Основные понятия надежности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

ФГБОУ ВПО Брянский государственный технический университет

Кафедра «Компьютерные технологии и системы»

Реферат

по предмету: Управление качеством

на тему: Основные понятия надежности

Выполнил:

Попов И.С.

Брянск 2013

Содержание

• 1. Основные понятия и показатели теории надежности
• 1.1 Надежность как наука
• 1.2 Основные понятия надежности
• 1.3 Жизненный цикл объекта
• 1.4 Поддержание надежности объекта при эксплуатации
• 1.5 Основные показатели надежности
• 2. Основы надежности сложных систем
• 2.1 Особенности сложных систем
• 2.2 Структура сложных систем
• 2.3 Особенности расчета надежности сложных систем
• 2.3.1 Расчет надежности системы при последовательном соединении ее элементов
• 2.3.2 Расчет надежности системы при параллельном соединении элементов
• 2.4 Резервирование
• Список литературы

1. Основные понятия и показатели теории надежности

1.1 Надежность как наука

Надежность характеризует качество технического средства. Качество - совокупность свойств, определяющих пригодность изделия к использованию по назначению и его потребительские свойства.

Надежность - комплексное свойство технического объекта, которое состоит в его способности выполнять заданные функции, сохраняя свои основные характеристики в установленных пределах. Понятие надежности включает в себя безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохранность.

Предмет надежности - изучение причин, вызывающих отказы объектов, определение закономерностей, которым они подчиняются, разработка способов количественного измерения надежности, методов расчета и испытаний, разработка путей и средств повышения надежности.

Объектом исследования надежности как науки является то или иное техническое средство: отдельная деталь, узел машины, агрегат, машина в целом, изделие и др.

Различают общую теорию надежности и прикладные теории надежности. Общая теория надежности имеет три составляющие:

1. Математическая теория надежности. Определяет математические закономерности, которым подчиняются отказы и методы количественного измерения надежности, а также инженерные расчеты показателей надежности.

2. Статистическая теория надежности. Обработка статистической информации о надежности. Статистические характеристики надежности и закономерности отказов.

3. Физическая теория надежности. Исследование физико-химических процессов, физических причин отказов, влияния старения

4. прочности материалов на надежность.

Прикладные теории надежности разрабатываются в конкретной области техники применительно к объектам этой области. Например, существует теория надежности систем управления, теория надежности электронных устройств, теория надежности машин и др.

Надежность связана с эффективностью (например, с экономической эффективностью) техники. Недостаточная надежность технического средства имеет следствием:

- снижение производительности из-за простоев вследствие поломок;

- снижение качества результатов использования технического средства из-за ухудшения его технических характеристик вследствие неисправностей;

- затраты на ремонты технического средства;

- потеря регулярности получения результата (например, снижение регулярности перевозок для транспортных средств);

- снижение уровня безопасности использования технического средства.

1.2 Основные понятия надежности

Надежность использует понятие объекта. Объект характеризуется качеством. Надежность является составляющим показателем качества объекта. Чем выше надежность объекта, тем выше его качество.

В процессе эксплуатации объект может находиться в одном из сле-дующих состояний (рис. 1.1):



Рисунок 1.1 - Схема основных технических состояний

1. Исправное состояние - состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской документации.

2. Неисправное состояние - состояние объекта, при котором он не соответствует хотя бы одному из требований нормативно-технической и (или) конструкторской документации.

3. Работоспособное состояние - состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствует требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской документации.

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

Различают неисправности, не приводящие к отказам (нарушение лакокрасочного покрытия, износ протектора колеса), и неисправности, ведущие к возникновению отказа (трещина металлоконструкции рамы, изгиб лопасти вентилятора системы охлаждения двигателя).

Частным случаем неработоспособного состояния является предельное состояние.

Предельное состояние - состояние, при котором дальнейшая эксплуатация объекта недопустима или нецелесообразна, либо восстановление работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно. Переход объекта в предельное состояние влечет за собой временное или окончательное прекращение эксплуатации объекта, то есть объект должен быть выведен из эксплуатации, направлен в ремонт или списан. Критерии предельного состояния устанавливают в нормативно-технической документации.

Повреждение - это событие, заключающееся в нарушении исправного состояния объекта при сохранении работоспособного состояния.

• Отказ - это событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта. надежный технический безопасный

Восстановление (ремонт) - возвращение объекту работоспособного состояния.

Критерии повреждений и отказов устанавливают в нормативно-технической и (или) конструкторской документации.

Классификация отказов приведена в табл. 1.1.

Таблица 1 - Классификация отказов

Признак		Вид отказа
I. Значимость	1)	Критический
	2) Существенный
	3)	Несущественный
II. Зависимость	1)	Зависимый
	2)	Независимый
III. Характер возникновения	1)	Внезапный
	2)	Постепенный
IV. Характер обнаружения	1)	Явный
	2)	Скрытый
	1)	Конструктивный
V. Причина возникновения	2)	Производственный
	3)	Эксплуатационный
	4)	Деградационный

Зависимый отказ - отказ, обусловленный другими отказами. Внезапный отказ - характеризуется резким изменением одного или нескольких заданных параметров объекта. Примером внезапного отказа является нарушение работоспособности системы зажигания или системы питания двигателя.

