Основы теории надежности. Учебное пособие

Министерство образования и науки Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

В.Г. АТАПИН

ОСНОВЫ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

НОВОСИБИРСК

2017

1

УДК 62-192(075.8) А 92

Рецензенты:

д-р техн. наук, профессор Г.А. Куриленко канд. техн. наук, доцент В.П. Гилета

Работа подготовлена на кафедре прочности летательных аппаратов для студентов механико-технологического факультета по направлению 23.03.03 «Эксплуатация транспортно-

технологических машин и комплексов»

Атапин В.Г.

А 92 Основы теории надежности: учебное пособие / В.Г. Атапин. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2017. – 94 с.

ISBN 978-5-7782-3230-3

Изложены основы теории надежности технических систем. Приведены основные термины и определения надежности, рассмотрены показатели надежности систем и методы их расчета.

Предназначено для студентов механико-технологического факультета НГТУ по направлению 23.03.03 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов».

УДК 62-192(075.8)

ISBN 978-5-7782-3230-3

Атапин В.Г., 2017

Новосибирский государственный технический университет, 2017

2

дения мероприятий по обеспечению надежности изделий на этих стадиях. Отметим здесь два основных направления по обеспечению надежности изделий:

1)направление, которое учитывает конструктивные (выбор материала и оптимальной технологии их обработки, коэффициента запаса и др.) и технологические (уменьшение допусков, повышение чистоты поверхности и др.) методы обеспечения надежности;

2)направление, которое направлено на обеспечение эксплуатационной надежности (стабилизация условий эксплуатации, совершенствование методов технического обслуживания и ремонта и т. п.).

Учебная дисциплина «Основы теории надежности» включена в состав дисциплин учебного плана студентов, обучающихся по направлению 23.03.03 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов». Поэтому целью учебной дисциплины «Основы теории надежности» является формирование у студентов научных знаний и профессиональных навыков по теории надежности и их использованию при решении практических задач технической эксплуатации транспортно-технологических машин и комплексов.

5

1.ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

ИПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ

1.1.Понятия надежности

Определения. Надёжность есть 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 [2].

Границ понятия «надежность» не изменяет следующее определение: надёжность – свойство объекта сохранять во времени способность к выполнению требуемых функций в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования [2]. Это определение применяют тогда, когда параметрическое описание нецелесообразно (например, для простейших объектов, работоспособность которых характеризуется по типу «да–нет») или невозможно (например, для систем машина–оператор, не все свойства которых могут быть охарактеризованы количественно).

Объект (объект исследования) – предмет, подлежащий исследованию. Объектом могут быть система и части системы, изделие и группа изделий, технические сооружения, оснащенные разнообразными техническими средствами и укомплектованные обслуживающим персоналом.

В теории надежности рассматриваются следующие обобщенные объекты:

система – совокупность элементов с указанием связей между ними и цели функционирования;

элементы системы – комплектующие части, входящие в состав системы;

изделие – любой предмет или набор предметов производства, подлежащих изготовлению на предприятии (например, автомобиль, станок, подшипник).

Понятия элемента и системы трансформируются в зависимости от поставленной задачи. Машина, например, при установлении ее собственной надежности рассматривается как система, состоящая из отдельных элементов – механизмов, деталей и прочее, а при изучении надежности автоматической линии – как элемент.

6

Различают:

невосстанавливаемые изделия (неремонтируемые), которые не могут быть восстановлены потребителем и подлежат замене, например, электрические лампы, подшипники, тормозные колодки и др.;

восстанавливаемые изделия (ремонтируемые), которые могут быть восстановлены потребителем, например, автомобиль, станок,

двигатель внутреннего сгорания, коробка передач.

Существуют системы смешанного типа, у которых часть элементов может восстанавливаться, а другая – нет.

Состояния и события. При эксплуатации объекта имеют место следующие основные состояния и события:

работоспособность – состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации. Работоспособность не касается требований, непосредственно не влияющих на эксплуатационные показатели, например, повреждение окраски;

неработоспособность – состояние объекта, при котором значение хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям норматив- но-технической и (или) конструкторской (проектной) документации;

исправность – состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации;

неисправность – состояние объекта, при котором он не соответствует хотя бы одному из требований нормативно-технической и (или)

конструкторской (проектной) документации. Отсюда следует, что когда автомобиль может выполнять свои основные функции, но не отвечает всем требованиям (например, помято крыло), он работоспособен, но неисправен;

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

отказ – событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта; при этом прекращается транспортный процесс (остановка на линии, преждевременный возврат с линии и т. п.);

повреждение – событие, заключающееся в нарушении исправного состояния объекта при сохранении его работоспособного состояния.

7

Свойства. Надёжность является комплексным свойством и включает в себя: безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость.

Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки.

Долговечность – свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта. Для невосстанавливаемых изделий понятия долговечности и безотказности практически совпадают.

