1. Основные понятия надёжности. Классификация отказов. Составляющие надёжности

Термины и определения, используемые в теории надёжности, регламентированы ГОСТ Р 53480-2009 «Надёжность в технике. Термины и определения». Термины, устанавливаемые настоящим стандартом, рекомендуются для применения во всех видах документации и литературы в области надежности в технике, входящих в сферу работ по стан­дартизации и (или) использующих результаты этих работ. Настоящий стандарт разработан с учетом основных нормативных положений международного стандарта МЭК 60050 (191):1990-12 "Надежность и качество услуг" (IEC 60050 (191):1990-12 "DeRendability and quality of service", NEQ).

1.1 Основные понятия

Теория надежности опирается на совокупность различных понятий, определений, терминов и показателей, которые строго регламентируются в государственных стандартах (ГОСТ). Все термины и определения даются применительно к техническим объектам целевого назначения, рассматриваемым в периоды проектирования, производства, эксплуатации и

испытании на надежность.

В теории надежности используют понятия объект, элемент, система.

Объект — техническое изделие определенного целевого назначения, рассматриваемое в периоды проектирования, производства, испытаний и эксплуатации.

Объектами могут быть различные системы и их элементы, в частности сооружения, установки, технические изделия, устройства, машины, аппараты, средства измерений и контроля и их части, агрегаты и отдельные детали. Например, автомобиль, двигатель автомобиля, электрический стартер, сцепление, коробка передач, свеча зажигания, гидроусилитель рулевого управления, аварийный выключатель подачи топлива, система бортовой самодиагностики, система активной защиты водителя и пассажиров.

Элемент системы — объект, представляющий отдельную часть системы. Само понятие элемента условно и относительно, так как любой элемент, в свою очередь, всегда можно рассматривать как совокупность других элементов.

Понятия система и элемент выражены друг через друга, поскольку одно из них следовало бы принять в качестве исходного, постулировать. Понятия эти относительны: объект, считавшийся системой в одном исследовании, может рассматриваться как элемент, если изучается объект большего масштаба.

Кроме того, само деление системы на элементы зависит от характера рассмотрения (функциональные, конструктивные, схемные или оперативные элементы), от требуемой точности проводимого исследования, от уровня наших представлений, от объекта в целом.

Человек-оператор также представляет собой одно из звеньев системы человек-машина.

Система — объект, представляющий собой совокупность элементов, связанных между собой определенными отношениями взаимодействующих таким образом, чтобы обеспечить выполнение системой некоторой достаточно сложной функции.

Признаком системности является структурированность системы, взаимосвязанность составляющих ее частей, подчиненность организации всей системы определенной цели. Системы функционируют в пространстве и времени.

В теории надежности рассматриваются следующие обобщенные объекты:

изделие—любая функциональная единица, которую можно рассматривать в отдельности. Примерами изделий могут быть система, подсистема, оборудование, устройство, аппара­тура, узел, деталь, элемент. Изделие может состоять из технических средств, программного обеспечения или их соче­тания и может также в частных случаях включать людей. Группу изделий можно рассматривать как самостоятельное изделие.

элемент — простейшая при данном рассмотрении составная часть изделия, в задачах надежности может состоять из многих деталей;

система — совокупность совместно действующих элементов, предназначенная для самостоятельного выполнения заданных функций.

Понятия «элемент» и «система» трансформируются в зависимости от поставленной задачи. Машина, например, при установлении ее собственной надежности рассматривается как система, состоящая из отдельных элементов — механизмов, деталей и т.д., а при изучении автоматической линии — как элемент.

В технике наиболее часто встречается понятие «техническая система», а в условиях производства - «технологнческая система».

Есть несколько определений «техническая система» (ТС). Это:

- искусственно созданные объекты, предназначенные для удовлетворения определенной потребности, которым присущи возможность выполнения не менее одной функции, многоэлементность, иерархичность строения, множественность связей между элементами, многократность изменения состояний и многообразие потребительских качеств.

- искусственно созданная система, предназначенная для удовлетворения определенных потребностей и состоящая из технических компонентов. В компоненты социотехнических систем (организационно-технических) наряду с техническими компонентами включают человека или коллективы людей, например цех, отдел, фирма.

- совокупность взаимосвязанных материальных частей (элементов), предназначенная для повышения эффективности деятельности человека (общества) и обладающая хотя бы одним свойством, которым не обладает ни одна из составляющих её частей.

Рис.1.1. Основные свойства технических систем

Технологическая система - совокупность функционально взаимосвязанных средств технологического оснащения, предметов производства и исполнителей для выполнения в регламентированных условиях производства заданных технологических процессов или операций.

К предметам производства относятся: материал, заготовка, полуфабрикат и изделие, находящиеся в соответствии с выполняемым технологическим процессом в стадии хранения, транспортирования, формообразования, обработки, сборки, ремонта, контроля и испытаний.

