Основные термины и определения характеристик надежности

Основные понятия, термины и их определения, характеризующие надежность техники и, в частности изделий машиностроения, даны в ГОСТ 27.002-89.

Надежност ь - свойство изделия сохранять в установленных пре­делах времени значения всех параметров, характеризующих способ­ность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения, тран­спортировки и других действий.

Характеристики надежности выра­жают качественную сторону таких объектов, как:

- изделие - единица промышленной продукции, количество кото­рой может исчисляться в штуках (экземплярах), к изделиям допускает­ся относить завершенные и незавершенные предметы производства, в том числе заготовки (ГОСТ 15895-77);

- элемент - составная часть изделия;

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

Понятия «элемент» и «система» могут взаимно трансформиро­ваться в зависимости от поставленной задачи. Например, станок, с точки зрения надежности, можно рассматривать как систему, состоящую из отдельных элементов - узлов, механизмов, деталей и т. д., но станок, установленный в автоматической линии, на которую заданы требования по надежности, рассматривается уже как ее элемент.

Надежность изделия - это комплексное свойство, которое в зави­симости от назначения и условий эксплуатации может включать: без­отказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость, ус­тойчивость работы, режимную управляемость, живучесть и т. п. Одна­ко чаще всего при оценке качества технических изделий определяют значения таких единичных показателей свойств, как безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость.

В зависимости от вида изделия, его назначения и условий экс­плуатации надежность может оцениваться только частью его состав­ных свойств (см. ГОСТ 27.003-90). Если, например, изделие невосстанавливаемое, то для него в комплекс свойств надежности не входит ремонтопригодность.

Безотказность - свойство изделия непрерывно сохранять работо­способность в течение заданного времени, или его наработка в опре­деленных условиях эксплуатации.

Работоспособное состояние - состояние, при котором изделие способно выполнять заданные функции, сохраняя при этом допусти­мые значения всех основных параметров, установленных нормативно-технической документацией (НТД) и (или) проектно-конструкторской документацией.

Исправное состояние - состояние, при котором изделие соответ­ствует всем требованиям нормативно-технической и (или) проектно-конструкторской документации.

Долговечность - свойство изделия сохранять работоспособность, с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремон­та, до его предельного состояния, оговоренного технической докумен­тацией. Долговечность обусловлена наступлением таких событий, как повреждение или отказ.

Повреждение - событие, заключающееся в нарушении исправ­ности изделия.

Неисправное состояние - состояние, при котором изделие не удовлетворяет хотя бы одному из требований нормативно-технической и (или) про­ектно-конструкторской документации.

Неисправное изделие может быть работоспособным. Например, снижение плотности электролита в аккумуляторных батареях, по­вреждение облицовки автомобиля означает неисправное состояние, но такой автомобиль работоспособен. Неработоспособное изделие яв­ляется одновременно и неисправным.

Отказ - событие, в результате которого происходит полная или частичная утрата работоспособности изделия. Отказы классифициру­ют по различным признакам, а именно: по причинам возникновения, характеру возникновения и характеру проявления. Причинами воз­никновения отказов могут быть:

- конструктивные ошибки и недостатки, например: недостаточная прочность отдельных элементов или конструкции; неудачная компо­новка узлов; нетехнологичность конструкции, относящаяся к выпол­нению заготовок, механической и термической обработке, сборке и раз­борке; недостаточная защищенность конструкции от попадания влаги, пыли, от разогрева; назначение материала, не соответствующего услови­ям работы отдельных деталей; неудобство обслуживания и др.;

- производственные недостатки в изготовлении - скрытые дефек­ты (раковины, рыхлости, мелкие трещины, инородные включения, не­однородность материала); некондиционные материалы; нарушения технологии изготовления и сборки и др.;

- неправильная эксплуатация и техническое обслуживание - не­выполнение эксплуатационных инструкций, несоблюдение правил технического обслуживания из-за низкой квалификации обслужи­вающего персонала; неисправности вспомогательных механизмов и т. д.;

- внешние факторы - повышенная или низкая температура, по­вышенная влажность, повышенное или пониженное атмосферное дав­ление, загрязненность воздуха и др.;

- некачественный ремонт - несоответствие материала, технологии изготовления (методов, режимов, точности и качества обработки) и сборки первоначальным условиям изготовления, плохой контроль за проведением ремонта.

