Понятие «отказ» в теории надежности. Понятие «отказ» в теории надежности Переход объекта в различные состояния

Коэффициенты Стьюдента Приложение 1.

Приложение 2

ОСНОВЫ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ

Надежность – свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах все параметры, обеспечивающие выполнение требуемых функций в заданных условиях (условиях применения, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования).

Надежность является одним из свойств, характеризующих качество изделий. Под качеством изделий понимается совокупность свойств изделий, обусловливающих его пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с его назначением.

Объекты , рассматриваемые в теории надежности:

изделие – единица продукции, выпускаемая данным предприятием, цехом и т.д.;

элемент – условно неделимая составная часть системы;

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

Изделия делятся на невосстанавливаемые , которые не могут быть восстановлены потребителем (эл. лампы и т.д.)и восстанавливаемые, которые могут быть восстановлены потребителем (автомобиль и т.д.).

Состояния изделия, характеризующие его надежность:

работоспособное состояние – состояние изделия, при котором оно способно выполнять заданные функции;

исправное состояние – состояние изделия, при котором оно удовлетворяет не только основным, но и всем вспомогательным требованиям. Исправное изделие обязательно работоспособно.

предельное состояние – неработоспособное состояние изделия, при котором эксплуатация или восстановление изделия нецелесообразны.

Событие , характеризующее надежность изделия:

отказ – событие, заключающееся в полной или частичной утрате работоспособности.

Отказ возникает в результате наличия в изделии одного или нескольких дефектов. Под дефектом понимается каждое отдельное несоответствие изделия установленным требованиям. Следует отметить, что появление дефектов не всегда приводит к отказу изделий.

Критерием отказа называют признаки неработоспособного состояния изделия, установленные в нормативно-технической или конструкторской документации.

В соответствии с характером развития и проявления отказы делят на внезапные (поломки от перегрузок), постепенные по развитию и внезапные по проявлению (усталостные разрушения, перегорание ламп) и постепенные (износ, старение). Постепенные отказы заключаются в плавном выходе параметров за границы допуска.

По возможности дальнейшего использования изделия отказы делят на полные , исключающие возможность работы изделия до их устранения, и частичные , при которых изделие может частично использоваться, например, с неполной мощностью или на пониженной скорости.

По времени возникновения отказы делятся на приработочные , возникающие в первый период эксплуатации, на отказы при нормальной эксплуатации (в период до проявления износовых отказов) и на износовые.

Отказы изделия, которые устраняются самопроизвольно, без вмешательства извне, называются самоустраняющимися или перемежающимися (нарушение электрического контакта).

По причинам возникновения отказы делятся на конструкционные , вызванные недостатками конструкции, технологические , вызванные несовершенством технологии производства, и эксплуатационные , вызванные неправильной эксплуатацией.

Причины отказов делятся на случайные и систематические.

Случайные причины отказов – причины, возникновение которых нельзя предугадать заранее. Случайной причиной отказов обычно является неблагоприятное сочетание случайных факторов.

Систематические причины – причины, возникновение которых можно предугадать заранее (влияние температуры, трения, агрессивных химических веществ и т.д.).

Свойства изделий, характеризующие их надежность.

Безотказность – свойство непрерывно сохранять работоспособность в течение заданной наработки.

Долговечность – свойство сохранять работоспособность до предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов. Для невосстанавливаемых изделий понятия долговечности и безотказности совпадают.

Ремонтопригодность – свойство изделия, заключающееся в его приспособленности к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей путем проведения технического обслуживания и ремонтов.

Сохраняемость – свойство изделия сохранять значение показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности во время хранения и транспортирования.

Надежность есть свойство изделий выполнять заданные функции, сохранять свои эксплуатационные характеристики в заданных пределах при заданных режимах и условиях работы в течение требуемого промежутка времени или требуемой наработки.

Из этого определения следует, что надежность есть внутреннее свойство продукции, объективная реальность, присущая каждому данному образцу изделия. Таким образом, ненадежной считается не только та система, у которой наступает механическое или электрическое повреждение, приводящее к неработоспособности приборов, но также и та, у которой параметры выходят за предельно допустимые значения.

В задачу теории надежности входит решение двух принципиальных задач: оценка надежности выпускаемых изделий и оценка надежности изделий на стадии их проектирования.

Оценка надежности выпускаемых изделий осуществляется в результате их испытаний, т.е. для заданного числа испытаний и интервала времени, в течение которого они проводились, определяется надежность изделия. А оценка надежности полупроводникового прибора на стадии его производства требует априорного знания о наиболее вероятных типах отказов и о физических процессах, лежащих в их основе.

Математические модели, применяемые для количественных оценок надежности, зависят от типа надежности. Современная теория выделяет три

типа надежности:

1. Надежность «мгновенного действия», например надежность плавких

предохранителей.

2. Надежность при нормальной эксплуатационной долговечности, например надежность вычислительной техники. При оценке нормальной эксплуатационной надежности одним из основных количественных показателей является среднее время работы между отказами. Рекомендуемый на практике диапазон - от 100 до 2000 часов.

3. Чрезвычайно продолжительная эксплуатационная надежность, например надежность космических кораблей. Если требования к сроку службы устройств -- свыше 10 лет, то их относят к устройствам с чрезвычайно продолжительной эксплуатационной надежностью.

Для характеристики конкретного прибора пользуются понятиями исправного и работоспособного состояния.

Исправность - это состояние прибора, при котором он соответствует всем требованиям нормативной и конструкторской документации.

Работоспособность - это состояние прибора, при котором он способен выполнять заданные функции с параметрами, установленными нормативно-технической или конструкторской документацией.

Для более полного описания надежности вводят такое понятие, как долговечность.

Долговечность - это свойство изделий сохранять свою работо­способность (с возможными перерывами для технического обслуживания или ремонта) до наступления предельного состояния, оговоренного в технической документации (поломка, снижение мощности и т.д.). Данное свойство охватывает ресурсные характеристики прибора и существенно дополняет понятие безотказности.

Безотказность - это свойство прибора непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или некоторой наработки. Применительно к полупроводниковым приборам и микросхемам под безотказностью понимается их способность непрерывно сохранять исходные значения параметров при использовании в выпрямительном, усилительном, переключательном и других режимах, обусловленных схемами и условиями эксплуатации.

Сохраняемость - это свойство прибора сохранять значения показателей безотказности и долговечности в течение и после хранения или транспортирования.

Характеристикой прибора, связанной с его эксплуатацией, является наработка, представляющая собой продолжительность или объем работы изделия. Наработка измеряется в часах или циклах непрерывной или суммарной периодической работы прибора в электрическом режиме. Наработка прибора, измеряемая в часах от начала эксплуатации до наступления предельного состояния, оговоренного в технической документации, называется техническим ресурсом.

Срок службы - это календарная продолжительность эксплуатации изделия от начала эксплуатации до момента наступления предельного состояния, оговоренного в технической документации.

Ремонтопригодность - это свойство изделия, выражающееся в его приспособленности к проведению технического обслуживания и ремонта, т.е. к предупреждению, обнаружению и устранению неисправностей и отказов.