Постепенный отказ - характеризуется постепенным изменением одного или нескольких заданных параметров объекта. Характерным примером постепенного отказа является нарушение работоспособности тормозов в результате износа фрикционных элементов.

Явный отказ - отказ, обнаруживаемый визуально или штатными методами и средствами контроля и диагностирования при подготовке объекта к применению или в процессе его применения по назначениюСкрытый отказ - отказ, не обнаруживаемый визуально или штатными методами и средствами контроля и диагностирования, но выявляемый при проведении технического обслуживания или специальными методами диагностики.

В зависимости от способа устранения отказа все объекты разделяют на ремонтируемые (восстанавливаемые) и неремонтируемые (невосстанавливаемые).

К ремонтируемым относят объекты, которые при возникновении отказа ремонтируют и после восстановления работоспособности снова вводят в эксплуатацию.

Неремонтируемые объекты (элементы) после возникновения отказа заменяют. К таким элементам относятся большинство асбестовых и резинотехнических изделий (тормозные накладки, накладки дисков сцепления, прокладки, манжеты), некоторые электротехнические изделия (лампы, предохранители, свечи зажигания), быстроизнашивающиеся и обеспечивающие безопасность эксплуатации детали (вкладыши и пальцы шарниров рулевых тяг, втулки шкворневых соединений). К числу неремонтируемых элементов машин относят также подшипники качения, оси, пальцы, крепежные детали. Восстановление перечисленных элементов экономически нецелесообразно, так как затраты на ремонт достаточно велики, а обеспечиваемая при этом долговечность значительно ниже, чем у новых деталей.

1.3 Жизненный цикл объекта

Объект характеризуется жизненным циклом. Жизненный цикл объекта состоит из ряда стадий: проектирование объекта, изготовле-ние объекта, эксплуатация объекта. Каждая из этих стадий жизненно-го цикла влияет на надежность изделия.

На стадии проектирования объекта закладываются основы его надежности. На надежность объекта влияют:

- выбор материалов (прочность материалов, износостойкость материалов);

- запасы прочности деталей и конструкции в целом;

- удобство сборки и разборки (определяет трудоемкость последующих ремонтов);

- механическая и тепловая напряженность конструктивных элементов;

- резервирование важнейших или наименее надежных элементов и другие меры.

На стадии изготовления надежность определяется выбором техно-логии производства, соблюдением технологических допусков, качеством обработки сопрягаемых поверхностей, качеством используемых материалов, тщательностью сборки и регулировки.

На стадии проектирования и изготовления определяются конструктивно-технологические факторы, влияющие на надежность объекта. Действие этих факторов выявляется на стадии эксплуатации объекта. Кроме того, на данной стадии жизненного цикла объекта на его надежность влияют и эксплуатационные факторы.

Эксплуатация оказывает решающее влияние на надежность объектов, особенно сложных. Надежность объекта при эксплуатации обеспечивается путем:

- соблюдения условий и режимов эксплуатации (смазка, нагрузочные режимы, температурные режимы и др.);

- проведения периодических технических обслуживаний с целью выявления и устранения возникающих неполадок и поддержания объекта в работоспособном состоянии;

- систематической диагностики состояния объекта, выявления и предупреждения отказов, снижения вредных последствий отказов;

- проведения профилактических восстановительных ремонтов. Основной причиной снижения надежности в процессе эксплуатации являются износ и старение компонентов объекта. Износ приводит к изменению размеров, нарушению работоспособности (из-за ухудшения условий смазки, например), поломкам, снижению прочности и т.д. Старение приводит к изменению физико-механических свойств материалов, влекущему поломки или отказы.

Условия эксплуатации назначаются такими, чтобы максимально снизить износ и старение: например, износ возрастает в условиях дефицита или низкого качества смазки. Старение возрастает при выходе температурных режимов за допустимые (например, уплотнительные прокладки, клапаны и т.д.).

Надежность объекта на стадии эксплуатации можно иллюстрировать графиком типичной зависимости интенсивности отказов объекта от времени эксплуатации, представленном на рис. 1.2.



Рисунок 1.2 - Зависимость интенсивности отказов от наработки

В период приработки t_п надежность, в первую очередь, определяется конструктивно-технологическими факторами, что ведет к повышенной интенсивности отказов. По мере выявления и устранения этих факторов надежность объекта приводится к номинальному уровню, который сохраняется в продолжительном периоде t_н нормальной эксплуатации.

В течение эксплуатации в объекте накапливаются проявления износа и усталости, интенсивность которых возрастает с увеличением срока эксплуатации объекта (возрастающая кривая 2 на рис. 1.2). На-ступает период t_и интенсивного износа объекта, который заканчивается его приходом в предельное состояние и снятием с эксплуатации.