По характеру возникновения отказы могут быть:

- внезапными, которые заранее предусмотреть бывает нельзя;

- постепенными, когда условия, приводящие к отказу, накапли­ваются постепенно (износ, перегрев, усталостные явления, старение, деформации);

- периодическими, повторяющимися через некоторые промежутки
времени, по мере накопления условий, приводящих к отказу; после
восстановления нормальных условий (температура, давление и др.) си­стема как бы самовосстанавливается и продолжает функционировать.

Проявления отказов могут быть явными, скрытыми, независимы­ми и зависимыми. Независимым является такой отказ, который не вызван отказом других элементов системы. Отказ какого-либо элемента си­стемы, получившийся в результате отказа других ее элементов, являет­ся зависимым. Отказ может быть также случайным или явно законо­мерным. В теории надежности отказ обычно рассматривается как со­бытие независимое, случайное.

В зависимости от сложности устранения различают отказы, устраняемые в порядке технического обслуживания и при среднем или капитальном ремонте. В зависимости от места устранения различают отказы, устраняемые в эксплуатационных и в стационарных условиях.

Так как долговечность характеризует продолжительность работы изделий по суммарной наработке, прерываемой периодами для вос­становления его работоспособности в плановых и неплановых ремон­тах и техническом обслуживании, то основным мерилом долговеч­ности является наработка и, в частности, технический ресурс.

Наработка - продолжительность (измеряемая, например, в часах или циклах) или объем работы изделия (измеряемый, например, в тон­нах, километрах, кубометрах и т. п. единицах).

Ресурс - суммарная наработка изделия от начала его эксплуата­ции или ее возобновления после ремонта до перехода в предельное со­стояние.

Предельное состояние - состояние изделия, при котором его даль­нейшая эксплуатация (применение) недопустима по требованиям без­опасности или нецелесообразна по экономическим причинам, либо когда восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно из-за неустранимого снижения эффективности. Предельное состояние наступает в результате исчерпания ресурса или в аварийной ситуации.

Срок службы - календарная продолжительность эксплуатации из­делий или ее возобновления после ремонта от начала его применения до наступления предельного состояния.

Неработоспособное состояние - состояние изделия, при котором оно не способно нормально выполнять хотя бы одну из заданных функций. Перевод изделия из неисправного или неработоспособного состояния в исправное или работоспособное происходит в результате восстановления.

Восстановление - процесс обнаружения и устранения отказа (повреждения) изделия с целью восстановления его работоспособности (устранение неисправности). По способности к восстановлению изде­лия подразделяются на восстанавливаемые и невосстанавливаемые.

Восстанавливаемое изделие - изде­лие, работоспособность которого в слу­чае возникновения отказа подлежит восстановлению в рассматри­ваемой ситуации.

Невосстанавливаемое изделие - изде­лие, работоспособность которого в случае возникновения отказа не подлежит восстановлению в рассмат­риваемой ситуации. Основным способом восстановления работоспо­собности является ремонт. В зависимости от того предусмотрены или нет операции ремонта изделия подразделяются на ремонтируемые и неремонтируемые.

Ремонтируемое изделие - изде­лие, ремонт которого возможен и пре­дусмотрен нормативно-технической и (или) проектно-конструкторской документациями. Большинство изделий машиностроения относят­ся к ремонтируемым.

Неремонтируемое изделие - изде­лие, ремонт которого невозможен или не предусмотрен нормативно-технической, проектно-конструкторской и эксплуатационно-ремонтной документациями.

К неремонтируемым могут быть отнесены, например, подшипни­ки, шпонки, шестерни, ремни, рукава высокого давления, манжеты, уплотнения и другие изделия машиностроения.

