Введение. по курсу: «Основы теории надежности»
Конспект лекций
по курсу:
«Основы теории надежности»
для студентов специальности
190702 «Организация
и безопасность движения»
ОСНОВЫ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ.
НАДЕЖНОСТЬ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
|
Введение
Настоящая дисциплина «Основы теории надежности», изучаемая студентами специальности 190702 – Организация и безопасность движения, представляет собой учебную дисциплину, направленную на изучение основ теории надежности изделий и систем машиностроения применительно к таким изделиям как автотранспортные средства, их механизмам, агрегатам, функциональным системам и деталям.
Продолжением изучаемой дисциплины выступает дисциплина ОСНОВЫ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ И ДИАГНОСТИКИ, котораянаправлена на углубление знаний по надежности и на изучение технической диагностики объектов и систем сервиса, в данной специализации такими объектами и системами являются автомобиль, автомобильные материалы и запасные части, системы автомобиля.
Основные понятия надежности объекта
Надежность —свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения эксплуатационных параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях использования, технического обслуживания и ремонта, хранения и транспортировки.
Под объектомможет пониматься деталь, сборочная единица, например автомобиль, его агрегат или иная сборочная единица, комплекс, комплект, система машин, техническая система, информационно-управляющая система и т. д. Во всех случаях, когда нет необходимости конкретизировать предмет исследования, говорят об объекте и о надежности объекта. Если же изучается или рассматривается задача, специфичная только для определенного вида изделий, то говорят о надежности детали, о надежности автомобиля, о надежности человека-оператора, о надежности системы электроснабжения и т.д.
К «эксплуатационным» относятся параметры, которые могут изменяться в процессе эксплуатации и на которые в нормативно-технической документации (НТД) заданы допускаемые пределы их изменения, например производительность, скорость, расход электроэнергии и т. п.
С позиции надежности изделие может находиться в следующих состояниях:
- исправном или неисправном,
- работоспособном или неработоспособном,
- непредельном или предельном.
Исправное состояние —это состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям, установленным НТД. Если же хотя бы, по одному из требований изделие не соответствует НДТ, то считается, что оно находится в неисправномсостоянии.
Повреждение – событие, заключающееся в нарушении исправности объекта. Следствием проявления повреждения является дефект.
Термин «дефект» связан с термином «неисправность», но не является его синонимом. Находясь в неисправном состоянии изделие имеет один или несколько дефектов. Термин «дефект» применяют для указания на конкретную неисправность изделия при контроле качества продукции на стадии изготовлении, а также при ремонте, например при составлении ведомостей дефектов, и контроле качества отремонтированной продукции.
В отличие от термина «дефект», термин «неисправность» распространяется не на всякую продукцию, в том числе не на всякие изделия. Например, не называют неисправностями недопустимые отклонения показателей качества материалов, топлива, химических продуктов, изделий пищевой промышленности и т.п.
Работоспособное состояние —состояние объекта, при котором он способен выполнять (или выполняет) заданные функции, сохраняя значения заданных параметров в пределах, установленных технической документацией.
Состояние объекта, при котором значение хотя бы одного заданного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям, установленным НТД, называется неработоспособным.
Понятие «исправное состояние» шире, чем понятие «работоспособное состояние». Работоспособный объект, в отличие от исправного объекта, удовлетворяет лишь тем требованиям НТД, которые обеспечивают его нормальное функционирование при выполнении заданных функций. При этом он может не удовлетворять, например, требованиям, относящимся к внешнему виду изделий. Работоспособный объект может быть неисправным, однако его повреждения при этом не настолько существенны, чтобы могли препятствовать функционированию объекта.
Соотношение между состояниями «исправный объект» и «работоспособный объект» хорошо иллюстрирует диаграмма изменения какого-либо функционального или структурного параметра изделия
Предельное состояние определяется:
- физической невозможностью восстановления работоспособности;
- экономической нецелесообразностью восстановления работоспособности;
- недопустимым снижением эффективности эксплуатации (моральный износ);
- требованиями безопасности (в этом случае наступление предельного состояния оговаривается в НТД).
Различают следующие возможные сочетания состояний изделия:
- исправное, работоспособное, непредельное;
- исправное, работоспособное, предельное;
- неисправное, работоспособное, непредельное;
- неисправное, неработоспособное, непредельное;
- неисправное, неработоспособное, предельное.
Изделие переходит в неработоспособное состояние в результате отказа.
