образовавшийся к моменту времени от числа объектов, отказавших к этому времени, равен

. (2)

Для моментов времени по аналогии с (2) можно записать:

;

;

… (3)

.

Суммарный «доход» на всем участке времени функционирования объектов определится интегралом

. (4)

Определим средний «доход» на один объект:

. (5)

Рассчитаем интеграл (5) для некоторых частных случаев.

Пример 1. Пусть невосстанавливаемый объект работает в непрерывном режиме и «доход» от его функционирования линейно зависит от времени (см. рис.2):

. (6)

Рис. 2. Линейная зависимость «дохода» от времени

Из рис.2 видно, что при (это затраты на создание объекта); период - период окупаемости, а при изделие приносит «доход».

Подставим выражение (6) в выражение (5). Получим

. (7)

Проведем интегрирование

. (8)

Рассмотрим интегралы в отдельности. Из теории вероятностей известно, что вся площадь под кривой плотности распределения вероятностей равна единице

. (9)

Второй интеграл в выражении (8) представляет математическое ожидание случайной величины , т.е. среднюю наработку до отказа.

. (10)

Окончательно получим

. (11)

Выражение (11) показывает, что эффективность функционирования объекта зависит от средней наработки до отказа , которая и принимается в качестве нормируемого показателя надежности.

Пример 2. Рассмотрим модель функционирования объекта при скачкообразной зависимости «дохода» от времени (см. рис. 3).

Такой вид зависимости «дохода» от времени характерен для невосстанавливаемых изделий, выполняющих одну определенную задачу, причем «доход» проявляется скачком в момент выполнения задачи и в дальнейшем остается постоянным, равным , а до момента имеются затраты .

Рис. 3. Скачкообразная зависимость «дохода» от времени

Аналитически это запишется так:

при ;

при . (12)

Поставим (12) в выражение (5):

. (13)

Рассмотрим интегралы уравнения (13):

- функция отказов за время ;

- вероятность безотказной работы за время .

Учитывая, что , имеем:

. (14)

Таким образом, в случае «скачкообразной» зависимости дохода от времени нормируемым показателем надежности является вероятность безотказной работы .

Пример 3. Рассмотрим модель эффективности функционирования восстанавливаемого изделия. Процесс функционирования восстанавливаемых изделий удобно описывать единичной функцией , которая может принимать значения только единицы или нуля.

На рис.4 представлен график функции . Когда единичная функция равна единице , изделие работает и это соответствует интервалам времени . При изделие не работает (перерывы на ремонт и техническое обслуживание) и это соответствует интервалам времени . Таким образом, функция представляет собой функцию состояния восстанавливаемых изделий.

Рис. 4. График единичной функции

Средний «доход» в единицу времени за период, равный ресурсу :

, (15)

где – функция текущей эффективности восстанавливаемого изделия (текущие «затраты» или текущий «доход»).

При эксплуатации многих изделий найдем математическое ожидание среднего дохода в единицу времени:

. (16)

В соответствии с графиком, приведенным на рис.4, построим график функции текущей эффективности (см. рис. 5).

Текущие «доходы» могут быть описаны зависимостью:

. (17)

При изделие работает и приносит «доход» .

При изделие не работает, имеются убытки из-за простоя.

Рис. 5. Зависимость текущих «доходов» от времени

Тогда выражение (16) запишется так:

(18)

или

, (19)

где – математическое ожидание вероятности того, что изделие в данный момент времени находится в работоспособном состоянии.

Это коэффициент текущей готовности

. (20)

Обозначим .

Тогда запишем:

. (21)

Обозначим - среднее значение коэффициента текущей готовности, т.е. это коэффициент готовности – комплексный показатель надежности, устанавливающий соотношение между временем работы и временем восстановления.

Окончательно получим:

. (22)

Таким образом, нормируемым показателем надежности для восстанавливаемых изделий является коэффициент готовности.

Методика определения нормируемых показателей надежности для других видов изделий аналогична методикам, рассмотренным выше.

Ниже приведены нормируемые показатели надежности по ГОСТу 27.002-89.