Профессор Т.П. Воскресенская

Конспект лекций по дисциплине

«Основы теории надежности

и диагностики»

для студентов

специальности 240100 - Организация перевозок и управление

на транспорте (автомобильном).

Семестр – 6

Лекций – 16 часов

Практических – 16 часов

Зачет.

Новокузнецк – 2009 г.

ВВЕДЕНИЕ. Значение теории надежности

в современной технике.

Современный период развития техники характеризуется разработкой и внедрением сложных технических систем и комплексов.

Основными понятиями, которые используются в данной дисциплине, являются понятия сложной динамической системы и технического устройства (ТУ) или элемента, входящего в состав системы. Под сложностью обычно понимается сложенность системы из отдельных элементов, при этом рассматривается не просто сумма элементов, а их взаимодействие. Взаимодействие элементов и их свойства изменяются во времени. Сложность взаимодействия элементов и их количество являются двумя аспектами понятия сложной динамической системы. Сложность системы определяется не столько количеством элементов, сколько количеством связей между самими элементами и между системой и средой.

Сложные динамические системы – это системы перенасыщенные внутренними связями элементов и внешними связями со средой.

Определим сложную динамическую систему, как образование элементов различной природы, которые обладают некоторыми функциями и свойствами, отсутствующими у каждого из элементов, и способно функционировать, статически коррелируя в некотором диапазоне с окружающей средой, и благодаря этому сохранять свою структуру в ходе непрерывного изменения взаимодействующих элементов по сложным динамическим законам.

Сложные динамические системы являются существенно нелинейными системами, математическое описание которых на современном этапе не всегда возможно.

Любая сложная динамическая система создается для решения определенной теоретической или производственной задачи. В связи с ухудшением свойств системы в процессе эксплуатации возникает потребность в периодическом обслуживании, цель которого сохранить способность системы выполнять свои функции. Поэтому основополагающее значение для сложных динамических систем имеют информационные процессы. Цикличность информационных процессов обеспечивается механизмом обратных связей. На основании информации о поведении системы организуется управление её состоянием, с учетом результатов которого корректируется последующее управление системой.

При проектировании технических систем необходимо предусмотреть вопросы обслуживания в процессе предполагаемой эксплуатации. Среди других проблем проектирования и создания комплекса:

- соответствие заданным техническим требованиям;

- экономичность комплекса, учитывая испытания и условия предполагаемой эксплуатации;

- разработка технических средств обслуживания комплекса и математическое обеспечение к ним;

- обеспечить приспособленность комплекса для работы в звене «человек – машина» и др.

Таким образом, уже при проектировании комплекса следует сосредоточить внимание на всех отмеченных, связанных между собой вопросах в целом, а не на каждом отдельном из них.

Можно спроектировать комплекс, отвечающий заданным техническим требованиям, но не удовлетворить требованиям экономическим, требованиям по обслуживанию и по функционированию комплекса в звене «человек – машина». Следовательно, проблему создания комплекса нужно решать с позиций системного подхода. Сущность этого подхода можно продемонстрировать на простом примере. Предположим, что нами отобраны по одному автомобилю каждой из имеющихся в продаже марок. Затем обращаемся к группе экспертов с просьбой изучить их и выбрать самый лучший карбюратор, после этого выбрать наилучший двигатель, распределитель, трансмиссию и т.д., пока не соберем все автомобильные части от разных автомобилей. Нам вряд ли удастся собрать автомобиль из этих частей, а если удастся, то он едва ли будет хорошо работать. Причина в том, что отдельные части не будут подходить друг к другу. Отсюда вывод: лучше, когда части системы хорошо подходят друг к другу, даже если по отдельности они работают и не превосходно, чем когда превосходно работающие части не подходят друг к другу. В этом суть системного подхода.

Иногда усовершенствование одной части комплекса приводит к ухудшению технических характеристик другой, так что улучшение теряет смысл. Системный подход для анализа рассматриваемых явлений предусматривает использование комплекса различных математических методов, методов моделирования и проведения экспериментов.

