Основные понятия теории надежности

Важнейшей стороной качества объекта является надежность, т.е. свойство объекта сохранять во времени значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции. Решение практических задач теории надежности применительно к объектам химической промышленности, химического машиностроения и смежных отраслей; не имеет многолетней истории и в то же время играет огромную роль в решении центральной задачи – кардинального повышения качества выпускаемой продукции.

Современные условия требуют решения на высоком уровне вопросов проектирования, изготовления, испытания, доводки и эксплуатации машин и агрегатов химических производств и обеспечения их надежности на всех этапах жизненного цикла изделия.

Наука о надежности получила бурное развитие в 50 – 60-е годы ХХ века в результате решения крупных экономических проблем и обеспечения безопасности работы человека в данных условиях. К этому времени в большинстве отраслей техники появилось значительное число высокопроизводительных, ответственных, сложных и дорогих изделий. Это и крупнейшее металлургическое оборудование, высокопроизводительные автоматизированные линии металлообрабатывающей промышленности, сложное оборудование химической промышленности, большие электронно-вычислительные машины, ответственные радарные установки, атомные энергетические реакторы, пусковые комплексы космических кораблей и др.

В химической промышленности, химическом машиностроении и родственных отраслях проявляются следующие характерные черты:

- большая единичная мощность машин и агрегатов;

- сложность технологических схем химического производства, связанная с комплексной переработкой сырья;

- интенсификация процессов, проводимых в агрегатах;

- объединение нескольких химических и смежных производств общими материальными и энергетическими потоками.

В этих условиях каждый случай непредвиденной остановки (авария, отказ) вызывает огромные убытки. Причем убытки связаны не только с тем, что значительное время оборудование простаивает в ремонте, и поэтому имеет место недовыработка соответствующей продукции, а также и с тем, что к восстановлению привлекается значительное количество ремонтного персонала высокой квалификации, требующего соответствующей оплаты за свой труд.

Большая единичная мощность машин и агрегатов, обработка в них пожароопасных, взрывоопасных и токсичных сред предъявляют к ним повышенные требования по обеспечению безопасности. Отказы оборудования в этих условиях могут привести не только к экономическим потерям, но, в большей степени, к экологическим и социальным потерям (гибель людей в результате катастроф).

Оценку надежности оборудования и его элементов можно производить двумя путями:

1) статистической обработкой экспериментальных данных о надежности;

2) аналитическим вероятностным представлением закономерностей физических процессов, протекающих в объектах.

Особенностью проблемы надежности является ее связь с этапами проектирования, изготовления и использования машины, начиная с момента, когда формируется и обосновывается идея создания новой машины, и кончая принятием решения о ее списании. Поэтому необходимо выявление связей между показателями надежности и возможностями по их повышению на каждом из этапов жизненного цикла объекта: проектирования, изготовления и эксплуатации.

На стадии проектирования необходимо разрабатывать методы прогнозирования показателей надежности. Это позволит оценить принятые технические решения, выбрать оптимальные варианты конструктивного исполнения элементов и всего объекта, конструировать объект с заданным уровнем надежности, т.е. управлять формированием надежности объекта при его создании.

На стадии изготовления надежность должна обеспечиваться применяемой технологией изготовления и, кроме того, на этой стадии изделие может конструктивно и технологически совершенствоваться.

На стадии эксплуатации надежность должна поддерживаться за счет разработки эффективной системы технического обслуживания и ремонта. На этом этапе могут проводиться работы по модернизации, в результате чего надежность оборудования может быть повышена.

Длительный опыт промышленной эксплуатации различного оборудования выявил определенную зависимость между уровнем показателя надежности и затратами на объект.

На рис. 1 представлена взаимосвязь стоимостного показателя, отражающего затраты на оборудование, и показателя надежности (например, вероятности безотказной работы за определенное время, наработки до отказа и др.).

Рис. 1. Взаимосвязь стоимостного показателя и показателя надежности

Кривая показывает снижение затрат на ремонт изделия при увеличении его уровня надежности. Более надежное оборудование требует меньших затрат на ремонт. Кривая показывает, что затраты на создание объекта с более высоким уровнем надежности увеличиваются. За оборудование с высоким уровнем надежности надо платить дороже. Кривая отражает суммарные затраты. Она получена сложением ординат кривых и . Ход кривой показывает, что имеется некоторая оптимальная надежность, которая соответствует минимальным затратам. Таким образом, задача создания объекта с оптимальной надежностью сводится к отысканию минимума на кривой совмещенных затрат. Минимум на кривой отвечает минимальным затратам на создание и ремонт оборудования при приемлемом уровне его надежности, т.е. это будет соответствовать его наивысшей эффективности.

На рис. 2 показана взаимосвязь затрат на оборудование и времени эксплуатации объекта.

