1 Основные понятия теории надежности

Как и любая отрасль науки, теория надежности имеет ряд основополагающих понятий, которые зафиксированы в общегосударственном стандарте ГОСТ Р 53480–2009 «Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения». Аналогичное содержание имеет отраслевой стандарт ЦТ и ЦТР ОАО «РЖД» ОСТ 24.040.03–2008 «Тяговый подвижной состав. Надежность. Термины и определения».

Базовыми понятиями теории надежности являются «надежность» и «отказ».

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.

Надежность тесно связана с временем функционирования объекта и характеризует, как изменяются во времени первоначальные свойства объекта.

Иными словами, надежность определяет динамику изменения качества технического объекта. Под качеством понимают совокупность свойств, характеризующих степень пригодности для использования по назначению.

Качество – более широкое, более обобщающее понятие, чем «надежность».

Согласно определению, надежным считается не только объект, подвергшийся разрушению, но и тот объект, характеристики которого вышли за допустимые пределы, установленные для него.

Надежность – комплексное понятие, состоящее в общем случае из безотказности, ремонтопригодности, сохраняемости и долговечности.

Для объектов, которые являются потенциальным источником опасности, немаловажным считается понятие «безопасность»: свойство объекта при изготовлении и эксплуатации, а также в случае нарушения работоспособного состояния не создавать угрозу для жизни и здоровья людей и для окружающей среды.

Перейдем к составляющим надежности.

Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторой наработки.

Работоспособное состояние (работоспособность) – состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической документации.

Под наработкой понимают продолжительность или объем работы объекта, причем она может быть величиной непрерывной (время работы в часах, километраж пробега) либо целочисленной (количество рабочих циклов).

Нормативно-технические документы различаются между собой, в первую очередь, по масштабам применяемости и значимости.

Так, государственный стандарт (ГОСТ) обязателен к применению на всей территории страны в любой народнохозяйственной отрасли, отраслевой стандарт (ОСТ) действует в пределах данной отрасли, например, ЦТР ОАО «РЖД». На следующей ступени располагаются стандарты предприятий (СтПр): производственных объединений, отдельных предприятий. Технические условия (ТУ), инструкции по эксплуатации составляются на отдельные серии изделий. В конструкторскую (проектную) документацию, как правило, входят рабочие чертежи и схемы, расчетные записки, ведомости изготавливаемых и комплектующих узлов, руководство по монтажу и испытаниям выпускаемых изделий.

Ремонтопригодность – свойство объекта, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонтов.

Это понятие включает в себя обслуживаемость (приспособленность к техническому обслуживанию), контролепригодность (приспособленность к контролю технического состояния, к диагностированию), а также приспособленность к предупреждению и обнаружению отказов и повреждений и вызывающих их причин.

По отношению к наличию указанного свойства объекты делят на две категории: невосстанавливаемые (неремонтируемые), которые можно эксплуатировать по прямому назначению только до первого и единственного отказа, после чего они безвозвратно теряют работоспособность, и восстанавливаемые (ремонтируемые), которые подлежат неоднократному восстановлению работоспособности после отказов в процессе эксплуатации.

Сохраняемость – свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способность объекта выполнять требуемые функции в течение и после хранения и транспортировки.

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

Предельное состояние – состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна, либо восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно.

Основные его причины: неустранимое нарушение требований безопасности и безотказности эксплуатации; ремонт требует недопустимо больших затрат либо не обеспечивает нужной степени восстановления работоспособности и исправности.

Отказ – событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта. Под критерием отказа понимают совокупность признаков, которая установлена в нормативно-технической и конструкторской документации на данный объект.

Критичность отказа – совокупность признаков, характеризующих последствия отказа.

Отказы принято классифицировать по нескольким критериям и характеру возникновения:

– внезапные (мгновенные, катастрофические) являются следствием резкого, скачкообразного изменения значений одного или нескольких параметров объекта; как правило, они возникают при резкой концентрации нагрузок, электрических и механических напряжений в материале объекта;

‑ постепенные (параметрические) возникают в результате постепенного, относительно плавного изменения значений одного или нескольких параметров объекта; их физическая природа – чаще всего изнашивание и старение материала.

Необходимо отметить, что принципиальных отличий между этими разновидностями отказов не существует. Любым, на первый взгляд, мгновенным изменениям практически всегда предшествуют скрытые, почти незаметные отклонения (микротрещины, концентрации напряжений, наличие посторонних включений в толще электрической изоляции и т. п.). Дифференциация отказов по этому критерию в значительной мере зависит от глубины информации об анализируемом объекте, наличия достоверных данных о его диагностических параметрах.

