11. Основные показатели надежности при работе машин и оборудования. Ремонтный цикл, наработка, коэффициент готовности, вероятность безотказной работы и т.Д.

Надежность - 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.

В процессе эксплуатации показатели надежности машин постепенно ухудшаются. Изучением закономерностей изменения показателей надежности различных объектов при эксплуатации занимается теория надежности.

Различают следующие виды технического состояния объектов: исправное, неисправное, работоспособное, неработоспособное, предельное.

В теории надежности все объекты делят на следующие классы: обслуживаемые и необслуживаемые, восстанавливаемые и невосстанавливаемые, ремонтируемые и неремонтируемые.

В процессе эксплуатации под действием различных факторов изменяются свойства объектов, что приводит к изменению их состояния, т.е. к переходу от исправного к неисправному и от работоспособного к неработоспособному.

Повреждение - событие, заключающееся в нарушении исправного состояния объекта при сохранении работоспособного состояния.

Отказ - событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта.

Критерий отказа - признак или совокупность признаков нарушения работоспособного состояния объекта, установленные нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документацией.

Причина отказа - явления, процессы и состояния, вызывающие возникновение отказа объекта.

Восстанавливаемые объекты могут иметь более одного отказа. Примерами восстанавливаемых объектов могут служить насосы, запорная арматура, роторы, вертлюги, компрессоры, агрегаты для ремонта скважин и др.

Невосстанавливаемые объекты могут иметь только один отказ. После наступления предельного состояния они подлежат замене. Примерами невосстанавливамых объектов могут служить изношенные фрикционные накладки тормозов и муфт, пружины, подшипники качения и др.

Классификация отказов

скрытый - отказ, не обнаруживаемый визуально или штатными методами и средствами контроля и диагностирования, но выявляемый при проведении технического обслуживания или специальными методами диагностики;

непрогнозируемый - отказ, который заранее нельзя предвидеть;

прогнозируемый - отказ, который можно заранее предвидеть, например, по числу проработанных изделием часов или по изменению одного или нескольких параметров изделия;

ресурсный - отказ, в результате которого объект достигает предельного состояния;

деградационный - отказ, обусловленный естественными процессами старения, изнашивания, коррозии и усталости при соблюдении всех установленных правил и (или) норм проектирования, изготовления и эксплуатации.

Отказы при эксплуатации сложных систем возникают в случайные моменты времени. Поскольку отказы устраняются, то в течение времени наблюдается их поток. Под потоком отказов понимается последовательность отказов, происходящих один за другим в случайные моменты времени. Вид потока отказов определяет аналитические зависимости между количественными характеристиками надежности.

Показателем использования объекта по назначению является наработка.

Наработка - продолжительность или объем работы объекта. Наработка может измеряться в единицах времени, длины, объема, массы. Например, применительно к компрессорам она измеряется часами их работы (мото-ч). Наработка автомобилей измеряется километрами пробега (км).

В теории надежности рассматриваются следующие виды наработки объектов: наработка до отказа, наработка между отказами и ресурс.

Наработка до отказа - наработка объекта от начала его эксплуатации до возникновения первого отказа. Этот показатель рассматривается как для невосстанавливаемых, так и для восстанавливаемых объектов.

Производная от функции распределения (если она существует), называется плотностью распределения случайной величины и является другой формой задания закона распределения случайной величины:

Ресурс - суммарная наработка объекта от начала его эксплуатации или ее возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние. Иначе говоря, ресурс представляет собой запас возможной наработки объекта. Он измеряется в тех же единицах, как и наработка.

Для невосстанавливаемых объектов ресурс совпадает с продолжительностью пребывания в работоспособном состоянии в режиме применения по назначению, если переход в предельное состояние обусловлен только возникновением отказа.

Различают средние доремонтный, межремонтный, послеремонтный и полный ресурсы, а также назначенный ресурс.

Безотказность - свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки. Показатели безотказности различны для невосстанавливаемых и восстанавливаемых объектов. Основными показателями безотказности невосстанавливаемых объектов являются вероятность безотказной работы P(t), средняя наработка до отказа t_ср, интенсивность отказов λ(t) и гамма-процентная наработка до отказа t_γ.

Вероятность безотказной работы - вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ объекта не возникнет.

