5.1. Показатели надежности продукции

Все основные понятия и термины надежности можно разбить на четыре группы: объекты, состояния и события, свойства, количественные показатели.

Объекты. Рассматриваемые понятия относятся к техническим системам, изделиям и их элементам. Под изделиями в широком смысле понимаются различные машины, устройства и приборы, а также их агрегаты, узлы и элементы. В определенных условиях изделия могут рассматриваться как системы. Для краткости, говоря об изделиях, будем иметь в виду системы, состоящие из изделий, сами изделия и их элементы.

Все изделия можно разделить на два больших класса: восстанавливаемые и невосстанавливаемые.

Восстанавливаемые — изделия, которые при отказе могут быть восстановлены.

Невосстанавливаемые — изделия, которые при отказе не могут быть восстановлены или не подлежат восстановлению.

К восстанавливаемым изделиям относятся автомобили, самолеты, станки, радиоприемники, телевизоры и т. п. Невосстанавливаемые изделия — шариковые подшипники, осветительные и электронные лампы и т. п.

Состояния и события. Исправность — состояние изделия, при котором оно в данный момент соответствует всем требованиям, установленным как в отношении основных параметров, характеризующих нормальное выполнение заданных функций, так и второстепенных, характеризующих удобства эксплуатации, внешний вид и т. п.

Неисправность — состояние изделия, при котором оно в данный момент не соответствует хотя бы одному из требований, установленных как в отношении основных параметров, так и второстепенных.

Работоспособность — состояние изделия, при котором оно в данный момент соответствует всем требованиям, установленным в отношении основных параметров, характеризующих нормальное выполнение заданных функций.

Отказ — событие, в результате которого изделие полностью или частично утрачивает работоспособность.

Основные свойства. Безотказность — свойство изделия непрерывно сохранять работоспособность в определенных режимах и условиях эксплуатации. (В литературе это определение часто относят к "надежности", понимаемой в узком смысле.)

Долговечность — свойство изделия в течение длительного времени (с возможными перерывами на ремонт) сохранять работоспособность в определенных режимах и условиях эксплуатации до разрушения или до другого предельного состояния. (Предельное состояние может устанавливаться, исходя из условий обеспечения безопасности эксплуатации, по экономическим показателям и т. п.)

Ремонтопригодность — свойство изделия, заключающееся в его приспособленности к восстановлению исправности и поддержанию заданного технического ресурса путем предупреждения, обнаружения и устранения неисправностей и отказов.

Надежность (в широком смысле) — свойство изделия, обусловленное безотказностью, долговечностью и ремонтопригодностью этого изделия и его частей и обеспечивающее сохранение его эксплуатационных показателей в заданных пределах. Количественные показатели этих свойств подробно рассмотрены ниже.

Изложенные сведения о показателях надежности, а также рекомендации по выбору и применению этих показателей предназначены для использования в инженерной практике работников машиностроения и других отраслей промышленности. При разработке рекомендаций учтены положения теории надежности и промышленный опыт.

В настоящем разделе даны не все показатели,, которые могут быть в различных случаях использованы при оценке надежности изделий. Применение дополнительных показателей (в частности, при научно-исследовательских работах) не исключено, однако, показатели, используемые в практике, желательно унифицировать, а их число свести к минимуму. В различных случаях, в зависимости от особенностей и назначения изделия, могут быть применены все рекомендуемые показатели или лишь часть из них.

Поскольку на ранних стадиях испытаний и эксплуатации изделий имеющийся опыт может оказаться недостаточным для определения всего комплекса показателей надежности, допускается временное применение частичных характеристик (например, основанных только на показателях безотказности и долговечности); неполнота оценки надежности в таких случаях должна быть оговорена.

Показатели безотказности, долговечности и ремонтопригодности,'^ также зависящие от них показатели надежности, зачастую являются величинами статистическими. Важнейшая особенность таких величин — их случайная изменчивость, обусловленная неизбежными значительными изменениями факторов, случайное сочетание которых определяет конкретные особенности каждого изделия и условия работы его элементов. В связи с этим испытания и наблюдения для характе

ристики надежности изделий серийного и массового производства рекомендуется вести применительно к различным условиям их эксплуатации в масштабах, достаточных для исчерпывающей оценки их свойств.