Фундаментальным понятием в теории надежности является определение отказа как события, заключающегося в полной или частичной утрате изделием его работоспособности, т.е. в нарушении работоспособности изделия.

Отказ может наступить не только в силу механических или электрических повреждений элементов изделия (обрыва, короткого замыкания), но и при нарушении регулировки, из-за ухода параметров элементов за предельно допустимые значения и т.д. Кроме того, отказы системы могут быть обусловлены конструкцией деталей, их изготовлением или эксплуатацией.

В теории надежности существует широкая классификация отказов по различным признакам.

Классификация отказов

1. По характеру наступления отказы делятся на внезапные и постепенные.

Внезапным (катастрофическим) называют отказ, возникший в результате скачкообразных изменений одного или нескольких основных параметров системы, связанных с внутренними дефектами элементов, нарушением рабочих режимов, ошибками обслуживающего персонала и другими неблагоприятными воздействиями.

Постепенным (параметрическим) называют отказ, возникший в результате плавных изменений заданных параметров прибора, во-первых, вследствие деградации физико-химических свойств материала под влиянием эксплуатационных факторов и естественного старения и, во-вторых, вследствие изнашивания элементов системы в результате дрейфа рабочих параметров и их выхода за предельно допустимые значения.

2. По взаимосвязи между собой различают независимые и зависимые отказы.

Независимыми называют отказы, появление которых не изменяет вероятности появления других отказов, например отказы приборов, возникшие в результате процессов, происходящих в их внутренней структуре.

Зависимыми называют отказы, появление которых изменяет (увеличивает) вероятность появления других отказов. Например, выход из строя предохранителей цепи защиты от перегрузок, пассивных ограничительных элементов приводит к повреждению приборов.

3. По признакам проявления различают явные и скрытые отказы. Явные обнаруживаются при внешнем осмотре или включении

аппаратуры.

Скрытые отказы обнаруживаются при применении специальных контрольно-измерительных приборов.

4. По степени влияния на работоспособность аппаратуры различают полные и частичные отказы.

Полным называют такой отказ, до устранения которого использование аппаратуры по назначению невозможно.

Частичным называют отказ, до устранения которого имеется возможность хотя бы частично использовать аппаратуру по назначению.

5. По времени существования различают следующие отказы: устойчивые, сбои, перемежающиеся.

Устойчивым называют отказ, который устраняется только в результате ремонта или регулировки аппаратуры.

Сбоем называют однократно возникающий самоустраняющийся отказ, продолжительность действия которого мала по сравнению с продолжительностью работы аппаратуры до следующего отказа.

Перемежающимся отказом называют ряд быстродействующих, происходящих друг за другом сбоев. Например, могут возникнуть сбои в приборах из-за наличия в объеме герметичного корпуса проводящих частиц, способных создать кратковременные замыкания между внутренними выводами или отдельными токопроводящими дорожками.

При установлении этапа жизненного цикла прибора, на котором возникла первопричина отказов, различают конструктивные, производственные и эксплуатационные отказы.

Конструктивные отказы происходят в результате ошибок и нарушений норм и правил конструирования в период разработки.

Под производственными отказами понимают отказы, возникающие в результате несовершенства процесса изготовления приборов или нарушения технологии.

При неправильной оценке возможностей приборов при их выборе для создания аппаратуры возникают эксплуатационные отказы. В результате этого приборы могут подвергаться перегрузкам в аппаратуре и преждевременно выходить из строя.

Наибольшее количество отказов приборов происходит в период использования аппаратуры потребителями из-за нарушений установленных правил эксплуатации и неблагоприятных воздействий окружающей среды.

В теории надежности различают надежность систем и элементов.

Системой называется совокупность совместно действующих объектов, полностью обеспечивающих выполнение определенных практических задач.

Элементом называется часть системы, не имеющая самостоятельного значения и выполняющая в ней определенные функции.

Понятия «система» и «элемент» имеют относительный характер. Так, например, различные радиодетали (резисторы, конденсаторы) могут быть элементами таких систем как усилитель, радиоприемник и т.д. В свою очередь, эти системы могут рассматриваться как элементы более сложной системы - радиолокационной, которая также может быть элементом, допустим, системы наблюдения за спутниками и т.д.

Системы могут быть восстанавливаемыми и невосстанавливаемыми.

Восстанавливаемая (допускающая многократный ремонт) система после отказа подвергается ремонту и продолжает выполнять свои функции (бытовая, вычислительная техника, аудио- и видеоаппаратура и т.п.).

Невосстанавливаемая система в случае возникновения отказа не подлежит либо не поддается восстановлению по экономическим или по техническим соображениям (плавкие предохранители, аппаратура баллистических ракет боевого назначения).

По характеру обслуживания различают обслуживаемые и необслуживаемые системы.

Обслуживаемые системы выполняют свои задачи при наличии обслуживающего персонала и обычно приспособлены к устранению отказов во время профилактических ремонтов.

Необслуживаемые системы выполняют возложенные на них функции без обслуживающего персонала, например аппаратура, устанавливаемая на большинстве невозвращаемых космических объектах.

По характеру влияния отказов элементов системы на ее выходные параметры и, следовательно, на эффективность системы можно разделить на простые и сложные.

Простые системы при отказе одного или нескольких элементов полностью теряют работоспособность.

Сложные системы обладают способностью при отказе элементов продолжать функционировать с пониженной эффективностью.

В теории надежности различают последовательное, параллельное и смешанное соединения элементов. Подробно эти виды соединений будут рассмотрены в одном из следующих разделов.

Приведенные выше термины, применяемые при классификации отказов, нашли свое отражение в государственных стандартах и нормативно-технической документации и являются обязательными.

Предварительные замечания

В основу перечня положен ГОСТ 27.002-89 "Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения", формулирующий применяемые в науке и технике термины и определения в области надежности. Однако не все термины охватываются указанным ГОСТом, поэтому в отдельных пунктах введены дополнительные термины, отмеченные "звездочкой" (*).

Объект, элемент, система

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, приборы и их части, агрегаты и отдельные детали.
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 и 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.

Состояние объекта

Исправность - состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям, установленным нормативно-технической документацией (НТД).

Неисправность - состояние объекта, при котором он не соответствует хотя бы одному из требований, установленных НТД.

Работоспособность - состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции, сохраняя значения основных параметров в пределах, установленных НТД.

Основные параметры характеризуют функционирование объекта при выполнении поставленных задач и устанавливаются в нормативно-технической документации.

Неработоспособность - состояние объекта, при котором значение хотя бы одного заданного параметра характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям, установленным НТД.

Понятие исправность шире, чем понятие работоспособность. Работоспособный объект в отличие от исправного удовлетворяет лишь тем требованиям НТД, которые обеспечивают его нормальное функционирование при выполнении поставленных задач.