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

Сохраняемость – свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способности объекта выполнять требуемые функции, в течение и после хранения и (или) транспортирования.

1.2. Классификация отказов

Определения

Критерий отказа – признак или совокупность признаков нарушения работоспособного состояния объекта, установленные в норматив- но-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.

Причина отказа – явления, процессы, события и состояния, вызвавшие возникновение отказа объекта.

Последствия отказа – явления, процессы, события и состояния, обусловленные возникновением отказа объекта.

Классификация отказов. Классификация отказов необходима для выявления их причин и разработки мер по предупреждению и устранению. Существует несколько квалификационных признаков, которые рассмотрим на примере автомобильного транспорта [9].

1. По влиянию на работоспособность объекта различают:

отказ его элементов;

отказ, вызывающий неисправность или отказ объекта в целом. Например, перегорание лампы плафона вызывает отказ лампы

(элемента), но не автомобиля, а отказ тормозной системы или рулевого управления является одновременно и отказом автомобиля, так как при этом нельзя продолжать движение.

8

2. По источнику возникновения различают:

конструктивный отказ – отказ, возникший по причине, связанной с несовершенством или нарушением установленных правил и (или) 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 (или) условий эксплуатации (например, перегрузкой автомобиля, применением нерекомендуемых топлив или смазочных материалов и т.п.).

3. По связи с отказами других элементов различают:

зависимый отказ – отказ, обусловленный другими отказами (например, задиры зеркала цилиндра двигателя из-за разрушения поршневого кольца, отказ аккумуляторной батареи из-за неисправности реле-регулятора);

независимый отказ – отказ, не обусловленный другими отказами (например, прокол шины на дороге).

4. По характеру (закономерности) возникновения и возможности прогнозирования различают:

постепенный отказ – отказ, возникающий в результате постепенного изменения значений одного или нескольких параметров объекта. Для постепенных отказов характерен последовательный переход объекта из исправного начального состояния в состояние отказа через ряд промежуточных состояний. Особенность постепенных отказов заключается, во-первых, в том, что они в принципе могут быть предотвращены в результате своевременного выполнения технического обслуживания (ТО). Вторая их особенность состоит в монотонности изменения технического состояния, что создает предпосылки для его прогнозирования. На постепенные отказы приходится от 40 до 70 % всех отказов;

внезапный отказ – отказ, характеризующийся скачкообразным изменением значений одного или нескольких параметров объекта. Примером внезапного отказа является повреждение или разрушение вследствие превышения допустимого уровня нагрузки, которое в принципе может произойти в любой момент работы изделия;

перемежающийся отказ – многократно возникающий самоустраняющийся отказ одного и того же характера. Такой отказ, например, возникает при ослаблении крепления электрического контакта.

9

5.По частоте возникновения (наработке) для современных авто-

мобилей различают отказы с малой наработкой (3…4 тыс. км), со средней наработкой (до 12…16 тыс. км) и с большой наработкой

(свыше 12…16 тыс. км).

Наработка – продолжительность или объем работы объекта; наработка может быть как непрерывной величиной (продолжительность работы в часах, пробег в километрах и т. п.), так и целочисленной величиной (число рабочих циклов, запусков и т. п.).

6.По трудоёмкости устранения отказы можно разделить на требующие малую (до 2 чел.-ч), среднюю (2…4 чел.-ч) и большую (свыше 4 чел-ч) трудоёмкость восстановления автомобиля. Средняя трудоёмкость устранения одного отказа современного автомобиля в зависимости от грузоподъёмности (вместимости) и конструктивных особенностей составляет 1,5…2 чел.-ч. Например, у автомобилей МАЗ 87 % отказов имеет малую и среднюю трудоёмкость. На остальные 13 % отказов приходится более 78 % общей трудоёмкости ремонта и 82 % всей продолжительности простоев в ремонте.

7.По влиянию на потери рабочего времени автомобиля отказы подразделяют на отказы, устраняемые:

без потери рабочего времени, т.е. при ТО или в нерабочее (меж-

сменное) время,

с потерей рабочего времени.

В качестве примера ниже приведена доля отказов (в процентах) агрегатов и систем, которые устраняются с потерей рабочего времени (автомобиль большой грузоподъемности): рама – 100 %, двигатель – 78 %, коробка передач – 75 %, сцепление – 65 %, кузов – 61 %, задний мост – 29 %, передний мост – 25 %, электрооборудование – 23 %, подвеска – 21 %, система питания – 17 %.

1.3. Возможные причины отказов

Возможные причины отказов рассмотрим на примере автомобильного транспорта. Они обусловлены работой узлов механизмов, случайными причинами, а также воздействием внешних условий работы и хранения автомобиля. К случайным причинам относятся скрытые дефекты, перегрузки конструкции и т. п.

10