Безотказность, долговечность и ремонтопригодность любого изделия оцениваются: предварительно — по результатам испытаний, и окончательно — по результатам эксплуатации. На промежуточных стадиях существования изделий определенной модели для характеристики их свойств используются данные обоих источников.

Случайное изменение экспериментальных показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности обусловливает необходимость их оценки с известной степенью достоверности, которая в ответственных случаях должна быть оговорена.

Безотказность, долговечность и ремонтопригодность изделий в очень большой степени зависят от условий их эксплуатации (или испытаний) и не могут рассматриваться в отрыве от них. Поэтому показатели трех определяющих надежность свойств изделия должны быть во всех случаях заданы и экспериментально установлены применительно к определенным (оговоренным) условиям его эксплуатации. В частности, следует различать: долговечность при идеальных условиях эксплуатации, при которых соблюдаются правила использования изделий и технического ухода за ними; долговечность, при действительных условиях эксплуатации, характеризуемых существующим средним уровнем технической культуры и оснащенности обслуживающего и ремонтного персонала, степенью соблюдения правил использования изделий и технического ухода за ними.

Следует также различать:

а) безотказность и долговечность изделий, не подвергав- шихся капитальным ремонтам (т. е. изделий в заводском ис- полнении);

б) безотказность и долговечность изделий после капиталь- ных ремонтов.

Показатели зависят от ремонтопригодности изделий, от организации и качества ремонтопригодности, а также от качества запасных частей. Следовательно, эти показатели, отражающие не только особенности самого изделия, но и влияние ряда дополнительных факторов, следует определять и рассматривать особо.

В заключение подчеркнем необходимость различать показатели надежности отдельно взятых изделий и статистические показатели надежности группы однородных изделий.

Отказы и их классификация

На практике в изделиях различного назначения могут возникать отказы самых различных видов: поломки, обрывы, прогары, пробои, короткие замыкания, нарушения регулировок, заклинивания, зависания, замасливания контактов, засорения трубопроводов, износы деталей и т. п.

Основные причины возникновения отказов механических систем делятся на две принципиально различные группы:

— причины, не связанные с разрушением;

— причины, обусловленные разрушением элементов системы.

Примеры отказов, вызванных причинами первой группы, применительно к транспортной машине: засорение системы подачи топлива или гидравлической системы, зависание клапана в магистрали подачи смазки; течь в местах соединения шлангов; ослабление креплений под действием вибраций; образование нагара на поршнях, поршневых кольцах и электродах свечей зажигания; загрязнение или ослабление контактов электропроводки; замасливание и загрязнение коллек-тороб стартера, генератора и других электродвигателей машины.

Любые виды нарушений работоспособности машины, независимо от их причины, требуют самого серьезного внимания, однако значение отказов, не связанных с разрушением для большинства современных машин, несоизмеримо с объемом и значением отказов, обусловленных разрушением эле

ментов системы и зависящих, следовательно, от их долговечности. Например, самая массовая машина — автомобиль, правильно сконструированный, качественно изготовленный и нормально обслуживаемый, представляет собой весьма надежное изделие до тех пор, пока постепенно не учащаются отказы, обусловленные прогрессирующим разрушением его элементов.

Именно этим объясняется первостепенное значение долговечности машин, в результате чего мероприятия по обеспечению их надежности в большинстве случаев сводятся, по существу, к работам по повышению долговечности их элементов.

Классификация отказов по их происхождению необходима для уяснения и устранения причин нарушения надежности. "Конструктивным" именуется отказ, обусловленный недостатками конструкции, "производственным" — вызванный отклонениями от принятого технологического процесса изготовления изделия или несовершенством этого процесса. "Ремонтный отказ" вызывается дефектами ремонта, "эксплуатационный отказ" — нарушениями установленных правил эксплуатации.

