Инженерная сущность проблемы надежности

1. Основные группы отказов

Машина или аппарат могут считаться надежными только в том случае, если в течение заданного времени они работают безотказно. Следовательно, при оценке надежности оборудования решающее значение имеет тщательное изучение характера возможных отказов, правильное понимание их физической сущности.

Различают три характерные группы отказов, присущих любому изделию или системе:

▪ приработочные;

▪ внезапные;

▪ износовые.

Эти отказы различаются не только своей физической сущностью, но и способами их устранения и предупреждения. На основании опытных данных можно получить кривую интенсивности отказов λ(t) в процессе работы практически любого изделия (рис. 1.1). На этом рисунке явно выражены три периода работы изделия: первый – приработочный, второй – нормальной эксплуатации, третий – износовый.

λ(t)

I II III

λ = const

t

Рисунок 1.1 – График интенсивности отказов

Приработочные отказы являются результатом наличия в изделии дефектных элементов и ошибок, допущенных при сборке и монтаже. Повышенное число отказов в первый период работы изделия иногда может объясняться, его недостаточной освоенностью обслуживающим персоналом. Отказы дефектных элементов рас­пределяются экспоненциально, со средней наработкой на отказ в несколько раз меньшей, чем у остальных элементов.

В процессе приработки изделия, после отказа каждого дефектного элемента, он будет заменяться нормальным, бездефектным, и число остающихся в изделии дефектных элементов будет уменьшаться. Таким образом, при постоянной интенсивности приработочных отказов каждого элемента общая интенсивность отказов всего изделия в период приработки будет уменьшаться до тех пор, пока не будет заменен последний, дефектный элемент. Пока в изделии будет оставаться хотя бы один дефектный элемент, надежность изделия не может быть выше надежности этого последнего, дефектного элемента.

Продолжительность периода приработки различна для разных изделий и устанавливается опытным путем, при этом любое время приработки, определенное для того или иного изделия, будет всего лишь средним временем приработки. Поэтому в некоторых случаях, когда требуется обеспечить особо высокую надежность изделия, действительное время приработки увеличивают в несколько раз. Время приработки, в общем, ограничивается обычно несколькими десятками, а в редких случаях – сотнями часов.

После окончания приработки наступает второй период – период нормальной эк­сплуатации изделия, представляющий наибольший интерес. Его продолжительность во много раз превышает период приработки. Период нормальной эксплуатации изделия измеряется обычно в тысячах часов. Внезапные отказы, которые возникают в этот период, обусловлены в основном пиковыми нагрузками и грубыми ошибками обслуживающего персонала при эксплуатации. Основной путь повышения, вероятности безотказной работы изделия в период его нормальной эксплуатации, это повышение наработки на отказ (снижение интенсивности отказов) всех, используемых в нем элементов. В решении этой задачи принимают участие конструкторы, технологи и эксплуатационщики. В период нормальной эксплуатации изделия заменять в нем элементы до наступления их внезапного отказа нецелесообразно, так как это не способствует повышению надежности. Ведь вероятность внезапных, случайных отказов, подчиняющихся экспоненциальному закону распределения, не зависит от возраста элемента.

Интенсивность внезапных отказов изделия в этот период минимальна, уровень ее постоянный, а вероятность безотказной работы будет одинаковой для любых равных отрезков времени в течение всего этого периода. Минимальная интенсивность отказов тогда, когда период приработки уже закончен, а период износа еще не наступил.

При проектировании конструктор должен предусмотреть блокировочные и защитные устройства, обеспечивающие безопасность и надежность эксплуатации оборудования, в частности, сигнализацию (звуковую и световую) при отклонениях от технологического режима или аварийном состоянии оборудования.

Вероятность возникновения износовых, постепенных отказов, подчиняющихся часто нормальному закону распределения, непосредственно зависит от возраста элемента. Интенсивность таких отказов, для равных промежутков времени в период износа, непостоянна, и повышается, по мере увеличения срока эксплуатации и приближения его к среднему сроку службы изделия.

Для предотвращения износовых отказов применяют профилактическую замену элементов до на­ступления периода их износа. Но когда нужно производить такую замену? Как выбрать такое время, чтобы, с одной стороны, максимально использовать в работе каждый элемент, с другой – обеспечить требуемый уровень безотказности изделия? Для этого, прежде всего надо знать параметры нормального закона распределения.

«Повреждения, которым подвержены отдельные части машин и т.д., по природе своей случайны, а поэтому так же случаен и обусловливаемый ими ремонт. Однако из массы этих ремонтных работ выделяются два вида, которые имеют более или менее постоянный характер и приходятся на различные периоды жизни основного капитала: болезни детства и несравненно более многочисленные болезни возраста, вышедшего за пределы средней продолжительности жизни. Например, какой бы совершенной конструкции машина ни вступила в процесс производства, при ее употреблении на практике обнаруживаются недостатки, которые приходится исправлять дополнительным трудом. С другой стороны, чем больше вышла она за предел своего среднего возраста, следовательно, чем больше сказывается действие нормального изнашивания, чем больше изношен и старчески ослаб материал, из которого она сделана, тем многочисленнее и значительнее становятся ремонтные работы, необходимые для того, чтобы поддержать существование машины до конца периода средней продолжительности ее жизни;...» Маркс К. и Энгельс Ф. Соч., т. 24, с. 196.