Пусть t - время работы изучаемого объекта и Т - случайное время безотказной работы, т.е. время, прошедшее с начала работы до первого отказа. Тогда событие Т > t означает, что в течение времени t не произойдет ни одного отказа объекта. Для каждого значения t существует определенная вероятность того, что Т примет значение, большее t, т.е.

P(t) = P(T>t).

Функцию P(t) называют вероятностью безотказной работы. Функция P(t) является непрерывной функцией времени, обладающей следующими очевидными свойствами:

1. Р(0) = 1, т.е. в момент начала работы объекты исправны;

2. P(t) является монотонно убывающей функцией времени;

3. при t → ∞, P(t) → 0.

Статистическая оценка для вероятности безотказной работы характеризуется отношением числа исправно работающих объектов к общему числу объектов, находящихся под наблюдением:

(4.1)

где N(0) - число исправных объектов в момент времени t = 0; N(t) - число исправных объектов в момент времени t, n(t) -число отказавших объектов к моменту времени t.

Если на основании статистических данных определено эмпирическое распределение рассматриваемой случайной величины и установлена степень его близости соответствующему теоретическому распределению, то вероятность безотказной работы может быть рассчитана по известным математическим зависимостям. Так, если вероятность безотказной работы машины в течение 1000 ч составляет 0,95, то это означает, что в среднем около 5 % машин данной модели потеряет свою работоспособность раньше, чем через 1000 ч работы.

Вероятность отказа - вероятность того, что в заданном интервале времени или в пределах заданной наработки возникнет отказ объекта:

Из этого выражения видно, что вероятность отказа является функцией распределения случайного времени Т безотказной работы.

Статистическая оценка для вероятности отказа - отношение числа объектов, отказавших к моменту времени t, к числу объектов, исправных в начальный момент времени (т.е. при t = 0), - определяется по формуле

(4.2)

Вероятность безотказной работы и вероятность отказа связаны зависимостью

P(t) + Q(t) = l.

где ∆r(t) - число отказов за отрезок времени ∆t; t₁ ≤ t ≤ t₂.

Долговечность - свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

Показателями долговечности объектов служат ресурс и срок службы, на которые влияют случайные факторы. Поэтому такие показатели относятся к случайным величинам и законы их распределения определяются плотностью вероятности f(t) При этом используют большинство из видов распределений, применяемых при анализе безотказности объекта.

Срок службы - календарная продолжительность эксплуатации от начала эксплуатации объекта или ее возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние. Его измеряют в единицах времени (месяц, год).

Статистическая оценка для среднего ресурса

где R_j - ресурс j-го изделия.

t_ji - время безотказной работы j-го изделия между i-м и (i +1)-м отказами; п - число отказов изделия в течение рассматриваемого периода эксплуатации; N₀ - число испытываемых изделий.

Среднее время восстановления - математическое ожидание времени восстановления работоспособного состояния объекта после отказа

Коэффициент готовности К_г - вероятность того, что объект окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых применение объекта по назначению не предусматривается.

При установившемся режиме эксплуатации, предусматривающем немедленное начало восстановления отказавшего объекта, коэффициент готовности К_г определяют по формуле

где t_cp - средняя наработка между отказами; t_{в cp} - среднее время восстановления работоспобности объекта (за исключением простоев на проведение плановых ремонтов и технического обслуживания).

Коэффициент готовности оценивает непредусмотренные остановки объектов, наличие которых свидетельствует о том, что плановые ремонты и мероприятия по ТО и ремонту не полностью выполняются. Он показывает, что надежность объектов достигается не только за счет увеличения безотказности и долговечности, но и в результате повышения ремонтопригодности объекта, что может быть достигнуто снижением среднего времени восстановления.

Коэффициент технического использования К_ти - отношение математического ожидания суммарного времени пребывания объекта в работоспособном состоянии за некоторый период эксплуатации к математическому ожиданию суммарного времени пребывания объекта в работоспособном состоянии и простоев, обусловленных техническим обслуживанием и ремонтом за тот же период.

где t_c - суммарная наработка объекта за рассматриваемый промежуток времени; t_в, t_р, и t_ТО - соответственно суммарное время, затраченное на восстановление, ремонт и техническое обслуживание за тот же промежуток времени.

Коэффициент технического использования - более полная характеристика ремонтопригодности объекта, так как он учитывает как плановые, так и непредусмотренные остановки объектов.