Разграничить отказы по их происхождению нередко бывает трудно, и не всегда такое разграничение бесспорно. Например, поломка шестерен коробки передач может быть вызвана дефектами сборки агрегата или термообработки шестерен, но не исключено также, что причиной является и недостаточный запас их прочности. Причиной поломки коленчатого вала двигателя может быть недостаточный запас прочности, но также и выходящая за пределы допуска неуравновешенность масс маховика, сцепления и других, связанных с коленчатым валом деталей; возможно также, что прочность вала снижена каким-либо технологическим концентратором напряжений (например, галтелью слишком малого радиуса) или остаточными напряжениями, возникшими при межоперационной правке. Быстрый износ какого-либо сопряжения может оказаться следствием конструктив

ных или технологических причин, но может быть вызван и недостаточной смазкой — по вине обслуживающего персонала. Таким образом, для определения причин отказа в сложных случаях необходимо тщательное изучение всех возможных его источников.

Значительно проще классификация отказов по характеру их проявления. "Полный отказ" приводит к невозможности использования изделия по назначению до устранения отказа; "частичный отказ" оставляет возможность хотя бы частичного использования изделия. Так, вынужденная остановка двигателя вследствие какого-либо нарушения его надежности является полным отказом, а работа двигателя с пониженной мощностью или перерасходом смазки является частичным отказом. "Внезапный отказ" возникает неожиданно — в результате скачкообразного изменения значений одного или нескольких основных параметров изделия, т. е. внезапной полной потери работоспособности каких-либо его элементов. "Постепенный отказ" возникает в результате постепенного изменения значений одного или нескольких параметров изделия, возрастающей потери работоспособности его элементов.

Типичным примером постепенных отказов являются отказы, возникающие в результате изнашивания сопряжения. Оно происходит постепенно, приводя к медленно нарастающему увеличению зазора в сопряжении и к нарушению правильной формы поверхностей "контакта; по достижении предельного износа сопряжение теряет работоспособность. Этому событию обычно предшествует появление ряда прямых или косвенных признаков (стуков, повышенного трения, чрезмерного люфта и др.), позволяющих его предвидеть и предупредить.

Особо следует отметить распространенный случай постепенного разрушения деталей от усталости, приводящей к внезапному отказу. Усталостное повреждение в детали накапливается длительно, иногда годами, при полном отсут

ствии внешних признаков разрушения, пока не возникает трещина, во многих случаях невидимая (если деталь работает внутри корпуса или если на ней смонтированы другие детали) либо незаметная. Дальнейшее развитие трещины приводит к внезапной поломке детали.

"Устойчивым" называется отказ, который устраняется лишь в результате принятых мер; в отличие от него "самоустраняющийся отказ" ("сбой") — кратковременное нарушение работоспособности, устраняющееся без вмешательства обслуживающего персонала. Например, перебой в работе электрооборудования вследствие нарушения неплотно затянутого контакта, кратковременное засорение трубопровода подачи топлива или смазки, самовыключение агрегата вследствие перегрева при тяжелом режиме нагрузки и т. п.

Перейдем к классификации отказов по взаимосвязи элементов системы: "независимым" считается отказ, возникший по любым причинам, кроме действия другого отказа, "зависимым" — появляющийся вследствие другого отказа. Так, осколок сломавшегося зуба одной шестерни может вызвать повреждение ряда деталей трансмиссии; обрыв головки навесного клапана приводит к поломке поршня, прогибу шатуна, задиру цилиндра двигателя внутреннего сгорания; прекращение подачи смазки вследствие отказа масляного насоса может повлечь за собой повреждение поверхности трения в различных узлах любого механизма и т. п.

Классификация отказов по их последствиям сводится к разделению, во-первых, на "опасные" (т. е. связанные с опасностью для жизни или здоровья людей) и "безопасные" (не угрожающие жизни и здоровью), во-вторых, на "тяжелые" и "легкие". К тяжелым относятся отказы, приводящие к большим потерям, к легким — отказы, не вызывающие серьезных потерь.

