УМК ВиН correp / КЛ / Лекция 1. Введение в курс

6

Вводная лекция по курсу «Взаимозаменяемость и надежность»

План лекции

Вв1. Специфика курса, цель его изучения, объем и виды учебной работы

Вв2. Основные понятия курса

Вв3. Связь надежности с взаимозаменяемостью. Содержание разделов

Рекомендуемая литература

А) основная литература:

1. Александровская Л.Н., Афнасьев А.А., Лисов А.А. Современные методы обеспечения безотказности сложных технических систем: Учебник. – М.: Логос, 2003. - 208 с.

2. Анухин В.И. Допуски и посадки: Учебное пособие. – СПб.: Питер, 2008. – 207 с.

3. Белкин В.М. Допуски и посадки (Основные нормы взаимозаменяемости). – М.: Машиностроение, 1992.- 528 с.

4. Острейковский В.А. Теория надежности: Учебник для вузов. М.: - Высш. шк., 2008. - 463 с.

5. Чернышев А.А. Основы конструирования и надежности ЭВС. – М.: Радио и связь, 1998. - 448 с.

Б) дополнительная литература:

1. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1964. – 576 с.

2. Голинкевич Т.А. Прикладная теория надежности. – М.: Высш. шк., 1985.- 168 с.

3. Дунин-Барковский И.В. Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения. – М.: Издательство стандартов, 1987. - 352 с.

4. Дыкин В.И. Основы стандартизации в приборостроении: Учебное пособие для вузов. – Рязань: РГРТА, 2001. - 152 с.

5. Иыду К.А. Надежность, контроль и диагностика вычислительных машин и систем. – М.: Высш. шк.,1989. - 216 с.

6. Марков Н.Н., Осипов В.В., Шабалина М.Б. Нормирование точности в машиностроении

/ Под ред. Ю.М.Соломенцева. – М.: Высш. шк., 2001. - 335 с.

7. Смирнов Н.В., Дунин-Барковский Н.В. Курс теории вероятностей и математической статистики для технических приложений. – М.: Наука, 1969. – 512 с.

8. Труханов В.М. Надежность технических систем типа подвижных установок на этапе проектирования и испытаний опытных образцов. – М.: Машиностроение, 2003. - 320 с.

9. Черкесов Г.Н. Надежность аппаратно-программных комплексов. – СПб.: Питер, 2005. – 479 с.

10. Якушев А.И. Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения. – М.: Машиностроение,1986.

11. Яншин А.А. Теоретические основы конструирования, технологии и надежности ЭВА. – М.: Радио и связь. – 312 с.

12. Взаимозаменяемость и надежность: методические указания к лабораторным работам / Рязан. гос. радиотехн. ун-т; сост.: В.П. Федоров, Ю.В. Рябцов, Ю.М. Цыцаркин. - Рязань, 2008. - 24 с.

13. Взаимозаменяемость и технические измерения: Методические указания к лабораторным работам / Рязан. радиотехн.ин-т: сост. Ю.Л.Виноградов, В.П.Федоров, В.Н.Шемякина. – Рязань, 1989. - 36 с.

14. Надежность информационных систем: Методические указания к лабораторным работам / Рязан. гос. радиотехн. ун-т; сост.: А.Н. Шестеркин. – Рязань, 2006. – 40 с.

Вв1. Специфика курса, цель его изучения, объем и виды учебной работы

Изучение взаимозаменяемости и надежности традиционно входит в программы подготовки студентов по направлению «Проектирование и технология электронных средств». Ранее взаимозаменяемость и надежность изучались в отдельных курсах: «Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения» и «Теоретические основы конструирования и надежности». В объединении указанных дисциплин есть определенная искусственность, но есть и несомненные основания (будут рассмотрены далее).

В результате изучения дисциплины студенты должны знать базовые понятия и определения теории надежности, применяемые в ней элементы теории вероятностей и математической статистики, классические методы обеспечения надежности и ее оценки, виды взаимозаменяемости и способы ее осуществления. Студенты должны овладеть навыками расчета показателей надежности ЭВС, а также навыками практического применения основ стандартизации (в частности, стандартизации точности изготовления деталей и сборки узлов, применения системы допусков и посадок). Необходимо научиться проведению соответствующих измерений и испытаний.