Работоспособность и неработоспособность в общем случае могут быть полными или частичными. Полностью работоспособный объект обеспечивает в определенных условиях максимальную эффективность его применения. Эффективность применения в этих же условиях частично работоспособного объекта меньше максимально возможной, но значения ее показателей при этом еще находятся в пределах, установленных для такого функционирования, которое считается нормальным. Частично неработоспособный объект может функционировать, но уровень эффективности при этом ниже допускаемого. Полностью неработоспособный объект применять по назначению невозможно.
Понятия частичной работоспособности и частичной неработоспособности применяют главным образом к сложным системам, для которых характерна возможность нахождения в нескольких состояниях. Эти состояния различаются уровнями эффективности функционирования системы. Работоспособность и неработоспособность некоторых объектов могут быть полными, т.е. они могут иметь только два состояния.
Работоспособный объект в отличие от исправного обязан удовлетворять лишь тем требованиям НТД, выполнение которых обеспечивает нормальное применение объекта по назначению. При этом он может не удовлетворять, например, эстетическим требованиям, если ухудшение внешнего вида объекта не препятствует его нормальному (эффективному) функционированию.

Очевидно, что работоспособный объект может быть неисправным, однако отклонения от требований НТД при этом не настолько существенны, чтобы нарушалось нормальное функционирование.
Предельное состояние - состояние объекта, при котором его дальнейшее применение по назначению должно быть прекращено из-за неустранимого нарушения требований безопасности или неустранимого отклонения заданных параметров за установленные пределы, недопустимого увеличения эксплуатационных расходов или необходимости проведения капитального ремонта.

Признаки (критерии) предельного состояния устанавливаются НТД на данный объект.

Невосстанавливаемый объект 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 объектов данного типа после установленного периода эксплуатации.
Для восстанавливаемых объектов 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 объект пришел в такое состояние, при котором ремонт требует недопустимо больших затрат или не обеспечивает необходимой степени восстановления исправности или ресурса.

Для некоторых восстанавливаемых объектов предельным состоянием считается такое, когда необходимое восстановление исправности может быть осуществлено только с помощью капитального ремонта.
Режимная управляемость* - свойство объекта поддерживать нормальный режим посредством управления с целью сохранения или восстановления нормального режима его работы.

Переход объекта в различные состояния

Повреждение - событие, заключающееся в нарушении исправности объекта при сохранении его работоспособности.

Отказ - событие, заключающееся в нарушении работоспособности объекта.

Критерий отказа - отличительный признак или совокупность признаков, согласно которым устанавливается факт отказа.

Признаки (критерии) отказов устанавливаются НТД на данный объект.
Восстановление - процесс обнаружения и устранения отказа (повреждения) с целью восстановления его работоспособности (исправности).

Восстанавливаемый объект - объект, работоспособность которого в случае возникновения отказа подлежит восстановлению в рассматриваемых условиях.

Невосстанавливаемый объект - объект, работоспособность которого в случае возникновения отказа не подлежит восстановлению в рассматриваемых условиях.

При анализе надежности, особенно при выборе показателей надежности объекта, существенное значение имеет решение, которое должно быть принято в случае отказа объекта. Если в рассматриваемой ситуации восстановление работоспособности данного объекта при его отказе по каким-либо причинам признается нецелесообразным или неосуществимым (например, из-за невозможности прерывания выполняемой функции), то такой объект в данной ситуации является невосстанавливаемым. Таким образом, один и тот же объект 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 один и тот же объект 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.
Авария* - событие, заключающееся в переходе объекта с одного уровня работоспособности или относительного уровня функционирования на другой, существенно более низкий, с крупным нарушением режима работы объекта. Авария может привести к частичному или полному разрушению объекта, созданию опасных условий для человека и окружающей среды.

Временные характеристики объекта

Наработка - продолжительность или объем работы объекта. Объект может работать непрерывно или с перерывами. Во втором случае учитывается суммарная наработка. Наработка может измеряться в единицах времени, циклах, единицах выработки и др. единицах. В процессе эксплуатации различают суточную, месячную наработку, наработку до первого отказа, наработку между отказами, заданную наработку и т.д.
Если объект эксплуатируется в различных режимах нагрузки, то, например, наработка в облегченном режиме может быть выделена и учитываться отдельно от наработки при номинальной нагрузке.

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.

Срок службы - календарная продолжительность эксплуатации объекта от ее начала или возобновления после капитального или среднего ремонта до наступления предельного состояния.

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

Срок сохраняемости - календарная продолжительность хранения и (или) транспортирования объекта в заданных условиях, в течение и после которой сохраняются значения установленных показателей (в том числе и показателей надежности) в заданных пределах.

Определение надежности
Работа любой технической системы может характеризоваться ее эффективностью (рис. 4.1.1), под которой понимается совокупность свойств, определяющих способность системы выполнять при ее создании определенные задачи.

Рис. 4.1.1. Основные свойства технических систем

В соответствии с ГОСТ 27.002-89 под надежностью понимают свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортировки.

Таким образом:
1. Надежность - свойство объекта сохранять во времени способность выполнять требуемые функции. Например: для электродвигателя - обеспечивать требуемые момент на валу и скорость; для системы электроснабжения - обеспечивать электроприемники энергией требуемого качества.

2. Выполнение требуемых функций должно происходить при значениях параметров в установленных пределах. Например: для электродвигателя - обеспечивать требуемые момент и скорость при температуре двигателя, не превышающей определенного предела, отсутствии выделения источника взрыва, пожара и т.д.

3. Способность выполнять требуемые функции должна сохраняться в заданных режимах (например, в повторно-кратковременном режиме работы); в заданных условиях (например, в условиях запыленности, вибрации и т.д.).

4. Объект должен обладать свойством сохранять способность выполнять требуемые функции в различные фазы его жизни: при рабочей эксплуатации, техническом обслуживании, ремонте, хранении и транспортировке.

Надежность - важный показатель качества объекта. Его нельзя ни противопоставлять, ни смешивать с другими показателями качества. Явно недостаточной, например, будет информация о качестве очистительной установки, если известно только то, что она обладает определенной производительностью и некоторым коэффициентом очистки, но неизвестно, насколько устойчиво сохраняются эти характеристики при ее работе. Бесполезна также информация о том, что установка устойчиво сохраняет присущие ей характеристики, но неизвестны значения этих характеристик. Вот почему в определение понятия надежности входит выполнение заданных функций и сохранение этого свойства при использовании объекта по назначению.

В зависимости от назначения объекта оно может включать в себя в различных сочетаниях безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость. Например, для невосстанавливаемого объекта, не предназначенного для хранения, надежность определяется его безотказностью при использовании по назначению. Информация о безотказности восстанавливаемого изделия, длительное время находящегося в состоянии хранения и транспортировки, не в полной мере определяет его надежность (при этом необходимо знать и о ремонтопригодности, и сохраняемости). В ряде случаев очень важное значение приобретает свойство изделия сохранять работоспособность до наступления предельного состояния (снятие с эксплуатации, передача в средний или капитальный ремонт), т.е. необходима информация не только о безотказности объекта, но и о его долговечности.

Техническая характеристика, количественным образом определяющая одно или несколько свойств, составляющих надежность объекта именуется показатель надежности. Он количественно характеризует, в какой степени данному объекту или данной группе объектов присущи определенные свойства, обусловливающие надежность. Показатель надежности может иметь размерность (например, среднее время восстановления) или не иметь ее (например, вероятность безотказной работы).