Ремонтопригодность - свойство изделия, заключающееся в его приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособ­ного состояния путем обнаружения и устранения дефекта и неисправ­ности технической диагностикой, обслуживанием и ремонтом. Это свойство обусловлено, в основном, компоновочным решением изде­лия. Используют такие показатели ремонтопригодности: среднее вре­мя восстановления, вероятность восстановления, коэффициент ремонтосложности и другие.

Время восстановления - основной показатель ремонтопригод­ности, характеризующий календарную продолжительность операций по восстановлению работоспособного состояния изделия или продол­жительность профилактических операций по техническому обслужи­ванию.

Сохраняемость - свойство изделий непрерывно сохранять значе­ния установленных показателей его качества в заданных пределах в течение длительного хранения и транспортирования.

Срок сохраняемости - календарная продолжительность хранения и (или) транспортирования изделия в заданных условиях, в течение и после которых сохраняются исправность, а также значения показате­лей безотказности, долговечности и ремонтнопригодности в пределах, установленных нормативно-технической документацией на данный объект.

Безотказность, как одна из важнейших составляющих надеж­ности, характеризуется закономерностями возникновения отказов, а ремонтопригодность - закономерностями их предупреждения и устра­нения. Долговечность определяется интенсивностью и продолжитель­ностью действия этих закономерностей, их постоянными изменениями в допустимых пределах на протяжении всего срока службы.

Надежность постоянно изменяется в процессе эксплуатации тех­нического изделия и при этом характеризует его состояния. Схема изме­нения состояний эксплуатируемого изделия приведена ниже (рис. 1).

Для количественной характеристики каждого из свойств надеж­ности изделия служат такие единичные показатели, как наработка до отказа и на отказ, между отказами, ресурс, срок службы, срок сохра­няемости, время восстановления. Значения этих величин получают по данным испытаний или эксплуатации.

Рис. 1. Схема состояний изделия

Комплексные показатели надежности, так же как коэффициент готовности, коэффициент технического использования и коэффициент оперативной готовности, вычисляются по данным единичных показа­телей. Номенклатура показателей надежности приведена в таблице 1.

По способу получения числовых значений различают показатели: расчетные; экспериментальные; эксплуатационные; экстраполирован­ные, найденные на основании расчетов, испытаний и (или) эксплуата­ционных данных путем экстраполирования на другую продолжитель­ность эксплуатации или другие условия эксплуатации.

Многие характеристики надежности изделия отображают случай­ные события, связанные с непредусмотренными отказами при его экс­плуатации. Поэтому соответствующие численные характеристики на­дежности имеют вероятностную сущность, а это значит, что они осно­ваны на статистике и математической теории вероятностей.

Исходным понятием теории вероятностей является событие, в ре­зультате которого изделие изменяет свое качественное состояние. В теории надежности таким событием считается отказ.

Событие, обязательно наблюдаемое в эксперименте, называется достоверным. Событие является невозможным, если оно не может произойти в данном эксперименте.

Всякое событие или есть, или его нет. Состоянию А до события можно противопоставить состояние В после события. Состояние А противоположно состоянию В и наблюдается тогда, когда нет собы­тия, переводящего изделие из состояния А в состояние В.

Вероятность события и, следовательно, состояний А и В характе­ризуется числом, которое тем больше, чем более возможно это собы­тие - отказ. Если вероятность события, происходящего в эксперимен­те, оценить единицей, а невозможность его оценивать нулевой вероят­ностью, то вероятность иного события до того, как оно становится ре­альностью, имеет значение меньше единицы. Из сказанного следует, что сумма вероятности (вероятность обозначают буквой Р ) события А, т. е. Р_А и вероятности события В, т. е. Р_В, как событий несовместимых, равна единице или

Р_А= 1 - Р_В.

По целям использования показатели надежности подразделяют на нормируемые и оценочные.

Нормируемым является тот, значение которого регламентировано (задано) нормативно-технической и (или) проектно-конструкторской документациями.

Оценочным является фактическое значение показателя надежности опытных образцов или серийной продукции, получаемое по результа­там испытаний или эксплуатации.

Итак, надежность любых технических изделий (в том числе, и ма­шин) количественно может оцениваться набором показателей: безот­казности функционирования (работы), долговечности, ремонтопри­годности и сохраняемости.