Учебная работа по плану включает 32 ч лекций, 4 лаб. работы по 4 ч, 5 часов индивидуальных занятий и 31 ч самостоятельной работы. Вид итогового контроля – зачет.

Вв2. Основные понятия курса

Вв2.1. Взаимозаменяемость (Interchangeability) – пригодность одного изделия, процесса или услуги для использования вместо другого изделия, процесса или услуги в целях выполнения одних и тех же требований.

Взаимозаменяемостью (В) в конструировании называют принцип нормирования требований к размерам и другим (не только геометрическим) параметрам деталей и узлов, благодаря чему оказывается возможным изготавливать элементы конструкций независимо и собирать или заменять их без дополнительной обработки при соблюдений технических требований к изделию.

Различают полную и неполную взаимозаменяемость. Полная В представляет собой свойство множества независимо изготовленных изделий одного типа, обеспечивающее их равноценную замену в конструкции без дополнительной обработки, пригонки, подбора при выполнении технических условий и достижении заданных показателей качества технического устройства.

Одна из главных целей В – удешевление производства и эксплуатации изделий. Это достигается за счет упрощения процесса проектирования, специализации предприятий, организации поточного производства, упрощении процессов сборки и ремонта, экономии всех видов ресурсов при эксплуатации.

ИЗ ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ. Пример с инспекцией оружейных заводов в XVIII в.: брали 25 ружей, разбирали их, перемешивали все составные части, затем вновь собирали; результат проверки считался положительным, если вновь собранные 25 ружей оказывались работающими. Ясно, что такой подход к делу самым положительным образом сказался на надежности вооружения как системы.

Основа достижения В – точность. При изготовлении изделия точность отражает степень приближения действительных значений его параметров к заданным.

Точность является важнейшей предпосылкой повышения качества изделий. Так для создания современной конкурентоспособной продукции в некоторых передовых отраслях промышленности требуется обрабатывать материалы уже на молекулярном уровне. Это – и высокая надежность.

Точность также является характеристикой качества измерения, отражающую близость к нулю погрешности результата.

Неудивительна поэтому связь курсов «Взаимозаменяемость» и «Метрология» (в ряде вузов есть даже кафедры с названием «Метрология и взаимозаменяемость»).

Повышение точности связано с увеличением затрат, с увеличением стоимости изделий. При этом стоимость растет нелинейно, как видно из иллюстрируемого табл. 1 примера с шарикоподшипниками, различающимися только классами точности:

Таблица 1

Класс точности шарикоподшипника	0	6	5	4	2
Стоимость в относит. ед.	1	1,9	10	20	100

Рост стоимости ограничивают разделением труда, автоматизацией изготовления и установлением разумных границ точности. Очень важно, что речь идет о стремлении к рациональному обеспечению массовых потребностей. Все это предполагает стандартизацию, то есть «деятельность, направленную на достижение оптимальной степени упорядочения в определенной области посредством установления положений для всеобщего и многократного использования…»( ISO/IEC GUIDE 2: 1996).

[Взаимозаменяемость, стандартизация, качество… Это – безусловно, необходимые предпосылки стремления ко всеобщему комфорту. Но не приводит ли это стремление к, подчас, противоположному результату? Цивилизация развивается больше «вширь», а не «ввысь»].

Вв2.2. Надежность

Вв2.2.1. Определение. Общая характеристика сторон и показателей надежности.

Среди множества различных свойств изделий, составляющих качество изделий, есть одно общее свойство, без учета которого все остальные теряют смысл: это надежность (Reliability) – способность изделия выполнять требуемые функции в заданных условиях в течение заданного периода времени. Надежность системы или ее отдельных элементов – свойство системы (элементов) выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в необходимых пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, хранения и транспортирования (ГОСТ 27.002-83).

Как сказано в замечательной книге Джеймса Э. Гордона «Конструкции или Почему не ломаются вещи»: «…В конечном итоге все сооружения будут разбиты или разрушатся сами. Отложить это на некий приличный срок – задача инженеров. Весь вопрос заключается в том, каков же этот «приличный срок». Каждая конструкция должна быть надежной в течение определенного времени службы. Для ракеты это могут быть несколько минут, для автомобиля или самолета – 10-20 лет, для собора – тысячелетия».