Надежность в общем случае - комплексное свойство, включающее такие понятия, как безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость. Для конкретных объектов и условий их эксплуатации эти свойства могут иметь различную относительную значимость.

Безотказность - свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторой наработки или в течение некоторого времени.

Ремонтопригодность - свойство объекта быть приспособленным к предупреждению и обнаружению отказов и повреждений, к восстановлению работоспособности и исправности в процессе технического обслуживания и ремонта.

Долговечность - свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния с необходимым прерыванием для технического обслуживания и ремонтов.

Сохраняемость - свойство объекта непрерывно сохранять исправное и работоспособное состояние в течение (и после) хранения и (или) транспортировки.

Для показателей надежности используются две формы представления: вероятностная и статистическая. Вероятностная форма обычно бывает удобнее при априорных аналитических расчетах надежности, статистическая - при экспериментальном исследовании надежности технических систем. Кроме того, оказывается, что одни показатели лучше интерпретируются в вероятностных терминах, а другие - в статистических.

Показатели безотказности и ремонтопригодности
Наработка до отказа - вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ объекта не возникнет (при условии работоспособности в начальный момент времени).
Для режимов хранения и транспортировки может применяться аналогично определяемый термин "вероятность возникновения отказа".

Средняя наработка до отказа - математическое ожидание случайной наработки объекта до первого отказа.
Средняя наработка между отказами - математическое ожидание случайной наработки объекта между отказами.

Обычно этот показатель относится к установившемуся процессу эксплуатации. В принципе средняя наработка между отказами объектов, состоящих из стареющих во времени элементов, зависит от номера предыдущего отказа. Однако с ростом номера отказа (т.е. с увеличением длительности эксплуатации) эта величина стремится к некоторой постоянной, или, как говорят, к своему стационарному значению.
Средняя наработка на отказ - отношение наработки восстанавливаемого объекта за некоторый период времени к математическому ожиданию числа отказов в течение этой наработки.

Этим термином можно назвать кратко среднюю наработку до отказа и среднюю наработку между отказами, когда оба показателя совпадают. Для совпадения последних необходимо, чтобы после каждого отказа объект восстанавливался до первоначального состояния.

Заданная наработка - наработка, в течение которой объект должен безотказно работать для выполнения своих функций.

Среднее время простоя - математическое ожидание случайного времени вынужденного нерегламентированного пребывания объекта в состоянии неработоспособности.

Среднее время восстановления - математическое ожидание случайной продолжительности восстановления работоспособности (собственно ремонта).

Вероятность восстановления - вероятность того, что фактическая продолжительность восстановления работоспособности объекта не превысит заданной.

Показатель технической эффективности функционирования - мера качества собственно функционирования объекта или целесообразности использования объекта для выполнения заданных функций.
Этот показатель определяется количественно как математическое ожидание выходного эффекта объекта, т.е. в зависимости от назначения системы принимает конкретное выражение. Часто показатель эффективности функционирования определяется как полная вероятность выполнения объектом задачи с учетом возможного снижения качества его работы из-за возникновения частичных отказов.

Коэффициент сохранения эффективности - показатель, характеризующий влияние степени надежности к максимально возможному значению этого показателя (т.е. соответствующему состоянию полной работоспособности всех элементов объекта).

Нестационарный коэффициент готовности - вероятность того, что объект окажется работоспособным в заданный момент времени, отсчитываемый от начала работы (или от другого строго определенного момента времени), для которого известно начальное состояние этого объекта.

Средний коэффициент готовности - усредненное на заданном интервале времени значение нестационарного коэффициента готовности.

Стационарный коэффициент готовности (коэффициент готовности) - вероятность того, что восстанавливаемый объект окажется работоспособным в произвольно выбранный момент времени в установившемся процессе эксплуатации. (Коэффициент готовности может быть определен и как отношение времени, в течение которого объект находится в работоспособном состоянии, к общей длительности рассматриваемого периода. Предполагается, что рассматривается установившийся процесс эксплуатации, математической моделью которого является стационарный случайный процесс. Коэффициент готовности является предельным значением, к которому стремятся и нестационарный, и средний коэффициенты готовности с ростом рассматриваемого интервала времени.

Часто используются показатели, характеризующие простой объект, - так называемые коэффициенты простоя соответствующего типа. Каждому коэффициенту готовности можно поставить в соответствие определенный коэффициент простоя, численно равный дополнению соответствующего коэффициента готовности до единицы. В соответствующих определениях работоспособность следует заменить на неработоспособность.

Нестационарный коэффициент оперативной готовности - вероятность того, что объект, находясь в режиме ожидания, окажется работоспособным в заданный момент времени, отсчитываемый от начала работы (или от другого строго определенного времени), и начиная с этого момента времени будет работать безотказно в течение заданного времени.

Средний коэффициент оперативной готовности - усредненное на заданном интервале значение нестационарного коэффициента оперативной готовности.

Стационарный коэффициент оперативной готовности (коэффициент оперативной готовности) - вероятность того, что восстанавливаемый элемент окажется работоспособным в произвольный момент времени, и с этого момента времени будет работать безотказно в течение заданного интервала времени.
Предполагается, что рассматривается установившийся процесс эксплуатации, которому соответствуют в качестве математической модели стационарный случайный процесс.

Коэффициент технического использования - отношение средней наработки объекта в единицах времени за некоторый период эксплуатации к сумме средних значений наработки, времени простоя, обусловленного техническим обслуживанием, и времени ремонтов за тот же период эксплуатации.

Интенсивность отказов - условная плотность вероятности отказа невосстанавливаемого объекта, определяемая для рассматриваемого момента времени при условии, что до этого момента отказ не возник.
Параметр потока отказов - плотность вероятности возникновения отказа восстанавливаемого объекта, определяемая для рассматриваемого момента времени.

Параметр потока отказа может быть определен как отношение числа отказов объекта за определенный интервал времени к длительности этого интервала при ординарном потоке отказов.

Интенсивность восстановления - условная плотность вероятности восстановления работоспособности объекта, определенная для рассматриваемого момента времени, при условии, что до этого момента восстановление не было завершено.

Показатели долговечности и сохраняемости

Гамма-процентный ресурс - наработка, в течение которой объект не достигает предельного состояния с заданной вероятностью 1- ?.

Средний ресурс - математическое ожидание ресурса.

Назначенный ресурс - суммарная наработка объекта, при достижении которой эксплуатация должна быть прекращена независимо от его состояния.

Средний ремонтный ресурс - средний ресурс между смежными капитальными ремонтами объекта.

Средний ресурс до списания - средний ресурс объекта от начала эксплуатации до его списания.

Средний ресурс до капитального ремонта средний ресурс от начала эксплуатации объекта до его первого капитального ремонта.

Гамма-процентный срок службы - срок службы, в течение которого объект не достигает предельного состояния с вероятностью 1- ?.

Средний срок службы - математическое ожидание срока службы.

Средний межремонтный срок службы - средний срок службы между смежными капитальными ремонтами объекта.

Средний срок службы до капитального ремонта - средний срок службы от начала эксплуатации объекта до его первого капитального ремонта.

