Надежность

Надежность (далее Н) изделия, свойство изделия сохранять значения установленных параметров функционирования в определенных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, хранения и транспортирования. Н - комплексное свойство, которое в зависимости от назначения изделия и условий его эксплуатации может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость в отдельности или определенное сочетание этих свойств как изделия в целом, так и его частей. Основное понятие, используемое в теории надежности, - понятие отказа, т. е. утраты работоспособности, наступающей либо внезапно, либо постепенно. Работоспособность - такое состояние изделия, при котором оно соответствует всем требованиям, предъявляемым к его основным параметрам. К числу основных параметров изделия относятся: быстродействие, нагрузочная характеристика, устойчивость, точность выполнения производственных операций и т.д. Вместе с другими показателями (масса, габариты, удобство в обслуживании и др.) они составляют комплекс показателей качества изделия. Показатели качества могут изменяться с течением времени. Изменение их, превышающее допустимые значения, приводит к возникновению отказового состояния (частичного или полного отказа изделия). Показатели Н нельзя противопоставлять другим показателям качества: без учета Н все другие показатели качества изделия теряют свой смысл, точно так же и показатели Н становятся полноценными показателями качества лишь в сочетании с др. характеристиками изделия. Понятие "Н изделия" давно используется в инженерной практике. Любые технические устройства - машины, инструменты или приспособления - всегда изготавливались в расчете на некоторый достаточный для практических целей период использования. Однако долгое время Н не измерялась количественно, что значительно затрудняло ее объективную оценку. Для оценки Н использовались такие понятия, как высокая Н, низкая Н и др. качественные определения. Установление количественных показателей Н и способов их измерения и расчета положило начало научным методам в исследовании Н На первых этапах развития теории Н основное внимание сосредоточивалось на сборе и обработке статистических данных об отказах изделий. В оценке Н преобладал характер констатации степени Н на основании этих статистических данных. Развитие теории Н сопровождалось совершенствованием вероятностных методов исследования, как-то: определение законов распределения наработки до отказа, разработка методов расчета и испытаний изделий с учетом случайного характера отказов и т.п. Вместе с тем возникали новые направления исследований: поиск принципиально новых способов повышения Н, прогнозирование отказов и прогнозирование Н, анализ физико- процессов, оказывающих влияние на Н, установление количественных связей между характеристиками этих процессов и показателями Н, совершенствование методов расчета Н изделий, обладающих все более сложной структурой, с учетом все большего числа действующих факторов (достоверность исходных данных, контроль и профилактика, условия работы и обслуживания и т.д.). Испытания на Н совершенствовались главным образом в направлении проведения ускоренных и неразрушающих испытаний. Наряду с совершенствованием натурных испытаний широкое распространение получили математическое моделирование и сочетание натурных испытаний с моделированием. В результате к 50-м гг. 20 в. сформировались основы общей теории Н и ее частных направлений по отдельным видам техники.

Увеличивающаяся сложность технических устройств; возрастающая ответственность функций, которые выполняют технические устройства; повышение требований к качеству изделий и условиям их работы; возросшая роль автоматизации, которая сокращает возможность непрерывного наблюдения за состоянием устройства, - основные факторы, определившие главное направления в развитии науки о Н Технические средства и условия их работы становятся все более сложными. Количество элементов в отдельных видах устройств исчисляется сотнями тысяч. Если не принимать специальных мер по обеспечению Н, то любое современное сложное устройство практически будет неработоспособным. Так, например, в современной ЭВМ средней производительности за 1 сек происходит около 5 млн. смен состояний в результате переключений ее двоичных элементов, число которых достигает нескольких десятков тыс. За 5 ч непрерывной работы ЭВМ, требуемых на решение типовой задачи, происходит свыше 10¹²-10¹⁴ смен состояний машины. Вероятность возникновения хотя бы одного отказа при этом становится достаточно большой, а следовательно, необходимы специальные меры, обеспечивающие работоспособность ЭВМ.