Отказ -событие, после которого функционирование изделия прекращается (перегорание электрической лампочки, поломка коленчатого вала автомобиля, разрыв трубопровода и т. п.) или хотя бы один из эксплуатационных параметров выходит за границы допуска (например, снижение коэффициента полезного действия ниже установленного уровня, увеличение расхода горючего на 1 км пробега и т. п.).
Отказ может возникнуть в результате наличия в изделии одного или нескольких дефектов, но появление дефектов не всегда означают, что возник отказ, т.е., изделие стало неработоспособным. Например, нарушение сплошного слоя лакокрасочного покрытия - дефект, но этот дефект может привести к отказу изделия при его эксплуатации только из-за коррозионного разрушения поверхности, которое наступает через достаточно длительный период времени с момента появления данного дефекта.
В зависимости от признаков отказы объектов – товаров длительного пользования, классифицируются следующим образом (табл. 1):
Таблица 1. Классификация отказов
| Признак классификации | Вид отказа |
| Характер изменения основного параметра объекта до момента возникновения отказа | Внезапный, постепенный |
| Возможность последующего использования объекта после возникновения его отказа | Полный, частичный |
| Связь между отказами | Независимый,зависимый |
| Устойчивость неработоспособности | Устойчивый, самоустраняющийся (сбой), перемежающийся |
| Наличие внешних проявлений отказа | Очевидный (явный), скрытый (неявный) |
| Причина возникновения отказа | Конструкционный, производственный, эксплуатационный |
| Природа происхождения | Естественный, искусственный |
| Время возникновения отказа | При испытаниях, в периоде приработки, в периоде нормальнойэксплуатации, в запредельном периоде эксплуатации |
| Возможность устранения | Устранимый, неустранимый |
Внезапнымиявляются отказы, характеризующиеся скачкообразным изменением одного или нескольких заданных параметров объекта, которые до момента наступления отказа находились на неизменном уровне. Сюда относятся отказы, обусловленные перегоранием электрических или электронных ламп, перегоранием спиралей нагревательных приборов, усталостным разрушением деталей и т.п. Чаще всего к внезапным отказам приводит нарушение правил эксплуатации техники или непредусмотренные техническими характеристиками значительные нагрузки на конструкцию объекта (включение электроприборов в сеть более высокого напряжения, механические поломки из-за неправильного использования, непредусмотренных нагрузок или попадания в зубчатые зацепления инородных предметов, повреждения изоляции и др.).
К постепеннымотносятся отказы, характеризующиеся постепенным изменением одного или нескольких заданных параметров объекта до момента наступления отказа. Постепенные отказы обусловлены износом деталей, коррозией, старением конструкционных материалов. Типичными постепенными отказами являются, например, недопустимое увеличение зазора в сопряжении, повышение контактного сопротивления в реле из-за коррозии материала, снижение КПД ниже установленных границ, снижение производительности, мощности, скорости и других параметров за границы, установленные в НТД.
К полным относятся отказы, после возникновения которых использование объекта по назначению невозможно (для восстанавливаемых изделий – до проведения восстановления). К частичным относятся отказы, после возникновения, которых изделие может быть использовано по назначению, но с меньшей эффективностью или когда вне допустимых пределов находятся значения не всех, а одного или нескольких основных параметров.
К независимымотносятся отказы элемента изделия, не обусловленные повреждением или отказами другого элементов изделия, к зависимым - отказы элемента изделия, обусловленные повреждением или отказом другого элемента объекта.
Устойчивые отказы можно устранить только путем восстановления (ремонта). Если отказы устраняются без операции восстановления путем регулирования или саморегулирования, то такие отказы относятся к самоустраняющимся. Самоустраняющийся отказ, приводящий к кратковременному нарушению работоспособности, называется сбоем. Сбой, как правило, возможен в работе электрических или электронных схем машин. Многократно возникающие сбои одного и того же характера называются перемежающимися отказами.
К очевидным (явным) относятся такие отказы, наступление которых приводит к отказу функционирования изделия и которые обнаруживаются без проведения специальных исследований. К скрытым (неявным)относятся отказы, для обнаружения которых требуется проведение специальных исследований, и момент наступления которых может не совпадать с моментом наступления отказа изделия. Например, нарушение герметичности прокладки головки блока цилиндров двигателя, приводящее к перегреву двигателя, — скрытый отказ системы охлаждения, так как он может быть не обнаружен в момент появления.
К конструктивнымотносятся отказы, возникающие в результате нарушения установленных правил и норм конструирования. Если причиной отказа является нарушение установленного процесса изготовления или ремонта, то отказ является производственным. Отказы, возникающие в результате нарушения установленных правил и условий эксплуатации, называются эксплуатационными.