Различают изделия восстанавливаемые, которые при данных условиях после отказа могут быть возвращены в состояние, в котором они способны выполнить требуемую функцию (т.е. могут быть восстановлены потребителем, например, станок, автомобиль, радиоприемник) и невосстанавливаемые, которые при данных условиях после отказа не могут быть возвращены в состояние, в котором они способны выполнить требуемую функцию (т.е. не могут быть восстановлены потребителем и подлежат замене, например, электрические и электронные лампы, подшипники качения и т.д.). Необходимо учитывать, что понятие «данные условия» могут включать в себя климатические, технические или экономические обстоя­тельства. С другой стороны изделие, которое является восстанавливаемым при одних данных условиях, может быть невосствнавливаемым при других условиях.

При анализе надежности, особенно при выборе показателей надежности изделия, существенное значение имеет решение, которое должно быть принято в случае отказа изделия. Если в рассматриваемой ситуации восстановление работоспособности данного изделия при его отказе по каким-либо причинам признается нецелесообразным или неосуществимым (например, из-за невозможности прерывания выполняемой функции), то такое изделие в данной ситуации является невосстанавливаемым. Таким образом, одно и то же изделие в зависимости от особенностей или этапов эксплуатации может считаться восстанавливаемым или невосстанавливаемым. Например, аппаратура метеоспутника на этапе хранения относится к восстанавливаемой, а во время полета в космосе - невосстанавливаемой. Более того, даже одно и то же изделие можно отнести к тому или иному типу в зависимости от назначения: ЭВМ, используемая для неоперативных вычислений, является объектом восстанавливаемым, так как в случае отказа любая операция может быть повторена, а та же ЭВМ, управляющая сложным технологическим процессом в химии, является объектом невосстанавливаемым, так как отказ или сбой приводит к непоправимым последствиям.

В реальных условиях на этапах жизненного цикла изделий возникает невыполнение требований, связанных с предполагаемым или установленным использованием. Стандарт определяет это термином дефект. Однако этот термин следует использовать чрезвычайно осторожно. Известно, что имеется еще один термин, определяющий качество изделий – это «несоответствие». Различие между этими понятиями является важным, так как имеется подтекст юридического характера, особенно связанный с вопросами ответственности за качество продукции.

Использоваине того или иного термина потребителем может зависеть от характера информации, такой как инструкции по использованию и техническому обслуживанию, предоставляе­мые поставщиком.

Необратимые изменения, ухудшающие способность изделия выполнять требуемую функцию, развивающиеся с течением времени, определены термином деградация. Они могут наступить при применении или хранении изделия и быть вызваны внутренними процессами и (или) воздействием окружающей среды.

Под надежностью машины или системы понимают ее способность безотказно работать с неизменными техническими характеристиками в течение заданного промежутка времени и при определенных условиях применения. В соответствии с ГОСТ Р 53480-2009надежность - это свойство готовности и влияющие на него свойства безотказности и ремонтопригодности, и поддержка технического обслуживания (второй термин используют только для общего неколичественного опи­сания надежности).

Следовательно, надежность машинной системы характеризуется вероятностью безотказной работы в течение заданного промежутка времени.

Надёжность изделия (объекта) характеризуется следующими основными состояниями и событиями.

Состояние изделия

Неисправность - состояние изделия, характеризующееся неспособностью выполнить требуемую функцию, исключая такую неспособность во время профилак­тического технического обслуживания или других запланированных действий или из-за нехватки внешних ресурсов. Часто используют еще одно определение «неисправности» - это состояние объекта, при котором он не соответствует хотя бы одному из требований, установленных НТД.

Работоспособное состояние - состояние изделия, при котором оно способно выполнить требуемую функцию при условии, что предоставлены необходимые внешние ресурсы.

Неработоспособное состояние - состояние изделия, при котором оно не способно выполнить требуемую функцию по любой причине.

Изделие в одно и то же время может иаходиться в работоспособном состоянии для некоторых функций и в неработоспособном состоянии для других функций. Изделие, находящееся в работоспособном состоянии, обеспечивает в определенных условиях максимальную эффективность его применения.

Интервал времени, в течение которого изделие находится в работоспособном состоянии носит название продолжительность работоспособного состояния.

Неработоспособное состояние изделия в общем случае может быть по внутренней или внешней причинам. Неработоспособное состояние по внутренней причине -это такое состояние изделия, при котором оно неспособно выполнить требуемую функцию из-за внутренней неисправности или профилактического технического обслужива­ния. Неработоспособное состояние по внешней причине -это такое состояние изделия, при котором оно неспособно выполнить требуемую функцию из-за отсутствия или нехватки внешних ресурсов.

Предельное состояние - состояние изделия, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна по причинам опасности, экономическим или экологическим. Признаком придельного состояния, по которому принимают решение о его наступлении, является критерий предельного состояния. Состояние изделия, которое может привести к тяжелым последствиям (травмирование людей, значительный материальный ущерб, неприемлимые экологические последствия) именуется критическим состоянием.

Признаки (критерии) предельного состояния устанавливаются нормативно-технической документацией (НТД) на конкретное изделие.

Невосстанавливаемое изделие достигает предельного состояния при возникновении отказа или при достижении заранее установленного предельно допустимого значения срока службы или суммарной наработки, устанавливаемых из соображений безопасности эксплуатации в связи с необратимым снижением эффективности использования ниже допустимой или в связи с увеличением интенсивности отказов, закономерным для изделий данного типа после установленного периода эксплуатации.