Техническим средствам отводят все более ответственные функции на производстве и в сфере управления. Отказ технического устройства зачастую может привести к катастрофическим последствиям. Н в эпоху научно-технической революции стала важнейшей проблемой.

Количественные показатели надежности. Н изделий определяется набором показателей; для каждого из типов изделий существуют рекомендации по выбору показателей Н Для оценки Н изделий, которые могут находиться в двух возможных состояниях - работоспособном и отказовом, применяются следующие показатели: среднее время работы до возникновения отказа Т_ср - наработка до первого отказа; среднее время работы, приходящееся на один отказ, Т - наработка на отказ; интенсивность отказов l(t ); параметр потока отказов w(t ); среднее время восстановления работоспособного состояния t_в; вероятность безотказной работы за время t (Р (t )); готовности коэффициент _r.

Закон распределения наработки до отказа определяет количественные показатели Н невосстанавливаемых изделий. Закон распределения записывается либо в дифференциальной форме плотности вероятности f (t ), либо в интегральной форме (t ). Существуют следующие соотношения между показателями Н и законом распределения:

Для восстанавливаемых изделий вероятность появления n отказов за время t в случае простейшего потока отказов определяется законом Пуассона:

Из него следует, что вероятность отсутствия отказов за время t равна Р (t) = exp(-lt) (экспоненциальный закон надежности).

Технические системы, состоящие из конструктивно независимых узлов, обладающие способностью перестраивать свою структуру для сохранения работоспособности при отказе отдельных частей, в теории Н принято называть сложными техническими системами (в отличие от сложных кибернетических систем, называются также большими системами). Число работоспособных состоянии таких систем - два и более. Каждое из работоспособных состояний характеризуется своей эффективностью работы, которая может измеряться производительностью, вероятностью выполнения поставленной задачи и т.д. Показателем Н сложной системы может быть суммарная вероятность работоспособности системы - сумма вероятностей всех работоспособных состояний системы.

Способы определения количественных показателей надежности. Показатели Н определяются из расчетов, проведением испытаний и обработкой результатов (статистических данных) эксплуатации изделий, моделированием на ЭВМ, а также в результате анализа физико- процессов, обусловливающих Н изделия. Расчеты Н основаны на том, что при определенной структуре изделия и имеющемся законе распределения наработки до отказа изделий этого типа существуют вполне определенные зависимости между показателями Н отдельных элементов и Н изделия в целом. Для установления таких зависимостей используются следующие приемы: решение уравнении, составленных на основании структурной схемы Н (использование последовательно-параллельных структур) или на основании логических связей между состояниями изделия (использование алгебры логики); решение дифференциальных уравнений, описывающих процесс перехода изделия из одного состояния в другие (использование графов состояний); составление функций, описывающих состояния сложного изделия. Расчеты Н производятся главным образом на этапе проектирования изделий с целью прогнозирования для данного варианта изделия ожидаемой Н Это позволяет выбрать наиболее подходящий вариант конструкции и методы обеспечения Н, выявить "слабые места", обоснованно назначить рабочие режимы, форму и порядок обслуживания изделия.

Испытания на Н производятся на этапах разработки опытного образца и серийного производства изделия. Существуют испытания на Н определительные, в результате которых определяют показатели Н; контрольные, имеющие целью контроль качества технологического процесса, обеспечивающего с некоторым риском Н не ниже заданной; ускоренные, в ходе которых используют факторы, ускоряющие процесс возникновения отказов; неразрушающие, основанные на применении методов дефектоскопии и интроскопии, а также на изучении косвенных признаков (шумов, тепловых излучений и т.п.), сопутствующих возникновению отказов.