Следует отметить неизбежную нечеткость такого разграничения и возможность субъективных оценок. Действительно, если выход из строя, дизель-генератора, лишающего электроэнергии целый район, бесспорно, относится к тяже-,

лым отказам, то последствия остановки, например, трактора в разгар сельскохозяйственных работ, также наносящей очевидный, но неизмеримо меньший ущерб, могут оцениваться различно.

Последствия отказа машины иногда зависят от обстоятельств ее использования. Например, вынужденная остановка грузового автомобиля в обычных условиях его эксплуатации по своим последствиям является легким отказом, а в условиях зимних междугородних сообщений Заполярья — опасным.

По сложности устранения отказы делятся на простые и сложные. К первым относятся легко устранимые отказы, не вызывающие необходимости в длительном и сложном ремонте, ко вторым — отказы трудно устранимые. В связи с субъективностью представлений о трудности устранения отказа желательна их конкретизация применительно к определенным машинам. Так, в эксплуатации тракторов и автомобилей предложено считать простым отказ, причина которого может быть устранена с помощью инструмента и приспособлений, постоянно находящихся при машине. Если же для устранения причины отказа необходимы дополнительные инструменты, приспособления, запасные части и ремонт должен выполнять специализированный ремонтный персонал (для чего требуется возвращение машины на базу или вызов технической помощи), то отказ считается сложным. Различие между простым и сложным отказом особенно ощутимо при работе машины вдали от базы. В этих условиях сложный отказ может привести к длительным простоям и соответственно — к большим потерям.

ЗначеЙйе прогнозирования отказов очевидно: если отказ можно предвидеть, то можно и ослабить или устранить его последствия; в ряде случаев своевременно принятые меры вообще исключают появление ожидаемого отказа. Однако некоторые отказы нельзя предвидеть, и по классификации они являются "непрогнозируемыми"; к ним, в частности, относятся случайные отказы, распределенные по экспоненци

альному закону. Однако большую часть отказов, в том числе большинство отказов, обусловленных разрушением, можно предвидеть, если известен закон их распределения. Другими словами, знание закономерностей распределения отказов данного гида является ключом к их прогнозированию.

Отказы, которые можно прогнозировать, делятся на две: группы. К первой из них относятся отказы, возникновение которых в определенной степени зависит от наработки изделия (например, возникающие в результате изнашивания, старения или накопления усталости), ко второй группе — отказы, обусловленные изменением какого-либо параметра изделия.

⁴ Следует остановиться на случаях, при которых нарушена не работоспособность, а исправность изделия, т. е. по основным параметрам оно соответствует требованиям, а по второстепенным параметрам (например, характеризующим внешний вид, удобство эксплуатации и т. п.) не соответствует. Такие нарушения исправности не являются отказом, в том смысле, который понимается под термином "отказ", однако исключение составляют случаи, при которых по действующим правилам неисправная машина не допускается к работе, т. е. по существу становится неработоспособной. Эти случаи следует относить к отказам. Например, если из-за дефекта окраски кузова Госавтоинспекция не разрешает использовать автомобиль, то несущественный, казалось бы, дефект по своим последствиям становится отказом.

Приведенная выше общая классификация охватывает большую часть отказов, встречающихся в практике машиностроения, но не является исчерпывающей, в некоторых специальных случаях и областях может понадобиться дальнейшая детализация видов отказов.

Большое значение имеет подробный учет эксплуатационных отказов машин. Точная информация об отказах всех видов позволит количественно характеризовать безотказность машины. Сведения об отказах, явившихся следствием разрушения деталей, дадут возможность оценить долговечность,

данные о трудоемкости, длительности и стоимости технического обслуживания и ремонтов, направленных на предупреждение и устранение отказов — выявить ремонтопригодность машины. Совокупность этих сведений не только даст полное представление о надежности, но и позволит разработать необходимые мероприятия по ее повышению.