Средний срок службы до списания - средний срок службы от начала эксплуатации объекта до его списания.

Гамма-процентный срок сохраняемости - продолжительность хранения, в течение которой у объекта сохраняются установленные показатели с заданной вероятностью 1- ?.

Средний срок сохраняемости - математическое ожидание срока сохраняемости.

Виды надежности

Многоцелевое назначение оборудования и систем приводит к необходимости исследовать те или другие стороны надежности с учетом причин, формирующих надежностные свойства объектов. Это приводит к необходимости подразделения надежности на виды.

Различают:
- аппаратурную надежность, обусловленную состоянием аппаратов; в свою очередь она может подразделяться на надежность конструктивную, схемную, производственно-технологическую;
- функциональную надежность, связанную с выполнением некоторой функции (либо комплекса функций), возлагаемых на объект, систему;
- эксплуатационную надежность, обусловленную качеством использования и обслуживания;
- программную надежность, обусловленную качеством программного обеспечения (программ, алгоритмов действий, инструкций и т.д.);
- надежность системы "человек-машина", зависящую от качества обслуживания объекта человеком-оператором.

Характеристики отказов

Одним из основных понятий теории надежности является понятие отказа (объекта, элемента, системы).
Отказ объекта - событие, заключающееся в том, что объект полностью или частично перестает выполнять заданные функции. При полной потере работоспособности возникает полный отказ, при частичной - частичный. Понятия полного и частичного отказов каждый раз должны быть четко сформулированы перед анализом надежности, поскольку от этого зависит количественная оценка надежности.

По причинам возникновения отказов в данном месте различают:
отказы из-за конструктивных дефектов;
отказы из-за технологических дефектов;
отказы из-за эксплуатационных дефектов;
отказы из-за постепенного старения (износа).
Отказы вследствие конструктивных дефектов возникают как следствие несовершенства конструкции из-за "промахов" при конструировании. В этом случае наиболее распространенными являются недоучет "пиковых" нагрузок, применение материалов с низкими потребительскими свойствами, схемные "промахи" и др. Отказы этой группы сказываются на всех экземплярах изделия, объекта, системы.
Отказы из-за технологических дефектов возникают как следствие нарушения принятой технологии изготовления изделий (например, выход отдельных характеристик за установленные пределы). Отказы этой группы характерны для отдельных партий изделий, при изготовлении которых наблюдались нарушения технологии изготовления.

Отказы из-за эксплуатационных дефектов возникают по причине несоответствия требуемых условий эксплуатации, правил обслуживания действительным. Отказы этой группы характерны для отдельных экземпляров изделий.

Отказы из-за постепенного старения (износа) вследствие накопления необратимых изменений в материалах, приводящих к нарушению прочности (механической, электрической), взаимодействия частей объекта.

Отказы по причинным схемам возникновения подразделяются на следующие группы:
отказы с мгновенной схемой возникновения;
отказы с постепенной схемой возникновения;
отказы с релаксационной схемой возникновения;
отказы с комбинированными схемами возникновения.
Отказы с мгновенной схемой возникновения характеризуются тем, что время наступления отказа не зависит от времени предшествующей эксплуатации и состояния объекта, момент отказа наступает случайно, внезапно. Примерами реализации такой схемы могут служить отказы изделий под действием пиковых нагрузок в электрической сети, механическое разрушение посторонним внешним воздействием и т.п.
Отказы с постепенной схемой возникновения происходят за счет постепенного накопления вследствие физико-химических изменений в материалах повреждений. При этом значения некоторых "решающих" параметров выходят за допустимые границы и объект (система) не способен выполнять заданные функции. Примерами реализации постепенной схемы возникновения могут служить отказы вследствие снижения сопротивления изоляции, электрической эрозии контактов и т.п.

Отказы с релаксационной схемой возникновения характеризуются первоначальным постепенным накоплением повреждений, которые создают условия для скачкообразного (резкого) изменения состояния объекта, после которого возникает отказное состояние. Примерами реализации релаксационной схемы возникновения отказов могут служить пробой изоляции кабеля вследствие коррозионного разрушения брони.

Отказы с комбинированными схемами возникновения характерны для ситуаций, когда одновременно действуют несколько причинных схем. Примером, реализующим эту схему, может служить отказ двигателя в результате короткого замыкания по причинам снижения сопротивления изоляции обмоток и перегрева.
При анализе надежности необходимо выявлять преобладающие причины отказов и лишь затем, если в этом есть необходимость, учитывать влияние остальных причин.

По временному аспекту и степени предсказуемости отказы подразделяются на внезапные и постепенные.
По характеру устранения с течением времени различают устойчивые (окончательные) и самоустраняющиеся (кратковременные) отказы. Кратковременный отказ называется сбоем. Характерный признак сбоя - то, что восстановление работоспособности после его возникновения не требует ремонта аппаратуры. Примером может служить кратковременно действующая помеха при приеме сигнала, дефекты программы и т.п.
Для целей анализа и исследования надежности причинные схемы отказов можно представить в виде статистических моделей, которые вследствие вероятностного возникновения повреждений описываются вероятностными законами.

Виды отказов и причинные связи

Отказы элементов систем являются основными предметами исследования при анализе причинных связей.
Как показано во внутреннем кольце (рис.4.1.2), расположенном вокруг "отказа элементов", отказы могут возникать в результате:
1) первичных отказов;
2) вторичных отказов;
3) ошибочных команд (инициированные отказы).

Отказы всех этих категорий могут иметь различные причины, приведенные в наружном кольце. Когда точный вид отказов определен и данные по ним получены, а конечное событие является критическим, то они рассматриваются как исходные отказы.

Первичный отказ элемента определяют как нерабочее состояние этого элемента, причиной которого является он сам, и необходимо выполнить ремонтные работы для возвращения элемента в рабочее состояние. Первичные отказы происходят при входных воздействиях, значение которых находится в пределах, лежащих в расчетном диапазоне, а отказы объясняются естественным старением элементов. Разрыв резервуара вследствие старения (усталости) материала служит примером первичного отказа.
Вторичный отказ - такой же, как первичный, за исключением того, что сам элемент не является причиной отказа. Вторичные отказы объясняются воздействием предыдущих или текущих избыточных напряжений на элементы. Амплитуда, частота, продолжительность действия этих напряжений могут выходить за пределы допусков или иметь обратную полярность и вызываются различными источниками энергии: термической, механической, электрической, химической, магнитной, радиоактивной и т.п. Эти напряжения вызываются соседними элементами или окружающей средой, например - метеорологическими (ливень, ветровая нагрузка), геологическими условиями (оползни, просадка грунтов), а также воздействием со стороны других технических систем.

