Основные понятия надежности. классификация отказов. Составляющие надежности

Термины и определения, используемые в теории надежности, регламентированы ГОСТ 27.002-89 "Надежность в технике. Термины и  определения".

1. Основные понятия

Надежность – свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени и в заданных пределах значения установленных эксплуатационных показателей.
Объект– техническое изделие определенного целевого назначения, рассматриваемое в периоды проектирования, производства, испытаний и эксплуатации.
Объектами могут быть различные системы и их элементы.
Элемент – простейшая составная часть изделия, в задачах надежности может состоять из многих деталей. 
Система – совокупность совместно действующих элементов, предназначенная для самостоятельного выполнения заданных функций.
Понятия элемента и системы трансформируются в зависимости от поставленной задачи. Например, станок, при установлении его собственной надежности рассматривается как система, состоящая из отдельных элементов – механизмов, деталей и т.п., а при изучении надежности технологической линии – как элемент.
Надежность объекта характеризуется следующими основными состояниями и событиями.
Исправность– состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям, установленным нормативно-технической документацией (НТД).
Работоспособность– состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции, сохраняя значения основных параметров, установленных  НТД.
Основные параметры характеризуют функционирование объекта при выполнении поставленных задач.
Понятие исправность шире, чем понятие работоспособность. Работоспособный объект обязан удовлетворять лишь тем требования НТД, выполнение которых обеспечивает нормальное применение объекта по назначению. Таким образом, если объект неработоспособен, то это свидетельствует о его неисправности. С другой стороны, если объект неисправен, то это не означает, что он неработоспособен.
Предельное состояние– состояние объекта, при котором его применение по назначению недопустимо или нецелесообразно.
Применение (использование) объекта по назначению прекращается в следующих случаях:

• 
  при неустранимом нарушении безопасности;
  
• 
  при неустранимом отклонении величин заданных параметров;
  
• 
  при недопустимом увеличении эксплуатационных расходов.
  

Для некоторых объектов предельное состояние является последним в его функционировании, т.е. объект снимается с эксплуатации, для других – определенной фазой в эксплуатационном графике, требующей проведения ремонтно-восстановительных работ.
В связи с этим, объекты  могут быть:

• 
  невосстанавливаемые, для которых работоспособность в случае возникновения отказа, не подлежит восстановлению;
  
• 
  восстанавливаемые, работоспособность которых может быть восстановлена, в том числе и путем замены.
  

К числу невосстанавливаемых объектов можно отнести, например: подшипники качения, полупроводниковые изделия, зубчатые колеса и т.п. Объекты, состоящие из многих элементов, например, станок, автомобиль, электронная аппаратура, являются восстанавливаемыми, поскольку их отказы связаны с повреждениями одного или немногих элементов, которые могут быть заменены.
В ряде случаев один и тот же объект в зависимости от особенностей, этапов эксплуатации или назначения может считаться восстанавливаемым или невосстанавливаемым.
Отказ– событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта.
Критерий отказа – отличительный признак или совокупность признаков, согласно которым устанавливается факт возникновения отказа.

2. Классификация и характеристики отказов

По типу отказы подразделяются на:

• 
  отказы функционирования (выполнение основных функций объектом прекращается, например, поломка зубьев шестерни);
  
• 
  отказы параметрические (некоторые параметры объекта изменяются в недопустимых пределах, например, потеря точности станка).
  

По своей природе  отказы могут быть:

• 
  случайные, обусловленные непредусмотренными перегрузками, дефектами материала, ошибками персонала или сбоями системы управления и т. п.;
  
• 
  систематические, обусловленные закономерными и неизбежными явлениями, вызывающими постепенное накопление повреждений: усталость, износ,  старение, коррозия и т. п.
  

Основные признаки классификации отказов:

• 
  характер возникновения;
  
• 
  причина возникновения;
  
• 
  характер устранения;
  
• 
  последствия отказов;
  
• 
  дальнейшее использование объекта;
  
• 
  легкость обнаружения;
  
• 
  время возникновения.
  

Рассмотрим подробнее каждый из классификационных признаков:

характер возникновения:	внезапный отказ – отказ, проявляющийся в резком (мгновенном) изменении характеристик объекта;
	постепенный отказ – отказ, происходящий в результате медленного, постепенного ухудшения качества объекта.