Надежность (Н) – многостороннее свойство. К частным простым свойствам, являющимся отдельными сторонами Н объекта, относятся, в частности:

а) безотказность – свойство объекта (изделия) непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени, или некоторой наработки;

б) долговечность- свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта;

в) ремонтопригодность – приспособленность объекта к предупреждению и обнаружению отказов и восстановлению работоспособности путем проведения ремонта, замены отказавших комплектующих элементов;

г) оказоустойчивость – свойство, определяемое количеством одновременно отказавших компонентов системы, приводящих к прекращению работы.

При анализе признаков в) и г) очевидна связь с взаимозаменяемостью.

Можно назвать еще такие свойства, как: д) живучесть, е) сохраняемость …

Для вычислительных систем важным свойством является достоверность выдаваемой информации. ЭВС может обладать высокой безотказностью, хорошей ремонтопригодностью, сохраняемостью, быть достаточно долговечным, но в то же время давать сбои, искажающие информацию (по причинам самого разного характера).

Следует вспомнить, что для средств вычислительной техники кроме аппаратной надежности, обусловленной состоянием аппаратуры, не менее важное значение имеет Н, обусловленная состоянием программ (без программного обеспечения вычислительная система – «мертвый» набор аппаратных средств).

Надежность современных программных комплексов во многом зависит от точности вычислений (например, накопление погрешности округления при численном интегрировании может привести к неустойчивости вычислительного процесса и соответственно к отказу системы; грубые вычисления не дают надежных результатов).

Есть показатели Н, которые дают количественную характеристику отдельных ее сторон (например, средняя наработка до отказа является показателем безотказности), а есть комплексные показатели, в первую очередь, коэффициент готовности.

В теории Н при установлении закономерностей возникновения отказов системы и ее элементов, при установлении влияния внешних и внутренних воздействий, при оценке показателей Н изучаются случайные события, применяются вероятностно-статистические методы… Элементы теории вероятностей и математической статистики, применяемые в теории Н, должны найти должное место в настоящем курсе лекций.

Вв2.2.2. Обеспечение и оценка надежности. Особенности надежности ЭВС.

Надежность (Н) закладывается, реализуется и поддерживается на этапах жизненного цикла изделий (начиная уже с этапа составления ТЗ). Здесь важно все: продуманность вопросов надежности на этапах проектирования, обнаружение и исправление ошибок в разрабатываемой технической документации, контроль на всех стадиях процесса производства, организация и проведение технического обслуживания и ремонта на этапе эксплуатации (примеры приводятся). Обеспечение высокой надежности изделий требует знания и анализа факторов, от которых она зависит. Необходимо не только получать статистические данные об отказах, но и анализировать причины их возникновения, исследуя при этом процессы в системе и ее элементах. Необходимо оценивать запасы прочности и устойчивости систем к различного рода внешним воздействиям, способность оборудования сохранять нормальное функционирование при отдельных ошибках обслуживающего персонала.

Серьезная проблема – оценка Н. Источниками сведений о надежности являются реальная эксплуатация и испытания аппаратуры (ее элементов). История техники знает примеры совершенствования конструкций «дарвиновским» методом: пускать в эксплуатацию изделия с неизвестными показателями надежности, а затем – на основании выявленных (какой ценой?) дефектов – доводить изделия до совершенства. Согласно современной концепции обеспечения качества продукции негодные изделия (брак) должны быть отсечены от потребителя. Отсюда очевидна важная роль испытаний на надежность. Эти испытания проводятся для определения значений показателей надежности изделий в заданных условиях (определительные испытания) или для вынесения «вердикта» о соответствии (несоответствии) изготовленных устройств заданным требованиям по Н (контрольные испытания).

В процессе испытаний широко применяется выборочный метод (то есть о характеристиках генеральной совокупности изделий судят по выборкам из указанной совокупности). Здесь уместно снова акцентировать важность вероятностно-статистических методов…

Методы повышения надежности изделий ЭВС весьма разнообразны: среди них можно выделить конструктивные методы, структурные (связанные прежде всего с различными видами резервирования), информационные… Улучшение Н часто требует дополнительных затрат при разработке, изготовлении и эксплуатации оборудования. Установление требований к надежности ЭВС (как и многих изделий другого рода) представляет собой сложную технико-экономическую задачу. (Пример на тему обеспечения оптимальной надежности).