Рис. 4.1.2. Характеристики отказов элементов

Примером вторичных отказов служит "срабатывание предохранителя от повышенного электрического тока", "повреждение емкостей для хранения при землетрясении". Следует отметить, что устранение источников повышенных напряжений не гарантирует возвращение элемента в рабочее состояние, так как предыдущая перегрузка могла вызвать необратимое повреждение в элементе, требующее в этом случае ремонта.
Инициированные отказы (ошибочные команды). Люди, например, операторы и обслуживающий технический персонал, также являются возможными источниками вторичных отказов, если их действия приводят к выходу элементов из строя. Ошибочные команды представляются в виде элемента, находящегося в нерабочем состоянии из-за неправильного сигнала управления или помех (при этом лишь иногда требуется ремонт для возвращения данного элемента в рабочее состояние). Самопроизвольные сигналы управления или помехи часто не оставляют последствий (повреждений), и в нормальных последующих режимах элементы работают в соответствии с заданными требованиями. Типичными примерами ошибочных команд являются: "напряжение приложено самопроизвольно к обмотке реле", "переключатель случайно не разомкнулся из-за помех", "помехи на входе контрольного прибора в системе безопасности вызвали ложный сигнал на остановку", "оператор не нажал на аварийную кнопку" (ошибочная команда от аварийной кнопки).

Множественный отказ (отказы общего характера) есть событие, при котором несколько элементов выходят из строя по одной и той же причине. К числу таких причин могут быть отнесены следующие:
- конструкторские недоработки оборудования (дефекты, не выявленные на стадии проектирования и приводящие к отказам вследствие взаимной зависимости между электрическими и механическими подсистемами или элементами избыточной системы);
- ошибки эксплуатации и технического обслуживания (неправильная регулировка или калибровка, небрежность оператора, неправильное обращение и т. п.);
- воздействие окружающей среды (влага, пыль, грязь, температура, вибрация, а также экстремальные режимы нормальной эксплуатации);
- внешние катастрофические воздействия (естественные внешние явления, такие, как наводнение, землетрясение, пожар, ураган);
- общий изготовитель (резервируемое оборудование или его компоненты, поставляемые одним и тем же изготовителем, могут иметь общие конструктивные или производственные дефекты. Например, производственные дефекты могут быть вызваны неправильным выбором материала, ошибками в системах монтажа, некачественной пайкой и т. п.);
- общий внешний источник питания (общий источник питания для основного и резервного оборудования, резервируемых подсистем и элементов);
- неправильное функционирование (неверно выбранный комплекс измерительных приборов или неудовлетворительно спланированные меры защиты).

Известен целый ряд примеров множественных отказов: так, некоторые параллельно соединенные пружинные реле выходили из строя одновременно и их отказы были вызваны общей причиной; вследствие неправильного расцепления муфт при техническом обслуживании два клапана оказались установлены в неправильное положение; из-за разрушения паропровода имели место сразу несколько отказов коммутационного щита. В некоторых случаях общая причина вызывает не полный отказ резервированной системы (одновременный отказ нескольких узлов, т.е. предельный случай), а менее серьезное общее понижение надежности, что приводит к повышению вероятности совместного отказа узлов систем. Такое явление наблюдается в случае исключительно неблагоприятных окружающих условий, когда ухудшение характеристик приводит к отказу резервного узла. Наличие общих неблагоприятных внешних условий приводит к тому, что отказ второго узла зависит от отказа первого и спарен с ним.

Для каждой общей причины необходимо определить все вызываемые ею исходные события. При этом определяют сферу действия каждой общей причины, а также место расположения элементов и время происшествия. Некоторые общие причины имеют лишь ограниченную сферу действия. Например, утечка жидкости может ограничиваться одним помещением, и электрические установки, их элементы в других помещениях не будут повреждены вследствие утечек, если только эти помещения не сообщаются друг с другом.

Отказ считают по сравнению с другим более критичным, если его предпочтительнее рассматривать в первую очередь при разработке вопросов надежности и безопасности. При сравнительной оценке критичности отказов учитывают последствия отказа, вероятность возникновения, возможность обнаружения, локализации и т.д.

Указанные выше свойства технических объектов и промышленная безопасность - взаимосвязаны. Так, при неудовлетворительной надежности объекта вряд ли следует ожидать хороших показателей по его безопасности. В то же время, перечисленные свойства имеют свои самостоятельные функции. Если при анализе надежности изучается способность объекта выполнять заданные функции (при определенных условиях эксплуатации) в установленных пределах, то при оценке промышленной безопасности выявляют причинно-следственные связи возникновения и развития аварий и других нарушений с всесторонним анализом последствий этих нарушений.

Отдельного рассмотрения требует такой термин, как «Отказ». Это ключевое понятие в теории надежности. Переход из исправного состояния в неисправное, но работоспособное состояние происходит из-за повреждений. Переход объекта в неработоспособное состояние осуществляется через отказ. Отказ есть событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта. Именно возникновение отказов в процессе функционирования техники стимулировало появление и развитие теории надежности. Поэтому отказ по праву считается ключевым понятием в теории надежности. И не случайно, что главным из свойств, составляющих надежность, является безотказность. На практике главная деятельность людей, обслуживающих технику, заключается в устранении отказов, в восстановлении работоспособного состояния объектов. Ну и, конечно, обслуживающему персоналу всегда интересно знать о прогнозе в смысле возникновения отказов, интересно знать ожидаемое время безотказной работы. Это позволяет оценивать эффективность технических систем при выполнении свойственных им задач, рассчитывать потребное количество запасных частей для замены отказавших. Проведение технического обслуживания, установление периодичности профилактических работ также базируется на учете возможных отказов. Короче говоря, отталкиваясь от такого понятия, как «отказ» была разработана теория надежности.

Для различения отказов их классифицируют. Различают классификацию отказов математическую (вероятностную) и классификацию инженерную (физическую).

По причинам возникновения отказы могут быть конструктивными, производственными, эксплуатационными и деградационными.

Конструктивный отказ возникает по причине несовершенства или нарушения установленных правил и норм проектирования и конструирования. Очевидно, что совершенство конструкции технических объектов во многом зависит и от человеческого фактора, а именно, от таланта конструкторов-разработчиков. Именно они призваны обеспечить отсутствие «слабых звеньев» в конструкции разрабатываемой техники.

Производственный отказ возникает по причине несовершенства или нарушения установленного процесса изготовления или ремонта. Можно хорошую конструкцию загубить тем, что принято называть низкой «культурой производства».

Эксплуатационный отказ возникает по причине, связанной с нарушением установленных правил и условий эксплуатации. Любой образец техники имеет комплект эксплуатационной документации, разработанной с учетом рекомендаций теории надежности. Задача обслуживающего персонала состоит в строгом выполнении инструкций по эксплуатации. Когда это не выполняется, может возникнуть эксплуатационный отказ. Нередко такие отказы возникают при невыполнении или низком качестве каких-либо мероприятий технического обслуживания, упреждающего отказы.

Деградационный отказ обусловливается естественными процессами старения, изнашивания, коррозии и усталости при соблюдении всех установленных правил и норм проектирования, изготовления и эксплуатации. Каждый образец техники имеет вполне определенный ограниченный ресурс. Конечно, размер этого ресурса зависит от совершенства конструкции и «культуры производства», но он всегда конечен. Старение характерно не только для живых существ, но и для технических объектов.

По характеру проявления отказы можно также разделить на случайные и систематические. Случайные отказы могут быть вызваны перегрузками, дефектами материалов и изготовления, ошибками персонала, сбоями. Чаще всего проявляются в неблагоприятных условиях эксплуатации.