В предлагаемом курсе рассматривается решение частных задач обслуживания сложных систем и их элементов аналитическим методом и отмечаются особенности решения более сложных задач эксплуатации методом статистического моделирования. На практике реализация полученных методов приведет к анализу комплекса с позиций системного подхода.

Основные признаки сложной системы или технического устройства (ТУ) следующие:

- обладание определенным единством цели и способствование выработке оптимальных выходов из имеющегося множества входов; оптимальность выходов должна оцениваться по заранее разработанному критерию оптимальности;

- выполнение большого количества различных функций, которые осуществляются множеством входящих в систему частей;

- сложность функционирования, т.е. изменение одной переменной влечет за собой изменение многих переменных и, как правило, нелинейным образом;

- высокая степень автоматизации;

- возможность описания поступающего в систему возмущения в количественной мере.

Эксплуатация сложного ТУ – это непрерывный процесс, который включает ряд мероприятий, требующих планового, непрерывного воздействия на ТУ для поддержания его в рабочем состоянии. К таким мероприятиям относятся: плановое техническое обслуживание, восстановление работоспособности после отказа, хранение, подготовка к работе и др. Приведенное определение эксплуатации не охватывает всех тех мероприятий, которые составляют процесс эксплуатации сложных систем. Поэтому под эксплуатацией в широком смысле следует понимать процесс использования ТУ по назначению и поддержания его в технически исправном состоянии.

Состояние ТУ определяется совокупностью значений его технических характеристик. В процессе эксплуатации технические характеристики устройства изменяются непрерывно. Для организации эксплуатации важно различать состояния ТУ, отвечающие крайним или допустимым (граничным) значениям технических характеристик, которые соответствуют рабочему состоянию, отказу, состоянию технического обслуживания, хранения, восстановления и т.п. Например, двигатель находится в рабочем состоянии, если обеспечивает необходимую тягу при условии, что значения всех других характеристик находятся в пределах, установленных в технической документации. Двигатель должен находиться в состоянии технического обслуживания, если значения его технических характеристик достигли соответствующих пределов. В этом случае немедленное его использование по назначению невозможно.

Основная задача теории эксплуатации состоит в научном прогнозировании состояний сложных систем или ТУ и выработке с помощью специальных моделей и математических методов анализа и синтеза этих моделей, рекомендаций по организации их эксплуатации. При решении основной задачи эксплуатации используется вероятностно-статистический подход к прогнозированию и управлению состояниями сложных систем и моделированию эксплуатационных процессов.

Некоторые вопросы теории эксплуатации, такие как прогнозирование надежности ТУ в условиях эксплуатации, организация восстановления ТУ в ходе выполнения задания, диагностика отказов в сложных системах, определение потребного количества запасных элементов и др., получили достаточное развитие в теории надежности, теории восстановления и теории массового обслуживания, в технической диагностике и теории управления запасами.

1. Основные понятия и определения

теории надежности.

Теория надежности – наука о методах обеспечения и сохранения надежности при проектировании, изготовлении и эксплуатации систем.

Способность любого изделия или системы сохранять свои первоначальные технические характеристики в процессе эксплуатации определяются их надежностью. Физический смысл надежности состоит в способности ТУ сохранять свои характеристики во времени.

Эксплуатационными характеристиками являются также готовность к применению, восстанавливаемость, параметры технического обслуживания. Надежность может определяться как самостоятельной эксплуатационной характеристикой ТУ, так и служить составляющей других эксплуатационных характеристик.

Под надежностью понимается свойство ТУ выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или требуемой наработки в определенных условиях эксплуатации.

Как следует из определения, надежность зависит от того, какие функции выполняет изделие во времени, в течение которого должно быть обеспечено выполнение этих функций, и от условий эксплуатации.

У любого изделия много эксплуатационных показателей и необходимо строго оговаривать в каждом случае, когда технические параметры или свойство ТУ следует учитывать при определении его надежности.