В основе наибольших достижений в повышении надежности технических устройств лежат, как правило, фундаментальные открытия в области теории и технологий. К изделиям электронно-вычислительной техники это относится едва ли не в первую очередь. Если среднее время безотказной работы электронных ламп – элементной базы ЭВМ первого поколения (середина ХХ в.) – было 10³ … 10⁴ ч, то для разработанных к концу ХХ в. полупроводниковых интегральных микросхем этот показатель возрос до 10⁸ … 10⁹ ч.

Важная особенность надежности электронно-вычислительных средств (ЭВС): она определяется не только надежностью аппаратных средств, но и надежностью программного обеспечения. И если надежность аппаратуры с увеличением времени ее эксплуатации снижается, то надежность программного обеспечения (по мнению авторитетных специалистов) со временем растет.

Вв3. Связь надежности с взаимозаменяемостью. Содержание разделов

Уже из данной выше общей характеристики взаимозаменяемости и надежности между ними видна определенная связь.

Прежде всего, В и Н развиваются на основе стандартизации. Именно в результате стандартизации устанавливаются нормы, правила и характеристики, обеспечивающие взаимозаменяемость продукции, ее высокое качество (и надежность!) в соответствии с уровнем развития науки, техники и технологии, техническую и информационную совместимость.

В этом плане характерно все более широкое применение модульного принципа построения технических систем, когда из конструктивно-, функционально-, информационно- законченных унифицированных устройств (модулей) составляют сложные системы различных типов и типоразмеров. Этот принцип позволяет повысить надежность путем замены отдельных элементов системы при ее ремонте или профилактическом обслуживании.

В и Н достигаются при установлении и выполнении определенных требований точности, повышение которых влечет увеличение стоимости. Противоречие точности со стоимостью также помогают разрешить методы стандартизации.

Конечно, высокой Н и В способствуют современные технологии изготовления и сборки со строгой автоматической повторяемостью операций.

Как будет видно из дальнейшего лекционного материала, и в разделе «Взаимозаменяемость» и особенно в разделе «Надежность» применяется теория вероятностей.

Современные технологии (особенно сетевые) требуют расширения понятия взаимозаменяемость. Так важным направлением в повышении надежности технических средств является распределение выполняемых функций между множеством элементов и резервирование. Например, высочайшая надежность Интернет обусловлена тем, что работа сети поддерживается множеством компьютеров, территориально рассредоточенных по всему миру; у сети нет центра, уничтожение которого вызвало бы нарушение ее деятельности. Еще пример – летящая к целям группа ракет, каждая из которых способна взять на себя функции других.

Что предполагается изучать в разделах «Взаимозаменяемость» и «Надежность»

1) Виды взаимозаменяемости. Взаимозаменяемость по геометрическим параметрам. Номинальный, действительный и предельный размеры. Допуск, поле допуска. Понятие о системе допусков и посадок; система отверстия, система вала. Единая система допусков и посадок. Взаимозаменяемость по форме, расположению и шероховатости поверхности. Размерные цепи и их расчет. Неполная взаимозаменяемость: ее целесообразность и методы осуществления. Вероятностный расчет посадок и размерных цепей.

Взаимозаменяемость изделий и сборочных единиц по негеометрическим параметрам.

Взаимозаменяемость и методы стандартизации.

2) Основные характеристики надежности элементов и систем. Характеристики случайных величин и случайных событий. Основы расчетов надежности ЭВС. Определение средней наработки на отказ и коэффициента готовности сложного изделия. Структурная надежность ЭВС. Резервирование. Испытания электронных средств на надежность. Значение и виды испытаний на надежность. Определительные испытания на надежность: цель, планы проведения, методы обработки результатов. Контрольные испытания на надежность. Надежность изделий ЭВС с учетом надежности программ.

В билет при сдаче зачета войдут один теоретический вопрос и одна задача (например, по определению объема выборки при планировании испытаний на надежность, по определению показателей надежности на основании полученных в процессе испытаний статистических данных, по расчету размерных цепей и др.)