К искусственнымотносятся отказы, которые вызываются преднамеренно, например, с исследовательскими целями, с целью необходимости прекращения функционирования и т. п. Отказы, которые происходят без преднамеренной организации их наступления в результате направленных действий человека (или автоматических устройств), относятся к категории естественных отказов.
К устранимымследует относить отказы, которые устраняются посредством операции технического обслуживания, регулировки или восстановления. Если же в результате отказа отказавший элемент не восстанавливается, а заменяется новым, то такой отказ является неустранимым(перегорание электролампы, поломка штыря вилки и т. п.). К неустранимым следует относить также отказы, которые устранять экономически нецелесообразно.
При проведении расчетов надежности объектов и разработке мероприятий по устранению отказов следует также выделять критерии, причины, характер и последствия отказов и повреждений.
Под критерием отказа понимается установленный в нормативно-технической документации признак или совокупность признаков неработоспособного состояния изделия. Так как работоспособное состояние характеризуется условием, что установленные в технической документации параметры изделия находятся в заданных пределах (допусках), то критерием отказа будут служить название параметра и пределы его изменения.
К причинам отказовотносятся события и процессы, приводящие к потере работоспособности. К такого рода событиям и процессам относятся допущенные при конструировании, производстве и ремонтах дефекты, нарушения правил и норм эксплуатации, различного рода повреждения, а также естественные процессы изнашивания старения.
Характером отказа(повреждения) являются конкретные изменения в объекте, связанные с возникновением отказа (повреждения), например, обрыв провода, деформация детали и т. п.
К последствиям отказа (повреждения) относятся явления, процессы и события, возникшие после отказа (повреждения) и находящиеся в непосредственной причинной связи с ним. Например, остановка двигателя, потеря тормозных свойств автомобиля и др.
Многие изделия после наступления отказа или с целью их предупреждения подвергаются операциям технического обслуживания и ремонта.
Объекты, исправность которых в случае возникновения повреждения подлежит восстановлению, называются ремонтируемымиобъектами.
К неремонтируемым относятся такие объекты, исправность которых при возникновении повреждения не подлежит восстановлению.
Объекты, работоспособность которых в случае возникновения отказа подлежит восстановлению в рассматриваемой ситуации, называются восстанавливаемыми.
Если в рассматриваемой ситуации (например, на месте эксплуатации) восстановление работоспособности данного объекта в случае отказа нецелесообразно или неосуществимо, то такой объект относится к невосстанавливаемым.
Например, автомобильная лампа — невосстанавливаемый объект, двигатель — восстанавливаемый. Таким образом, классификация объектов на восстанавливаемые и невосстанавливаемые производится применительно к конкретным условиям восстановления работоспособности в процессе эксплуатации.
Неремонтируемый объект обычно является и невосстанавливаемым, а ремонтируемый объект может рассматриваться как невосстанавливаемый в зависимости от условий эксплуатации.
Для невосстанавливаемых изделий предельное состояние наступает после первого отказа.
Поднаработкойпонимается продолжительность или объем работы объекта.
Размерность наработки определяется видом объекта и условиями его использования. Так, наработка деталей, работающих в условиях циклического нагружения, измеряется числом циклов, наработка реле — числом циклов замыканий и размыканий, наработка автомобиля— пробегом в километрах. Наработка может определяться до отказа изделия, до его списания или до некоторого фиксированного момента времени.
Наработка объекта от начала эксплуатации или ее возобновления после среднего или капитального ремонта до наступления предельного состояния называется техническим ресурсом (или просто ресурсом). Ресурс невосстанавливаемого объекта определяется через наработку объекта до отказа. Ресурс восстанавливаемого объекта равен сумме наработок до предельного состояния.
TP = q1 + q2 + qi + qn = åqi,
где qi – наработка объекта до 1, 2, …n–го отказа.
Надежность — сложное свойство, которое в зависимости от назначения объекта и условий его эксплуатации включает такие единичные свойства как безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость в отдельности или определенное сочетание этих свойств, как для объекта, так и для его частей.
Безотказность—свойство объекта сохранять непрерывно работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки.
Долговечность -свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.