В связи с этим вводится понятие работоспособности, которое определяется как состояние ТУ, при котором оно способно выполнять заданные функции с параметрами, установленными требованиями технической документации. Введение понятия работоспособности необходимо для определения технических параметров и свойств ТУ, обусловливающих выполнение заданных функций и допустимых границ их изменения.

Из определения надежности также следует, что надежность состоит в способности ТУ сохранять свои начальные технические характеристики во времени. Однако, даже самое надежное ТУ не может сохранять свои начальные технические характеристики в течение неограниченного времени. Поэтому говорить о надежности, не определяя конкретный промежуток времени, в течение которого эти характеристики должны обеспечиваться, бессмысленно. Кроме того, реальная надежность каждого ТУ в значительной степени зависит от условий эксплуатации. Любое заранее определенное значение надежности справедливо только для конкретных условий эксплуатации, включая режимы использования ТУ.

В теории надежности вводятся понятия элемента и системы. Различие между ними чисто условное и состоит в том, что при определении надежности элемент считают неделимым, а систему представляют в виде совокупности отдельных частей, надежность каждой из которых определяют отдельно.

Понятия элемент и система относительны. Например, нельзя считать, что самолет всегда является системой, а один из его двигателей – элементом. Двигатель можно считать элементом, если при определении надежности рассматривать его как единое целое. Если его расчленить на составляющие части (камеру сгорания, турбину, компрессор и т.д.), каждая из которых обладает собственным значением надежности, то двигатель представляет собой систему.

Количественно определить или измерить надежность ТУ гораздо сложнее, чем измерить любые его технические характеристики. Как правило, измеряется только надежность элементов, для чего проводятся специальные, иногда довольно сложные и длительные испытания или используются результаты наблюдений за их поведением в эксплуатации.

Надежность систем рассчитывается на основании данных о надежности элементов. В качестве отправных данных при определении количественных значений надежности используются события, состоящие в нарушении работоспособности ТУ и называемые отказами.

Под отказом понимается событие , после которого ТУ перестает выполнять (частично или полностью) свои функции. Понятие отказа является основным в теории надежности и правильное уяснение его физической сущности является важнейшим условием успешного решения вопросов обеспечения надежности.

В некоторых случаях система продолжает выполнять заданные функции, но с некоторых элементах появляются нарушения технических характеристик. Такое состояние элемента называют неисправностью.

Неисправность – состояние элемента, при котором он в данный момент не соответствует хотя бы одному их требований, установленных как в отношении основных, так и второстепенных параметров.

Рассмотрим некоторые другие понятия, характеризующие эксплуатационные качества ТУ. В некоторых случаях требуется, чтобы ТУ не только безотказно работало в течение определенного промежутка времени, но, несмотря на наличие отказов в перерывах в работе, сохраняло бы в целом способность выполнять заданные функции в течение длительного времени.

Свойство ТУ сохранять работоспособность с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонтов до предельного состояния, определенного в технической документации, называется долговечностью. Предельными состояниями ТУ могут явиться: поломка, предельный износ, падение мощности или производительности, снижение точности и т.д.

Ту может потерять работоспособность не только при эксплуатации, но также в процессе длительного хранения, в результате старения. Чтобы подчеркнуть свойство ТУ сохранять работоспособность в процессе хранения, введено понятие сохраняемости, которое имеет смысл надежности ТУ в условиях хранения.

Сохраняемостью называется свойство ТУ иметь обусловленные эксплуатационные показатели в течение и после срока хранения и транспортирования, установленного в технической документации.

Важное значение при определении эксплуатационных характеристик ТУ имеют понятия срока службы, наработки и ресурса.

Сроком службы называется календарная продолжительность эксплуатации ТУ до момента возникновения предельного состояния, оговоренного в технической документации. Под наработкой понимается продолжительность (в часах или циклах) или объем работы ТУ (в литрах, килограммах, т-км и т.д.) до появления отказа. Ресурсом называется суммарная наработка ТУ до предельного состояния, оговоренного в технической документации.