Для восстанавливаемых изделий переход в предельное состояние определяется наступлением момента, когда дальнейшая эксплуатация невозможна или нецелесообразна вследствие следующих причин:

— становится невозможным поддержание его безопасности, безотказности или эффективности на минимально допустимом уровне;

— в результате изнашивания и (или) старения изделие пришло в такое состояние, при котором ремонт требует недопустимо больших затрат или не обеспечивает необходимой степени восстановления исправности или ресурса.

Для некоторых восстанавливаемых изделий предельным состоянием считается такое, когда необходимое восстановление исправности может быть осуществлено только с помощью капитального ремонта.

Переход изделия в различные состояния

Отказ - потеря способности изделия выполнить требуемую функцию. Отказ является событием, которое приводит к состоянию неисправнос­ти.

Ошибка - несоответствие между вычисленным, наблюдаемым или измеренным значением или состоянием и истинным, заданным или теоретически правильным значением или состоянием.

Критерий отказа - заранее оговоренные признаки нарушения работоспособно­го состояния, по которым принимают решение о факте наступления отказа. Признаки (критерии) отказов устанавливаются НТД на данное изделие.

Различают:

- полный и частичный отказ. Полный - это отказ, характеризующийся потерей способности изделия выполнять все требуемые функции. Частичный - это отказ, характеризующийся потерей способности изделия выполнять некоторые, не все требуемые функции. Частичной отказ является событием, которое приводит к состоянию частичной неисправности.

- независимый и зависимый отказ. Независимый – это отказ, не вызванный прямо или косвенно другим отказом или неисправностью. Зависимый - это отказ, вызванный другим отказом или неисправностью.

- систематический отказ - отказ, однозначно вызванный определенной причиной, которая может быть устранена только модификацией проекта или производствеиного процесса, правил эксплуатации и документации. Систематический отказ может быть воспроизведен путем преднамеренного создания тех же самых условий, например, с целью определения причины отказа. Систематические отказы является результатом систематической неисправности.

- критический отказ - отказ, который может привести к тяжелым последствиям: травмированию людей, значительному материальному ущербу или неприемлемым экологическим последствиям.

Повреждение - приемлемая для пользователя неполная способность изделия выполнить требуемую функцию.

Временные характеристики изделия

Важным понятием в теории надежности является наработка - это интервал времени, в течение которого изделие находится в состоянии функционирования. Наработка может быть непрерывной величиной (продолжительность работы в часах, километрах пробега и т. п.) и дискретной величиной (число циклов, срабаты­ваний, запусков и т.п.).

Изделие может работать непрерывно или с перерывами. Во втором случае учитывается суммарная наработка. В процессе эксплуатации различают суточную, месячную наработку, наработку до первого отказа, наработку между отказами, заданную наработку и т. д.

Если изделие эксплуатируется в различных режимах нагрузки, то, например, наработка в облегченном режиме может быть выделена и должна учитываться отдельно от наработки при номинальной нагрузке.

В условиях эксплуатации изделий при оценке надежности определяют:

- наработку до отказа - наработка, накопленная от первого использования изде­лия или от его восстановления до отказа;

- наработку до первого отказа - наработка, накопленная от первого использова­ния изделия до его отказа. Наработка до первого отказа является частным случаем наработки до отказа;

- наработку между отказами - суммарная наработка восстанавливаемого изде­лия между двумя последовательными отказами.

Время до восстановления: Интервал времени от момента отказа изделия да момента его восстановления. Когда момент отказа не определен, то предполагают, что интервал вре­мени начинается после обнаружения отказа.

Ресурс – суммарная наработка изделия в течение срока службы.

В технической литературе распространен термин технический ресурс - наработка объекта от начала его эксплуатации до достижения предельного состояния. Обычно указывается, какой именно технический ресурс имеется в виду: до среднего, капитального, от капитального до ближайшего среднего и т. п.

Если конкретного указания не содержится, то имеется в виду ресурс от начала эксплуатации до достижения предельного состояния после всех (средних и капитальных) ремонтов, т.е. до списания по техническому состоянию.

Остаточный ресурс - ресурс, исчисляемый от значения наработки в текущий момент времени.

Срок службы - продолжительность эксплуатации изделия или ее возобновле­ния после капитального ремонта до наступления предельного состояния.

Здесь под эксплуатацией изделия понимается стадия его существования в распоряжении потребителя при условии применения изделия по назначению, что может чередоваться с хранением, транспортированием, техническим обслуживанием и ремонтом, если это осуществляется потребителем.

Остаточный срок службы - срок службы, исчисляемый от текущего момента времени. Средний срок службы - математическое ожидание срока службы.

Срок сохраняемости —календарная продолжительность хранения изделия, в течение и после которой изделие способно выполнять требуемую функцию. Средний срок сохраняемости - математическое ожидание срока сохраняе­мости.

Время между отказами - интервал времени между двумя последовательными отказами восстанавливаемого изделия. Время между отказами включает продолжительность работоспособного состояния изделия и продолжительность неработоспособного состояния изделия.