По мере совершенствования расчетных методов и средств контрольно-измерительной техники, позволяющих своевременно обнаруживать источники возможных отказов и прогнозировать их развитие во времени, все большее количество отказов станет относиться к категории постепенных. Можно считать, что граница между понятиями «внезапный отказ» и «постепенный отказ» достаточно условна и имеет, с методической точки зрения, прикладной смысл. Мероприятия по повышению безотказности применительно к износовым, сравнительно медленно развивающимся отказам и резко прогрессирующим во времени внезапным отказам с разрушительными последствиями, отличаются между собою.

Немаловажным свойством постепенного отказа является контролируемое изменение подверженных деградации параметров объекта, что облегчает задачу прогнозирования отказа и позволяет произвести профилактическую замену изнашиваемого элемента до перехода объекта в неработоспособное состояние.

В зарубежной нормативной литературе получило распространение следующее определение внезапного отказа:

– отказ, наступление которого не может быть предсказано предварительным контролем или диагностированием.

По взаимосвязи между ними:

– независимый отказ – отказ, не обусловленный другими отказами;

– зависимый отказ – отказ, обусловленный другими отказами, когда он появляется из-за отказа другого элемента, либо повлиял на возникновение отказа другого элемента.

По признакам проявления:

– явный отказ, обнаруживаемый визуально или инструментами, методами и средствами контроля и диагностирования при подготовке объекта к применению или в процессе его применения по назначению;

– скрытый отказ, выявляемый при проведении технического обслуживания или специальными методами диагностики.

По причинам возникновения:

– конструктивный отказ – отказ, возникший по причине, связанной с несовершенством или нарушением установленных правил и норм проектирования и конструирования;

– производственный отказ – отказ, возникший по причине, связанной с несовершенством или нарушением установленного процесса изготовления или ремонта, выполняемого на ремонтном предприятии;

– эксплуатационный отказ – отказ, возникший по причине, связанной с нарушением установленных правил и условий эксплуатации;

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

По степени влияния на работоспособность:

– полный, когда работоспособность объекта теряется полностью;

– частичный, когда работоспособное состояние сохраняется лишь частично; такое состояние характерно для сложных объектов, когда определение неработоспособности неоднозначно; так, например, при выходе из строя одного из тяговых двигателей локомотива появляется возможность продолжать движение на оставшихся моторах, но при реализации меньшей мощности, меньшей силы тяги: локомотив становится неработоспособным частично.

Специфические особенности конструкции и эксплуатации разнообразных технических устройств обуславливают введение в употребление дополнительных определений терминов надежности, отличающихся от общепринятых стандартизованных терминов. Так, ЦТ и ЦТР в отраслевом стандарте ОСТ 24.040.03–2008 устанавливают следующие определения отказа применительно к локомотиву.

Отказ – событие, заключающееся в нарушении работоспособности локомотива, имеющее любое из следующих последствий:

– невыполнение показателей (вес, скорость, время хода и стоянок), графика движения поездов (порча, остановка, опоздания и др.);

– восстановление работоспособности в пути следования без нарушения показателей и графика движения;

– неплановый ремонт;

– досрочная замена или регулировка оборудования (узла, детали);

– повышенный объем работ по отношению к установленным нормам планового ремонта.

При анализе эксплуатационной надежности ЭПС устанавливают различия между работоспособным и исправным состоянием объекта, отказом и неисправностью.

Неисправность – состояние объекта (локомотива либо его узла), при котором он не соответствует хотя бы одной из норм, установленной в нормативно-технической документации.

Если при этом локомотив или его узел не могут выполнять свои функции с заданными параметрами, то неисправность стала непосредственной причиной отказа.

Если же на способности функционировать с заданными параметрами это событие не отразилось, то оно считается повреждением, то есть произошло нарушение исправного состояния при сохранении работоспособности. Типичная причина повреждения состоит в появлении внешних воздействий, превышающих установленный уровень. Стало быть, неисправное состояние является более широким понятием, включающим в себя и отказ, и повреждение.

Исправное состояние объекта характеризуется соответствием всем требованиям, предъявляемым нормативно-технической документацией к объекту.

Для определения работоспособности локомотива либо его узла необходимо осуществить следующее:

– составить перечень технических параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции;

– установить для каждого из параметров минимальные и максимальные допустимые его значения, в том числе ремонтные и эксплуатационные;

– разработать методику и сконструировать аппаратуру для измерения значений каждого из параметров.

Анализируемый объект считается исправным, если замеренные значения всех параметров находятся в пределах установленных допусков.

Работоспособный объект может быть как исправным, так и неисправным, однако неисправность при этом не может быть существенной и не может нарушать нормальное функционирование.