Кривая показывает уменьшение амортизационных отчислений с увеличением времени эксплуатации. Кривая демонстрирует увеличение затрат на ремонт с течением времени. Минимум на кривой совмещенных затрат соответствует минимальным затратам на оборудование и указывает на оптимальный срок эксплуатации объекта.

Рис. 2. Взаимосвязь затрат на оборудование и времени эксплуатации объекта

На рис. 3 представлена зависимость суммарных отказов от времени. Эта зависимость является характерной для большинства самых разнообразных изделий – машин, аппаратов, приборов и т.д. На графике выделяются три периода эксплуатации.

Рис.3. Зависимость суммарных отказов от времени

Первый период () характеризуется резким увеличением числа отказов. Это – период приработки. Второй период () характеризуется небольшим увеличением числа отказов – период нормальной эксплуатации изделий. В третьем периоде () наблюдается резкое увеличение числа отказов – период старения и износа.

Приведенные примеры демонстрируют задачи теории надежности.

С целью обеспечения единой технической политики в области управления надежностью объектов разработана система стандартов «Надежность в технике» (ССНТ). ССНТ – совокупность взаимосвязанных основополагающих межгосударственных стандартов, устанавливающих общие для всех видов технических объектов положения, принципы, правила и методы управления их надежностью.

Стандарты ССНТ являются нормативной базой для регулирования взаимодействия заинтересованных сторон (разработчиков, изготовителей, поставщиков, заказчиков, потребителей) при обеспечении надежности на всех стадиях жизненного цикла объектов; устанавливают организационные, технические, технологические, экономические и др. положения, направленные на обеспечение рационального уровня надежности объектов; регламентируют методы решения типовых задач обеспечения надежности.

В ССНТ выделяют следующие основные группы объектов стандартизации:

- общие вопросы;

- организация работ по обеспечению надежности;

- способы обеспечения надежности на стадиях жизненного цикла;

- анализ и расчет надежности;

- испытания, контроль, оценка надежности.

Межгосударственные стандарты, входящие в ССНТ, обозначают по единой схеме, имеющей вид:

ГОСТ 27. ХХХ - ХХ

последние две цифры года утверждения

порядковый номер стандарта в группе

шифр группы стандартов (0, 1, 2, 3 или 4)

номер системы стандартов «Надежность в технике»

ССНТ принята в Беларуси, Казахстане, Молдове, России, Узбекистане, Украине.

Рассмотрим некоторые основные понятия ГОСТа 27.002-89.

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 транспортировки.

Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость или определенные сочетания этих свойств.

Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки.

Наработка – продолжительность или объем работы объекта.

Наработка может быть как непрерывной величиной (продолжительность работы в часах, километраж пробега и т.п.), так и целочисленной величиной (число рабочих циклов, запусков и т.п.).

Долговечность – свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

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

Сохраняемость – свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способности объекта выполнять требуемые функции в течение и после хранения и (или) транспортирования.

С позиций надежности различают следующие состояния объекта: исправное, неисправное, работоспособное, неработоспособное, предельное.

Исправным называется такое состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации. Если имеет место несоответствие хотя бы одному из требований, то такое состояние называется неисправным. Признаком неисправного состояния является наличие или появление технического дефекта или повреждения при эксплуатации.

Работоспособным называется такое состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации. Если объект перешел в состояние, при котором значение хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям документации, то такое состояние называют неработоспособным. Переход объекта из работоспособного в неработоспособное состояние происходит при наступлении события, называемого отказом.

Предельным называется состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна, либо восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно. Предельное состояние наступает после исчерпания ресурса. После наступления предельного состояния изделие списывается или направляется в ремонт.

Для количественной характеристики каждого из свойств надежности отдельного объекта служат такие временные понятия, как наработка, наработка до отказа, наработка на отказ, ресурс, срок службы, срок сохраняемости, время восстановления. Значения этих величин получают по данным эксплуатации или испытаний каждого отдельного объекта. Наработка до отказа исчисляется от начала эксплуатации объекта до возникновения первого отказа; наработка на отказ исчисляется от окончания восстановления его работоспособного состояния после отказа до возникновения следующего отказа.

Ресурс – это суммарная наработка объекта от начала его эксплуатации или ее возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние.

Срок службы выражается в единицах календарной продолжительности и исчисляется, так же как и ресурс, от начала эксплуатации объекта или ее возобновления до перехода в предельное состояние. Таким образом, отличие ресурса и срока службы состоит только в единицах измерения.

Срок сохраняемости исчисляется как календарная продолжительность хранения и (или) транспортирования объекта, в течение которой сохраняются в заданных пределах значения параметров, характеризующих способность объекта выполнять заданные функции.

Время восстановления характеризует календарную продолжительность операций по восстановлению работоспособного состояния объекта.

Единичные показатели характеризуют одно из свойств надежности и, в зависимости от этого, подразделяются на показатели безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости. Номенклатура основных показателей надежности приведена в таблице согласно ГОСТ 27.002-89.

Номенклатура показателей надежности