Внезапные отказы обычно проявляются в виде механических повреждений элементов (трещины – хрупкое разрушение, пробои изоляции, обрывы и т. п.) и не сопровождаются предварительными видимыми признаками их приближения. Внезапный отказ характеризуется независимостью момента наступления от времени предыдущей работы.
Постепенные отказы - связаны с износом деталей и старением материалов.

причина возникновения:	конструкционный отказ , вызванный  недостатками и неудачной конструкцией объекта;
	производственный отказ, связанный с ошибками при изготовлении объекта по причине несовершенства или нарушения технологии;
	эксплуатационный отказ, вызванный нарушением правил эксплуатации.
характер устранения:	устойчивый отказ;
	перемежающийся отказ (возникающий/исчезающий). последствия отказа: легкий отказ (легкоустранимый);
	средний отказ (не вызывающий отказы смежных узлов – вторичные отказы);
	тяжелый отказ (вызывающий вторичные отказы или приводящий к угрозе жизни и здоровью человека).
дальнейшее использование объекта:	полные отказы, исключающие возможность работы объекта до их устранения;
	частичные отказы, при которых объект может частично использоваться.
легкость обнаружения:	очевидные (явные) отказы;
	скрытые (неявные) отказы.
время возникновения:	приработочные отказы, возникающие в начальный период эксплуатации;
	отказы при нормальной эксплуатации;
	износовые отказы, вызванные необратимыми процессами износа деталей, старения материалов и пр.

3. Составляющие надежности

Надежность является комплексным свойством, включающим в себя в зависимости от назначения объекта или условий его эксплуатации ряд простых свойств:

• 
  безотказность;
  
• 
  долговечность;
  
• 
  ремонтопригодность;
  
• 
  сохраняемость.
  

Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторой наработки или в течение некоторого времени.
 Наработка – продолжительность или объем работы объекта, измеряемая в любых неубывающих величинах (единица времени, число циклов нагружения, километры пробега и т. п.).
Долговечность – свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов. 
Ремонтопригодность – свойство объекта, заключающееся в его приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, поддержанию и восстановлению работоспособности путем проведения ремонтов и технического обслуживания.
Сохраняемость – свойство объекта непрерывно сохранять требуемые эксплуатационные показатели в течение (и после) срока хранения и транспортирования.
В зависимости от объекта надежность может определяться всеми перечисленными свойствами или частью их. Например, надежность колеса зубчатой передачи, подшипников определяется их долговечностью, а станка – долговечностью, безотказностью и ремонтопригодностью.

4. Основные показатели надежности

Показатель надежности  количественно характеризует, в какой степени данному объекту присущи определенные свойства, обусловливающие надежность.Одни показатели надежности  (например, технический ресурс, срок службы) могут иметь размерность, ряд других (например, вероятность безотказной работы, коэффициент готовности) являются безразмерными.
Рассмотрим  показатели составляющей надежности - долговечность.
Технический ресурс – наработка объекта от начала его эксплуатации или возобновления эксплуатации после ремонта до наступления предельного состояния. Строго говоря, технический ресурс может быть регламентирован следующим образом: до среднего, капитального, от капитального до ближайшего среднего ремонта и т. п. Если регламентация отсутствует, то имеется в виду ресурс от начала эксплуатации до достижения предельного состояния после всех видов ремонтов.
Для невосстанавливаемых объектов понятия технического ресурса и наработки до отказа совпадают.
Назначенный ресурс – суммарная наработка объекта, при достижении которой эксплуатация должна быть прекращена независимо от его состояния.
Срок службы – календарная продолжительность эксплуатации (в том числе, хранение, ремонт и т. п.) от ее начала до наступления предельного состояния.
На рис.  приведена графическая интерпретация перечисленных показателей, при этом:

t0 = 0 – начало эксплуатации; 
t1, t5 – моменты отключения по технологическим причинам;
t2, t4, t6, t8 – моменты включения объекта; 
t3, t7 – моменты вывода объекта в ремонт, соответственно, средний и капитальный; 
t9 – момент прекращения эксплуатации; 
t10 – момент отказа объекта.


Технический ресурс (наработка до отказа)

ТР = t1+ (t3 – t2 ) + (t5 – t4) + (t7 – t6) + (t10 – t8).

Назначенный ресурс
ТН = t1 + (t3 –t2 ) + (t5 – t4 ) + (t7 –t6 ) + (t9 –t8 ).
Срок службы объекта

  ТС = t10 .
Для большинства объектов электромеханики в качестве критерия долговечности чаще всего используется технический ресурс.