Моделирование на ЭВМ является наиболее эффективным средством анализа Н сложных систем. Широко распространены два алгоритма моделирования: первый, основанный на моделировании физических процессов, происходящих в исследуемом объекте (оценка Н при этом определяется по числу выходов параметров объекта за пределы допуска); второй, основанный на решении систем уравнений, описывающих состояния исследуемого объекта.

Анализ физико- процессов также позволяет получить оценку Н исследуемого изделия, т.к. часто удается установить зависимость Н от состояния и характера протекания физико- процессов (соотношение показателей прочности и нагрузки, износостойкость, наличие примесей в материалах, изменение электрических и характеристик, шумовые эффекты и т.д.). Наиболее часто анализ физико- процессов применяется при оценке Н элементов радиоэлектронной аппаратуры.

Способы повышения надежности. На стадии разработки изделий: использование новых материалов, обладающих улучшенными физико- характеристиками, и новых элементов, обладающих повышенной Н по сравнению с применявшимися ранее; принципиально новые конструктивные решения, например замена электровакуумных ламп полупроводниковыми приборами, а затем интегральными схемами; резервирование, в том числе аппаратурное (поэлементное), временное и информационное; разработка помехозащищенных программ и помехозащищенного кодирования информации; выбор оптимальных рабочих режимов и наиболее эффективной защиты от неблагоприятных внутренних и внешних воздействий; применение эффективного контроля, позволяющего не только констатировать техническое состояние изделия (простой контроль) и устанавливать причины возникновения отказового состояния (диагностический контроль), но и предсказывать будущее состояние изделия, с тем чтобы предупреждать возникновение отказов (прогнозирующий контроль).

В процессе производства: использование прогрессивной технологии обработки материалов и прогрессивных методов соединения деталей; применение эффективных методов контроля (в том числе автоматизированного и статистического) качества технологических операций и качества изделий; разработка рациональных способов тренировки изделий, выявляющих скрытые производственные дефекты; испытания на надежность, исключающие приемку ненадежных изделий.

Во время эксплуатации: обеспечение заданных условий и режимов работы; проведение профилактических работ и обеспечение изделий запасными деталями, узлами и элементами, инструментом и материалами; диагностический контроль, предупреждающий о возникновении отказов.

В ходе развития техники возникают новые аспекты проблемы обеспечения Н Так, например, внедрение больших интегральных схем требует принципиально новых методов расчета их Н, применение систем автоматизированного контроля приводит к необходимости учета его влияния на показатели Н и т.д. Наука о Н возникла на стыке ряда научных дисциплин, а именно: теории вероятностей и случайных процессов, математической логики, термодинамики, технической диагностики и др., развитие которых взаимосвязанно и находит свое отражение в развитии теории Н Основное направление развития науки о Н определяется общей тенденцией технического развития в различных отраслях народного хозяйства и задачами народно-хозяйственных планов страны. К числу наиболее актуальных вопросов теории Н относятся оценка и обеспечение Н сложных кибернетических систем. Проблема Н является "вечной" проблемой, т.к. она всякий раз возникает в новой формулировке на каждом новом этапе развития техники.

Лит.: Шор Я. Б., Статистические методы анализа и контроля качества и надежности, М., 1962; Берг А. И., Кибернетика и надежность, М., 1964; Гнеденко Б. В., Беляев Ю. К., Соловьев А. Д., Математические методы в теории надежности, М., 1965; Сотсков Б. С., Основы теории и расчета надежности элементов и устройств автоматики и вычислительной техники, М., 1970; Бруевич Н Г., Количественные оценки надежности изделий, в сборнике: Основные вопросы теории и практики надежности, М., 1971; Ллойд Д. и Липов М., Н, пер. с англ., М., 1964; Базовский И., Н. Теория и практика, пер. с англ., М., 1965; Барлоу Р. и Прошан Ф., Математическая теория надежности, пер. с англ., М., 1969.

Н Г. Бруевич, Т. А. Голинкевич.

	Copyright © 1999-2023 Oval.ru, All Rights Reserved.