Систематические отказы возникают по причинам, вызывающим постепенное накопление повреждений (время, температура, облучение). Выражаются в виде износа, старения, коррозии, залипания, утечки и т.д.

Отказы нельзя смешивать с дефектами. Дефектом называется каждое отдельное несоответствие объекта требованиям, установленным нормативной документацией. Этот термин применяем ко всем видам промышленной и непромышленной продукции.

Полный отказ ведет к полной потере работоспособности. Частичный отказ ведет к частичной потере работоспособности.

Математическая классификация отказов:

Постепенные отказы - развиваются во времени и связаны со старением, износом, усталостной прочностью и другими факторами изменения свойств материала.

Внезапные отказы – на вероятность их появления не влияет время предыдущей работы.

Совместные отказы – отказы элементов объекта, могущие одновременно появиться в количестве двух и более.

Несовместные отказы – отказы, из которых никакие два не могут появиться вместе.

Независимые отказы – вероятности их появления не зависят друг от друга.

Зависимые отказы – вероятность появления одного отказа связана с вероятностью появления другого.

Инженерная классификация отказов:

1. По выявлению:

– до выполнения функций;

– во время выполнения функций.

2. По последствиям:

– без последствий;

– приводит к невыполнению функций;

– приводит к происшествиям.

3. По причинам:

– конструктивно-производственные ошибки;

– ошибки оперативного персонала;

– внешние или случайные причины.

4. По способу устранения:

– восстановление работоспособности на месте эксплуатации;

– частичный ремонт в ремонтных службах;

– капитальный ремонт;

– списание объекта.

Кроме понятия «отказ» в прикладной теории надежности и на практике могут использоваться другие понятия, связанные с нарушением работоспособности объекта:

Поломка – повреждение объекта, которое может быть устранено силами экипажа или ремонтных служб, не влекущее гибели людей.

Происшествие – событие, связанное с нарушением функционирования объекта вследствие его разрушения или повреждения.

Авария – такое повреждение объекта, при котором его восстановление нецелесообразно по экономическим критериям (но не влечет гибели людей).

Катастрофа – полное разрушение объекта, обычно влекущее гибель людей.

Как известно, до появления теоретических основ надежности, о надежности технических объектов говорили обычно в качественном плане. Это звучало примерно так: «этот объект надежный, а тот ненадежный». Действительно, если объект чаще находился в нерабочем состоянии, чем в рабочем, его вряд ли можно было назвать надежным. Но по мере развития техники стали возникать естественные вопросы: чего нам ожидать на предполагаемом периоде работы техники; каков прогноз сохранения работоспособного состояния; какой назначать ресурс технического объекта; какое количество запасных частей необходимо иметь на планируемый период эксплуатации; как повысить надежность технической системы, если элементная база обладает недостаточной надежностью? Эти и другие задачи привели к разработке теории надежности. А теория надежности технических объектов немыслима без количественных характеристик и, соответственно, методов их расчета.

Исследование надежности техники началось с рассмотрения невосстанавливаемых технических объектов, то есть, объектов работающих до первого отказа, который в данных условиях эксплуатации является и последним. Когда мы говорим о восстановлении, то имеем в виду восстановление работоспособного состояния технического объекта. Следует заметить, что свойство восстанавливаемости зависит не столько от конструкции технического объекта, сколько от условий его эксплуатации. Так, например, вышедшая из строя ракета в условиях корабля является невосстанавливаемым объектом, а в условиях базы вооружения или в условиях завода - изготовителя, безусловно, является восстанавливаемой.

Очевидно, что сложные комплексы вооружения являются восстанавливаемыми системами. Деятельность личного состава во многом заключается в поддержании их работоспособного состояния. В то же время понятно, что восстановление работоспособности сложных систем производится, как правило, заменой невосстанавливаемых элементарных устройств. Для этого на объектах эксплуатации имеется комплект запасных частей. Поэтому знание характеристик надежности невосстанавливаемых объектов, умение их оценить на практике, безусловно, важно для персонала, эксплуатирующего технику. Следует подчеркнуть тот факт, что разработка основ теории надежности началась с изучения характеристик именно невосстанавливаемых элементов, этих «кирпичиков», из которых строится «здание» любой технической системы.

Надежность - свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования. Под объектом здесь и далее понимается (если не оговорено специально) предмет определенного целевого назначения, рассматриваемый в периоды проектирования, производства, эксплуатации, исследований и испытаний на надежность. Объектами могут быть изделия, системы и их элементы, в частности, сооружения, установки, устройства, машины, аппараты, приборы и их части, агрегаты и отдельные детали.

Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость или определенные сочетания этих свойств. В технической диагностике из перечисленных составляющих надежности на первый план выдвигаются, как правило, два свойства - безотказность и ремонтопригодность объекта.

Безотказность - свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или наработки.

Ремонтопригодность - свойство объекта, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонта.

Для определения надежности и ее составляющих необходимо знать техническое состояние объекта - это такое состояние, которое характеризуется в определенный момент времени, при определенных условиях внешней среды значениями параметров, установленных технической документацией на объект. К факторам, под воздействием которых изменяется техническое состояние объекта, относятся следующие:

· действие климатических условий;

· старение материалов объекта с течением времени;

· операции регулировки и настройки в ходе изготовления или ремонта;

· замена отказавших элементов, узлов или блоков объекта.

Об изменении технического состояния объекта судят по значениям диагностических (контролируемых) параметров, позволяющих определить это состояние объекта без его разборки. В теории надежности рассматриваются следующие виды технического состояния : исправное, неисправное, работоспособное, неработоспособное и предельное .

Исправное состояние (исправность) - состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям технической документации.

Неисправное состояние (неисправность) - состояние объекта, при котором он не соответствует хотя бы одному из требований технической документации (примеры: нарушение лакокрасочного покрытия, выход значений параметров за пределы допуска, нарушение признаков нормального функционирования объекта и т. д).

Работоспособное состояние (работоспособность) - состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям технической документации. Работоспособное состояние характеризуется совокупностью определенных признаков, таких как нахождение значений заданных параметров объекта в пределах допусков, установленных для этих параметров, рядом качественных признаков, определяющих его нормальное функционирование. В отличие от исправного объекта работоспособный должен удовлетворять лишь тем требованиям технической документации, выполнение которых обеспечивает его нормальное применение по назначению. Работоспособный объект может быть неисправным - например, не удовлетворять эстетическим требованиям, если ухудшение внешнего вида объекта не препятствует его применению по назначению.

Неработоспособное состояние (неработоспособность) - состояние объекта, при котором значение хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям технической документации.

Предельное состояние - состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна, либо восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно.

Переход объекта из одного состояния в другое происходит вследствие возникновения в нем дефектов. Дефект - это каждое отдельное несоответствие объекта установленным требованиям. В зависимости от последствий дефекты подразделяются на повреждения и отказы.

Повреждение - событие, заключающееся в нарушении исправного состояния объекта при сохранении работоспособного состояния. К повреждениям относят отклонения во внешнем виде объекта от требований технической документации, нарушения в органах включения, настройки и регулировки, а также некоторые механические повреждения, не препятствующие применению объекта по назначению, но создающие неудобства обслуживающему персоналу и приводящие в будущем к отказу объекта.

