1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. АНАЛИЗ НАДЕЖНОСТИ КОФЕВАРКИ REDMOND RCM-M1531

1.1 Теория надежности Теоретическое обоснование: Теория надёжности изучает критерии и

количественные характеристики надежности; методы анализа надежности; методы повышения надежности; методы синтеза сложных систем по критериям надежности; методы испытания системы на надежность; научные методы эксплуатации системы с учетом ее надёжности [1, с. 2].

Практический пример: Для кофеварки Redmond RCM-M1531

применение теории надёжности позволяет разработать методику эксплуатации, которая была нарушена в рассматриваемом случае. Производитель, опираясь на методы анализа надёжности (гарантия не распространяется на естественный износ изделия), установил в инструкции требование об очистке от накипи [2, с. 10-11]. Игнорирование этого пункта пользователем привело к физико-химическому процессу (рисунок 1), описанному в теории: «механизмом отказа является совокупность физических и (или) химических процессов, приводящих к возникновению отказа» [1, с. 11]. В данном случае процессом стало образование накипи, перекрывающей теплопередачу от ТЭНа к воде.

Рисунок 1 – Гарантийные обязательства из руководства по эксплуатации кофеварки

8

1.2 Понятие надежности Теоретическое обоснование: В контексте эксплуатационных

характеристик прибора, надёжность определяется через состояния системы. «Под надежностью и безопасностью автоматизированной системы управления понимается ее защищенность от случайных или преднамеренных вмешательств в нормальный процесс ее функционирования... а также в нарушении ее работоспособности из-за отказов (аппаратная надежность)»

[1, с. 2].

Практический пример: Кофеварка Redmond RCM-M1531 находится в состоянии надёжности, когда она «нормально выполняет заданные функции с заданными технической документацией параметрами». Отказ ТЭНа,

произошедший в условиях общежития, является примером потери «аппаратной надежности», что также отображено на рисунке 2 [1, с. 4]. Это событие привело к тому, что выходная характеристика системы (температура подаваемой воды) вышла за допустимые пределы, то есть «система нормально выполняет заданные функции с заданными... параметрами»

перестала выполняться [1, с. 6; 2, с. 5].

Рисунок 2 – Нарушение аппаратной надёжеспособности

1.3 Проблема надежности Теоретическое обоснование: «Первая проблема (связана) с

усложнением технических объектов... Третья проблема связана с ростом количества элементов используемых в системе... Четвертая проблема – ответственность функций, выполняемых системой» [1, с. 8]. Размытой формулировкой является «необходимость предварительного учета влияния

9

на систему при ее эксплуатации различных факторов объективного характера».

Практический пример: Для кофеварки RCM-M1531 проблема надёжности проявилась через влияние факторов объективного характера. Вода, используемая в общежитии, имела высокую жёсткость (объективный фактор). Вторая проблема надёжности не была решена на уровне эксплуатации. Пользователь не провёл своевременную очистку от накипи, что привело к перегреву элемента.

1.4 Повышение надёжности Теоретическое обоснование: Для обеспечения работоспособности

применяются различные методы. «На стадии проектирования повышение надёжности обеспечивается: ... выбором элементов и режимов их работы...

удобством технического обслуживания и восстановления» [1, с. 9-10].

Ключевыми способами также являются: «Стандартизация и унификация элементов» и «Организация текущего и выходного контроля».

Практический пример: В анализируемом случае поломки ТЭНа повышение надёжности должно было реализовываться через эксплуатационные мероприятия.

Инструкция к кофеварке предписывает: «Если на внутренних стенках прибора образовались налет или накипь, используйте средство для очистки...

Следуйте инструкции производителя средства» [2, с. 10]. Это требование коррелирует с методом «Организация текущего и выходного контроля». В

дальнейшей теории, если бы пользователь своевременно выполнял эти действия, был бы реализован метод «предупреждения, обнаружения и ликвидации отказов», что составляет суть ремонтопригодности [1, с. 7].

В случае с Redmond RCM-M1531 защита от перегрева («Защита от перегрева... есть» [2, с. 8]) является способом «облегчения режимов работы элементов» [1, с. 10], однако при критическом слое накипи эта защита не смогла предотвратить разрушение ТЭНа.

10

Рисунок 3 – Способ повышения надёжности при помощи облегчения режимов работы элементов

1.5 Отказ Теоретическое обоснование: Ключевым понятием теории является

отказ: «событие, после появления которого, выходные характеристики системы выходят за допустимые пределы. Отказ – частичная или полная утрата свойств, которая существенным образом снижает или приводит к полной потере работоспособности системы» [1, с. 11]. Также «механизмом отказа – является совокупность физических и (или) химических процессов, приводящих к возникновению отказа». В таблице 1 представлена

11

Практический пример: В случае с кофеваркой Redmond RCM-M1531

поломка ТЭНа является полным отказом, так как выходная характеристика (температура воды) стала равной нулю. Согласно классификации:

1)По возможности прогнозирования отказ является закономерным, так как образование накипи и последующий перегрев нагревательного элемента – это предсказуемый физический процесс при отсутсвии ухода за прибором;

2)По взаимодействию отказ является зависимым, так как выход из строя ТЭНа делает невозможной работу всей системы нагрева воды;

3)По характеру процесса возникновения отказ можно классифицировать как постепенный, так как он является результатом накопления накипи в течение длительного времени;

4)По времени существования это окончательный отказ, требующий замены неисправного элемента для восстановления работоспособности;

5)По причине возникновения отказ относится к эксплуатационным, так как вызван нарушением правил технического обслуживания;

6)По физическим признакам это перегрузка, вызванная нарушением теплоотвода от поверхности ТЭНа слоем накипи, что привело к тепловому разрушению;

12

7) По объёму и характеру восстановления неисправность классифицируется как повреждение, требующее замены детали.