Показатели долговечности могут выражаться также через срок службы, под которым понимается календарная продолжительность эксплуатации объекта от ее начала или возобновления после среднего или капитального ремонта до наступления предельного состояния. Обычно различают срок службы до среднего (капитального) ремонта, между ремонтами и срок службы до списания. При этом учитывается только календарная продолжительность эксплуатации изделий независимо от фактической наработки изделий в этот промежуток времени, т.е. возможна такая ситуация, когда срок службы некоторого изделия (например, до капитального ремонта) будет исчисляться годами, хотя фактическая выработка за этот период будет равна нулю, если изделие практически не работало. Другим крайним случаем будет ситуация, когда наработка изделия (в часах) будет равна сроку службы.
Ремонтопригодность -свойство объекта, заключающееся в его приспособленности к предупреждению, обнаружению причин возникновения отказов и неисправностей путем проведения технического обслуживания и ремонтов.
Ремонтопригодность изделий характеризуется продолжительностью операций обнаружения, поиска причин отказа и устранения последствий отказа. При этом следует учитывать, что полная продолжительность восстановления изделий включает в себя время, затрачиваемое на организационные мероприятия (доставка запасных частей, организационные простои и т.д.), которое не зависит от ремонтопригодности изделий, и время, затрачиваемое непосредственно на проведение операций технологического обслуживания и ремонта. Это время, называемое оперативной продолжительностью (трудоемкостью), непосредственно зависит от уровня ремонтопригодности изделий.
Сохраняемость -свойство объекта сохранять, показатели безотказности, долговечности и ремонтопригодности в течение и после хранения и (или) транспортировки.
Этим свойством должно гарантироваться, что изделие после определенного времени хранения будет работоспособно. Это требование особенно важно для тех видов продукции, для которых предусматривается, например, сезонная эксплуатация (большинство сельскохозяйственных машин) или которые вступают в эксплуатацию в некоторых аварийных или особых условиях (противопожарная техника, средства сигнализации и т. д.).
Случайной величиной, характеризующей сохраняемость отдельного изделия, является срок сохраняемости, т. е. календарная продолжительность хранения и (или) транспортировки объекта в заданных условиях, в течение и после которых сохраняются значения заданных показателей в установленных пределах.
|
Специфическая особенность показателей надежности заключается в том, что точное значение этих показателей для конкретного изделия не может быть однозначно указано до начала эксплуатации. Значения всех показателей зависят от множества факторов, учесть которые практически невозможно. Сами факторы (действующие нагрузки, физико-механические характеристики материалов, допуски на размеры деталей и посадки сопряжений и др.) имеют значительное рассеяние величин, что приводит к разбросу наработок, ресурсов, сроков службы, моментов наступления отказов однотипных изделий. Поэтому в расчетах надежности многие параметры должны рассматриваться случайными величинами, которые могут принять то или иное значение, неизвестное заранее.
Случайные величины могут быть дискретными (число отказов, количество изделий, поставленных на испытания и др.) и непрерывными(время, наработка, нагрузка и др.).
Теория надежности оперирует случайными событиями, количественные закономерности которых изучают теория вероятностей и математическая статистика. Вероятностная трактовка характеристик случайных событий и величин применяется для прогнозирования надежности изделий, статистические методы используются для обработки результатов испытаний или наблюдений конечных партий изделий.
Рассмотрим отдельные положения теории вероятностей, применяемые расчетах надежности изделий.
Различают следующие события:
- достоверное, которое неизбежно происходит при каждой реализации данного комплекса условий (Например, достоверным будет событие, если одна деталь, взятая из парии бракованных деталей, окажется бракованной.);
- невозможное,которое не может произойти при каждой реализации данного комплекса условий (Например, невозможным будет событие, когда взятая из партии бракованных деталь окажется годной.);
- случайное,которое может произойти, а может и не произойти при каждой реализации данного комплекса условий (Если в партии содержатся как годные, так и бракованные детали, то событие, заключающееся в том, что взятая наугад деталь окажется бракованной, является случайным.);
Несколько событий могут быть
- независимыми, если вероятность проявления каждого из них не завит от того, произошло ли другое событие (Например, отказ двигателя и потеря работоспособности шины колеса – события независимые);
- зависимыми, если вероятность проявления какого-нибудь из них меняется в зависимости от того, произошли ли другое событие или нет (Например, разрушение подшипника коленчатого вала двигателя - событие А - произошло из-за отсутствия смазки в результате того, что отказал масляный насос – событие В. Тогда, событие А является зависимым от события В.);
- совместными,если при выполнении комплекса условий, они могут наступить одновременно;
- несовместными,если одновременное их проявление в одном испытании или наблюдении невозможно (Например, невозможно одновременное нахождение изделия в работоспособном и неработоспособном состояниях.);