Повреждением является, например, нарушение лакокрасочного покрытия, вызывающее переход объекта из исправного состояния в неисправное при сохранении его работоспособности.

Отказ - событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта. Признаками возникновения отказа являются недопустимые изменения признаков работоспособного состояния объекта (выход значений параметров за пределы допуска, нарушение признаков нормального функционирования). Для неремонтируемого объекта возникновение отказа ведет в конечном итоге к его переходу в предельное состояние и снятию с эксплуатации. Для ремонтируемого объекта последствия отказа устраняются восстановлением и ремонтом.

По типу отказы подразделяются на:

· отказы функционирования , при которых прекращается выполнение объектом основных функций;

· отказы параметрические , при которых параметры объекта изменяются в недопустимых пределах (например, потеря точности измерения напряжения вольтметром).

По своей природе отказы могут быть:

· случайные , обусловленные непредусмотренными перегрузками, дефектами материала, ошибками персонала, сбоями системы управления и т.п.;

· систематические , обусловленные закономерными явлениями, вызывающими постепенное накопление повреждений: усталость, старение и т.п.

Основными признаками классификации отказов являются:

· характер возникновения;

· причина возникновения; последствия отказов;

· дальнейшее использование объекта;

· легкость обнаружения;

· время возникновения.

По характеру возникновения отказы могут быть внезапные, постепенные и перемежающиеся. Внезапный отказ - это отказ, проявляющийся в резком (мгновенном) изменении характеристик объекта. Постепенный отказ - отказ, происходящий в результате медленного, постепенного ухудшения характеристик объекта из-за износа и старения материалов. Внезапные отказы обычно проявляются в виде механических повреждений элементов (поломки, пробои изоляции, обрывы и т.п.) и не сопровождаются предварительными видимыми признаками их приближения. Внезапный отказ характеризуется независимостью момента наступления от времени предыдущей работы. Перемежающимся называется самоустраняющийся отказ (возникающий / исчезающий, например, сбой компьютера).

По причине возникновения отказы могут быть конструкционные, производственные и эксплуатационные. Конструкционный отказ появляется в результате недостатков и неудачной конструкции объекта. Производственный отказ связан с ошибками при изготовлении объекта по причине несовершенства или нарушения технологии. Эксплуатационный отказ вызывается нарушением правил эксплуатации объекта.

По признаку дальнейшего использования объекта отказы могут быть полные и частичные. Полный отказ исключает возможность работы объекта до его устранения. При возникновении частичного отказа объект может частично использоваться.

По признаку легкости обнаружения отказы бывают очевидные (явные) и скрытые (неявные).

По времени возникновения отказы подразделяются на приработочные , возникающие в начальный период эксплуатации, отказы при нормальной эксплуатации, износовые отказы, вызванные необратимыми процессами износа деталей, старения материалов и т.п.

Отключение - перевод объекта из рабочего в нерабочее состояние.

Преднамеренное отключение - отключение, намеченное и выполненное обслуживающим персоналом.

Восстановление - событие, заключающееся в переходе из неработоспособного состояния в работоспособное.

Включение - перевод объекта из нерабочего состояния в работоспособное.

Старение - процесс постепенного изменения физико-химических свойств объекта, вызываемый действием факторов, независимых от режима работы объекта.

Износ - процесс постепенного изменения физико-химических свойств объекта, вызываемый действием зависящих от режима работы объекта факторов.

Обслуживание - совокупность мер, предпринимаемых для сохранения или восстановления исправности объекта.

Ремонт - совокупность мер, предпринимаемых для восстановления работоспособности объекта.

Оперативные отключения - изменения схемы или режима работы объекта, выполняемые обслуживающим персоналом.

Схема перехода объекта из одного состояния в другое представлена на рис. 2.1.

Ряд важных свойств объекта характеризуют выходные параметры, называемые пороговыми (например, максимальная нагрузка, при которой сохраняется работоспособность изделия, максимально допустимая температура, минимально различимая амплитуда сигнала и др.). Под пороговыми выходными данными подразумеваются граничные значения внешних параметров, при которых еще выполняется тот или иной оговоренный признак правильности функционирования объекта.

Требования к выходным параметрам, как правило, задаются в техническом задании (ТЗ). Величины, характеризующие эти требования, называются техническими требованиями (ТТ). Они удовлетворяются за счет изменения управляемых параметров Х .

В процессе проектирования представляют интерес только те значения управляемых параметров Х , которые принадлежат множеству D , образованному пересечением множеств D x и D g :

Выражения (2.1)…(2.2) означают, что множество D состоит из всех тех векторов x= (x 1 , x 2 ,…, x n), для которых одновременно выполняются системы неравенств

Множество D называется допустимой областью изменения управляемых параметров Х . Любой вектор х , принадлежащий допустимой области D, определяет работоспособный (в смысле удовлетворения техническим требованиям) вариант проектируемого устройства. Иными словами, соотношения между выходными параметрами и техническими требованиями называют условиями работоспособности .

По своей структуре допустимая область D можетоказаться выпуклым или невыпуклым множеством, которое, в свою очередь, может быть односвязной или многосвязной областью.

Допустимая область D называется многосвязной, если она состоит из нескольких отдельных частей (выпуклых или невыпуклых), которые не связаны между собой. В противном случае допустимая область D называется односвязной. На рис. 2.2 приведены примеры односвязной D и многосвязной D 1 и D 2 областей.

Для односвязной области:

Для многосвязной области , состоящей из двух частей D 1 и D 2

Пример 2.1 . Техническое задание на разработку принципиальной схемы электронного усилителя. Коэффициент усиления K 0 на средних частотах должен быть не менее 10 4 ; входное сопротивление R вх на средних частотах - не менее 1МОм; выходное сопротивление R вых - не более 200 Ом; верхняя граничная частота f в не менее 100 кГц; температурный дрейф нуля U др - не более 50 мкВ/град; усилитель должен нормально функционировать в диапазоне температур от -50 о до +60 о С; напряжения источников питания +5 и -5 В; предельные отклонения напряжения источников питания должны быть не более ±0,5%, усилитель эксплуатируется в стационарной установке.

В данном случае выходными параметрами являются коэффициент усиления, входное и выходное сопротивления, граничная частота, температурный дрейф, т.е. Y = .

К внешним параметрам относятся температура окружающей среды и напряжения источников питания.

Внутренние параметры в техническом задании не упоминаются, их перечень и смысл выявляются после синтеза структуры схемы. К внутренним относятся параметры резисторов, конденсаторов, транзисторов (параметры элементов схемы).

Обозначим вектор технических требований через ТТ, т.е. ТТ = (10 4 , 1 МОм, 200 Ом, 100 кГц, 50 мкВ/град).

В рассмотренном примере условия работоспособности имеют вид следующих неравенств: K 0 ≥ 10 4 , R вх ≥ 1 МОм, R вых ≤ 0,2 кОм, f в ≥ 100 кГц, U др ≤ 50 мкВ/град.