2. Проблема надёжности технических объектов и пути её решения
Развитие техники характеризуется разработкой и внедрением сложных технических систем и комплексов. В промышленности создаются и уже эксплуатируются объекты с единичной мощностью вырабатываемой энергии несколько тысяч мегаватт, существуют разветвлённые линии транспортировки энергии с высокими параметрами рабочих сред, сложные установки трансформации и потребления энергии. Как правило, получение и передача энергии в любых её формах связаны с использованием высоких температур и давлений жидкостей и газов.
Для современных объектов промышленной энергетики характерно использование материалов, которые подвергаются огромным нагрузкам: механическим, электрическим, радиационным, тепловым, химическим, биологическим и пр. Требования к надёжности таких объектов повышаются в связи с ростом опасности, которую они могут представить для окружающей среды при аварии. Под надёжностью в упрощённом смысле понимают способность объекта выполнять заданные функции во время эксплуатации. Надёжность как внутреннее свойство сложной системы закладывается на этапе проектирования, обеспечивается в процессе конструкторской отработки и производства и реализуется в процессе применения системы по прямому назначению.
Эти три составляющие процесса формирования и проявления надёжности объектов позволяют говорить об определённой формуле или триаде надёжности: надёжность закладывается в объект при разработке, затем обеспечивается в производстве и только потом реализуется в эксплуатации. В эксплуатации первые два этапа наглядно не проявляются и их роль часто совсем не очевидна для обслуживающего персонала и для потребителя энергии. Однако для специалиста важно понимать закономерности и причины изменения надёжности того или иного объекта, для того чтобы при необходимости управлять процессом эксплуатации. Этому может и должна способствовать теория надёжности – наука о методах обеспечения и сохранения надёжности при проектировании, изготовлении и эксплуатации.
Теория надёжности сравнительно молодая наука. Первые попытки чёткой постановки задачи обеспечения надёжности промышленных изделий относятся лишь к 30-м годам нашего столетия. Тогда преимущественно стремились разработать методы приёмочного контроля массовой промышленной продукции. Дальнейшее развитие проблема поддержания надёжности сложных систем получила во время второй мировой войны при создании и эксплуатации радиолокационных станций, устройств связи и других объектов ответственного назначения, отказ которых мог иметь тяжёлые последствия. В этот же период стали интенсивно развиваться математические методы в теории надёжности. Математика в теории надёжности используется для построения моделей изучаемых процессов, количественной оценки показателей, а также для прогнозирования событий, связанных с обеспечением надёжности.
Применение теории надёжности позволяет решать следующие задачи: - обосновывать требования к вновь создаваемым промышленным объектам; - проектировать объекты и системы с требуемым уровнем надёжности; - планировать объёмы, сроки и способы отработки систем для достижения заданного уровня надёжности;
- обосновывать пути снижения экономических затрат и сокращения времени на отработку изделий;
- повышать качество и стабильность производства;
- выбирать и обосновывать наиболее эффективные мероприятия по обеспечению надёжности на этапах проектирования, конструкторской отработки, изготовления и эксплуатации систем;
- объективно оценивать техническое состояние находящейся в эксплуатации техники;
- разрабатывать научно обоснованные рекомендации, направленные на улучшение техники и методов её эксплуатации.
При решении указанных задач теория надёжности использует несколько важных положений, связанных со случайным характером событий и процессов, происходящих с объектом. Объект в каждый момент времени может находиться только в одном из строго оговоренных состояний. Это состояние может быть известно исследователю с определённой вероятностью, причём закон, определяющий данную вероятность, часто выявляется только при специальных испытаниях или во время эксплуатации.
Отказ объекта рассматривается в теории надёжности как случайное событие. Переход объекта из работоспособного состояния в неработоспособное представляется как случайный процесс, который в свою очередь может состоять из нескольких этапов. Наработка объекта с момента начала эксплуатации до очередного отказа является непрерывной случайной величиной с некоторым законом распределения. Таким образом, ясно, что для получения выводов, рекомендаций и количественных оценок надёжности требуется использовать закономерности теории вероятности и математической статистики.
Современный уровень развития этих наук характеризуется высоким уровнем формализации понятий, определений, выводов и требует определённого развития абстрактного мышления. Решение прикладных задач оценки и прогнозирования надёжности связано с применением элементов регрессионного и корреляционного анализа, методов статистической проверки гипотез распределения случайных величин, интервальной и точечной оценки параметров распределения и некоторых других математических методов. Такими методами владеют, как правило, специалисты с углублённой математической подготовкой.
Одновременно следует отметить, что решение основных задач теории надёжности неразрывно связано с глубоким пониманием физических процессов, происходящих в объектах эксплуатации. Знание закономерностей процессов накопления повреждений при комплексном действии эксплуатационных факторов способствует выявлению причин отказов, установлению их связи с условиями эксплуатации. Это необходимо для построения достоверных моделей надёжности и в конечном итоге для получения корректных количественных оценок. Подобные задачи более близки специалисту в прикладной области знаний.
Таким образом, можно утверждать, что теория надёжности является наукой комплексной, и что математические методы занимают в ней существенное место. Но эти методы должны быть подчинены запросам практики, инженерным требованиям. Поэтому следует ожидать, что наиболее интересные и практически значимые результаты при решении задач обеспечения надёжности объектов энергетики могут быть получены инженерами-энергетиками, которые освоили расчётные методы теории надёжности и имеют твёрдые навыки их применения.
Теория надёжности является развивающейся наукой, имеющей многочисленные связи с современной инженерной практикой. Она родилась из задач практики, и её результаты находят немедленное использование в реальных ситуациях. Несмотря на имеемые к концу 20-го века положительные результаты от применения методов теории надежности в различных отраслях техники, остаются нерешёнными многие важные проблемы, основные из которых в кратком изложении заключаются в следующем:
- разработка программ ускоренных эквивалентных испытаний для малосерийных или уникальных объектов. Их целью является получение индивидуальной оценки надёжности объектов с длительным сроком службы за ограниченное время испытаний;
- создание методики прогнозирования надёжности объектов в условиях наличия неопределённости действия эксплуатационных факторов и случайного характера процесса потери прочностных свойств материалами основных элементов. Решение этой проблемы способствовало бы предотвращению многочисленных аварий на транспорте и в промышленности; - управление надёжностью объектов путём выбора оптимальных режимов эксплуатации, планирования технического обслуживания и формирования необходимого комплекта запасных частей; - оценка надёжности сложных систем с учётом влияния эргатического фактора. Известно, что роль оператора или другого лица, принимающего решение, в отдельных случаях является определяющей в обеспечении безотказности систем. Анализ крупных аварий на транспорте и в энергетике показывает, что создание систем и объектов, защищённых от ошибочных действий человека, и одновременно разработка методов прогнозирования показателей надёжности с учётом таких действий являются чрезвычайно актуальными; - и ряд других.
Нет сомнения в том, что с дальнейшим развитием технического прогресса возникнут новые проблемы, которые предстоит решать теории надёжности.