Показатели надежности. Диаграмма развития отказов

Для оценки надежности используют характеристики.

Вероятность безотказной работы (Р(t)) – вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ не возникает, т.е. 0≤ Р(t) ≤1,0.

Вероятность безотказной работы (при испытаниях) можно определить:

где N₀ – общее число испытанных изделий;

N(t) – число исправно отработавших изделий;

n(t) – число вышедших из строя изделий за период испытаний.

Вероятность безотказной работы механизма равна произведению показателей надежности деталей механизма, работающих последовательно,

Поэтому надежность систем с большим количеством входящих в нее элементов получается низкой. Так при числе элементов n = 10 с одинаковой вероятностью безотказной работы P_i(t) = 0,9 вероятность системы составит

Чем больше в сложной системе элементов, тем меньше вероятность ее безотказной работы. Это следует помнить и учитывать при проектировании. Вероятность безотказной работы системы в разные периоды ее срока службы различна. Обычно с увеличением срока службы (или, например, пробега) вероятность безотказной работы уменьшается. При этом законы распределения вероятности безотказной работы могут быть различными: показательной, нормальной, логариф­мически-нормальной и др.

Особенностью проблемы надежности является ее связь со всеми жизненными циклами машины и их деталей, начиная с момента формирования заявки на разработку и заканчивая ее списанием. Каждый из жизненных циклов вносит свою лепту в решение надежности передачи. Обеспечение надежности на стадии проектирования и изготовления непосредственно сказывается на эксплуатационных и технико-экономических показателях машин.

Надежность изделия закладывается на стадии их проектирования. Она зависит от применения современных методов расчета и проектирования, основанных на теории вероятности и математической статистики с применением ЭВМ и САПР, конструкции составных частей передачи, материалов деталей и методов их упрочнения, способов защиты от внешней среды, системы смазки, приспособленности к сохранности и проведению ТО.

Надежность обеспечивают в процессе изготовления деталей и их сборки за счет достижения необходимой точности размеров, применения прогрессивных упрочняющих технологий и технологических мероприятий, направленных на обеспечения технических требований.

Надежность реализуется в процессе эксплуатации и зависит от скоростных и нагрузочных режимов работы, системы технического обслуживания и других эксплуатационных факторов. Надёжность трудно рассчитать количественно, она обычно оценивается как вероятность безотказной работы на основании статистики эксплуатации группы идентичных машин.

Интенсивность отказов λ(t) – это отношение среднего числа отказавших в единицу времени объектов к числу объектов, оставшихся работоспособными:

Этот показатель более чувствителен, чем вероятность безотказной работы, особенно для изделий высокой надежности.

Технический ресурс (ресурс) – наработка изделия с начала эксплуатации до предельного состояния. Ресурс обычно выражается в часах.

Гамма-процентный ресурс – это ресурс, который имеют или превышают в среднем обусловленное число (γ) процентов изделий. Он характеризует долговечность изделий при заданной вероятности.

Так для подшипников качения наиболее часто используют 90% ресурс, для весьма ответственных подшипников γ ресурс выбирают в размере 95% и выше.

При количественной оценке надежности используют различные законы распределения частоты отказов, например, экспоненциальный, Вейбулла, нормальный.

Для экспоненциального закона распределения

λ(t)=λ₀=const

P(t)=exp(-x),

где х = 𝜆t.

Рис.5. Законы распределения: а – экспоненциальный, б – Вейбулла

Этот закон справедлив для описания потока отказов с интенсивностью, когда время появления отказа не связано с предыдущей наработкой изделия. Этому закону подчиняются отказы по причинам усталостного разрушения.

Распределение Вейбулла используют для статистических моделей надежности в первый период эксплуатации, когда возможны приработочные отказы:

Нормальный закон распределения применяют, когда отказы обусловлены главным образом износом детали.

Рис.6. Нормальный закон распределения

Выбор вероятностной модели может быть произведен только на основании статистического анализа эксплуатации изделий или их испытаний и не может быть обоснован математическими выкладками.

В целом, за время нормальной эксплуатации изделия интенсивность отказов не остается постоянной, а изменяется (рис. 7).

Рис.7. Зависимость интенсивности отказов от времени наработки

Физическая природа приработочных отказов (участок 0 – t₁) заключается в неидеальности технологии изготовления деталей, сборки узлов и агрегатов. Оставшиеся после механической обработки неровности в результате взаимного внедрения или зацепления либо срезаются, либо пластически деформируются. Приработка продолжается до тех пор, пока ширина образуемых площадок не превысит ширину впадин в зоне контакта деталей. В этот период интенсивность отказов уменьшается.

Внезапные отказы (участок t₁ – t₂) считаются неустранимыми при приработке и возможными при эксплуатации. Причина таких отказов заключается в том, что при эксплуатации существует вероятность появления внезапной концентрации нагрузки.

Износовые отказы (участок t > t₂) отражают естественные процессы разрешения объектов при их нагружении и взаимодействии со средой. Для механических объектов износовые отказы основываются на недостаточной длительности объемной и поверхностной прочности. Эти процессы по скорости разрушения могут быть быстротекущими (например, поломка зуба шестерни), средней скорости (например, постепенное снижение прочности от температуры или уменьшение сечения вследствие износа), медленно текущие (например, отказ от усталости, коррозии, ползучести металла). В механических объектах объемное и поверхностное разрушение имеет наибольшее значение, являясь причиной 80…85% отказов.

Задача конструктора при создании изделия – исключить в пределах заданного ресурса появление отказов обоснованным выбором соответствующих материалов, смазки, методов упрочнения, учетом в методике расчета всех факторов, влияющих на надежность.

Большое влияние на повышение надежности изделия имеет выбор рациональных технологических процессов изготовления.