1.6 Второстепенные неисправности Теоретическое обоснование: Повреждение не всегда ведет к отказу.

Второстепенная неисправность – это дефект, который не приводит к тому,

что «выходные характеристики системы выходят за допустимые пределы»

[1, с. 11].

Практический пример: Для кофеварки второстепенной неисправностью будет являться выход из строя индикаторной лампочки на переключателе O/I. Это дефект, снижающий удобство использования, но не приводящий к «потере работоспособности системы». Такой дефект может быть устранён ремонтом или вовсе игнорироваться пользователем.

1.7 Надежность системы Теоретическое обоснование: Надёжность системы в целом зависит от

надежности входящих в неё элементов: «третья проблема связана с ростом количества элементов используемых в системе» [1, с. 8]. Чем больше элементов и чем сложнее их взаимодействие, тем выше вероятность отказа системы. Теория надежности изучает «методы синтеза сложных систем по критериям надежности» [1, с. 2; 4].

Практический пример: Кофеварка состоит из нескольких подсистем: ТЭНа, резервуара для воды и блока управления. Отказ одного критически важного элемента (ТЭНа) привел к отказу всей системы. Если бы система имела резервирование (например, два независимых нагревателя), надёжность системы была бы выше, но рост количества элементов усложнил бы конструкцию и удорожил прибор.

1.8 Разновидности надежности Теоретическое обоснование: Разделяют «аппаратную надёжность» и

«программную надёжность» [1, с. 4].

Практический пример:

Именно аппаратная надёжность была нарушена в нашем случае –

13

физическое разрушение ТЭНа из-за накипи.

Программная надёжность для нашего примера не применима, так как устройство без программного управления.

1.9 Назначение ремонта Теоретическое обоснование:

«Ремонтопригодность – приспособленность системы к предупреждению, обнаружению и ликвидации отказов» [1, с. 7]. Назначение ремонта – это восстановление работоспособности системы после того, как произошло событие, называемое отказом.

Практический пример: В случае поломки ТЭНа в кофеварке Redmond RCM-M1531, назначением ремонта является «ликвидация отказа». Поскольку эксплуатация изделия с перегоревшим ТЭНом невозможна («работоспособность» утрачена [1, с. 11]), ремонт служит единственным способом возврата системы в состояние, когда она «нормально выполняет заданные функции» .

1.10 Виды ремонтов Теоретическое обоснование: Структура эксплуатации системы

подразумевает разделение работ на техническое обслуживание и ремонт. К ремонтным работам можно отнести действия по восстановлению работоспособности [5].

Практический пример: Для кофеварки RCM-M1531 можно выделить

–Неплановый ремонт с заменой сгоревшего ТЭНа. Этот вид ремонта не был запланирован и потребовался из-за отказа;

–Плановое техническое обслуживание. Согласно инструкции, пользователь должен проводить «очистку и удаление накипи» [2, с. 10]. Хотя это не ремонт в строгом смысле, игнорирование этого процесса привело к необходимости ремонта. «ремонт... должен производиться исключительно специалистом авторизованного сервис-центра» [2, с. 7].

1.11 Характеристика надёжности Теоретическое обоснование: Ключевыми количественными

14

показателями являются наработка (длительность работы до отказа) и срок службы. «Безотказность... оцениваемого наработкой (длительность и объем выполненной работы до первого отказа)» [1, с. 6].

Практический пример: Характеристиками надежности кофеварки

Redmond RCM-M1531 являются:

–Наработка на отказ. Фактическая наработка до поломки ТЭНа в нашем случае была меньше потенциально возможной из-за образования накипи.

–Срок службы. Производитель заявляет: «Установленный производителем срок службы прибора составляет 3 года» [2, с. 11]. Это нормативная характеристика надёжности («долговечность – свойство системы к длительной эксплуатации» [1, с. 6]), которая была снижена из-за условий эксплуатации.

1.12 Избыточность Теоретическое обоснование: Одним из основных способов

повышения надежности является «резервирование» [1, с. 10], что подразумевает введение избыточности (дополнительных элементов или возможностей) сверх минимально необходимых для выполнения основной функции.

Практический пример: В кофеварке Redmond RCM-M1531

избыточность реализована в виде функции «защита от перегрева» [2, с. 8]. Это не основной элемент для приготовления кофе, но он важен для безопасности. В контексте надежности, функциональная избыточность проявляется в системе «капля-стоп» [2, с. 8], которая позволяет извлечь кувшин без протечек. Однако для ТЭНа аппаратного резервирования нет (нет второго нагревателя), поэтому надёжность всей системы зависит от надёжности этого единственного элемента.

15