Ежегодные затраты на эксплуатацию характеризуются графиками (рис. 1.3).

Рисунок 1.3 - Зависимость эксплуатационных затрат от наработки

Из графиков видно, что существует оптимальный срок эксплуатации объекта, при котором суммарные затраты на эксплуатацию минимальны. Продолжительная эксплуатация, существенно превышающая оптимальный срок, экономически невыгодна.

1.4 Поддержание надежности объекта при эксплуатации

Поддержание требуемого уровня надежности технических объектов в процессе эксплуатации осуществляется путем проведения комплекса организационно-технических мероприятий. Сюда входят периодические технические обслуживания, профилактические и восстановительные ремонты. Периодические технические обслуживания направлены на своевременные регулировки, устранение причин отказов, раннее выявление отказов.

Периодические технические обслуживания проводятся в установленные сроки и в установленном объеме. Задачей любого ТО является проверка контролируемых параметров, регулировка в случае необходимости, выявление и устранение неисправностей, замена элементов, предусмотренная эксплуатационной документацией.

Порядок выполнения несложных работ определяется инструкциями по техническому обслуживанию, а порядок выполнения сложных работ - технологическими картами.

В процессе технических обслуживаний обычно осуществляется и диагностика состояния эксплуатируемого объекта (в том или ином объеме).

Диагностика заключается в контроле состояния объекта с целью выявления и предупреждения отказов. Осуществляется диагностика с помощью диагностических средств контроля, которые могут быть встроенными и внешними. Встроенные средства позволяют осуществлять непрерывный контроль. С помощью внешних средств осуществляется периодический контроль.

В результате диагностики выявляются отклонения параметров объекта и причины этих отклонений. Определяется конкретное место неисправности. Решается задача прогнозирования состояния объекта принимается решение о его дальнейшей эксплуатации.

Объект считается работоспособным, если его состояние позволяет ему выполнять возложенные на него функции. Если в процессе эксплуатации характеристики объекта или его структура недопустимо изменились, то говорят, что в объекте возникла неисправность. Возникновение неисправности нельзя отождествлять с потерей объектом работоспособности. Однако в неработоспособном объекте всегда будет иметь место неисправность.

Для восстановления показателей надежности объекта при их снижении проводятся профилактические и восстановительные ремонты. Восстановительные ремонты служат для восстановления работоспособности объекта после отказа и поддержания заданного уровня его надежности путем замены деталей и узлов, потерявших свой уровень надежности или отказавших.

Количество ремонтов определяется экономической целесообразностью. Типичная зависимость вероятности безотказной работы ремонтируемого объекта от времени эксплуатации показана на рис. 1.4.

Очередной ремонт не позволяет достичь исходного уровня надежности объекта, и срок эксплуатации объекта после этого ремонта будет меньше, чем после предыдущего ремонта (t₃ < t ₂ < t₁). Таким образом, эффективность каждого последующего ремонта снижается, что влечет необходимость ограничения общего количества ремонтов объекта.



Рисунок 1.4 - Зависимость вероятности безотказной работы ремонтируемого объекта от времени эксплуатации: P - вероятность безотказной работы объекта; Pmin - минимально допустимый уровень надежности; N - число заменяемых при ремонте элементов объекта

1.5 Основные показатели надежности

В соответствии с ГОСТ 27.002 надежность - свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции.

Этот стандарт оговаривает как единичные показатели надежности, каждый из которых характеризует отдельную сторону надежности (безотказность, долговечность, сохраняемость или ремонтопригодность), так и комплексные показатели надежности, которые характе-ризуют одновременно несколько свойств надежности.

2. Основы надежности сложных систем

Под сложной системой понимается объект, предназначенный для выполнения заданных функций, который может быть расчленен на элементы, каждый из которых также выполняет определенные функции и находится во взаимодействии с другими элементами системы.

Понятие сложной системы условно. Оно может применяться как к отдельным узлам и механизмам (двигатель, система подачи топлива к двигателю), так и к самой машине (станок, трактор, автомобиль, самолет).

2.1 Особенности сложных систем

Сложная машина состоит из большого количества элементов, каждый из которых имеет свои характеристики надежности.

Пример: автомобиль состоит из 15-18 тыс. деталей, каждая из которых имеет свои характеристики надежности.

Не все элементы одинаково влияют на надежность машины.

Многие из них влияют лишь на эффективность ее работы, а не на ее отказ. Степень влияния каждого элемента на надежность машины зависит от многих факторов, таких как: назначение элемента, характер взаимодействия элемента с другими элементами машины, структура машины, вид соединений элементов между собой.

Например: неисправность системы питания автомобиля может вызвать перерасход топлива, т.е. неисправность, а отказ системы зажигания может привести к отказу всего автомобиля.

Каждый экземпляр сложной машины имеет индивидуальные черты, т.к. незначительные вариации свойств отдельных элементов машины сказываются на выходных параметрах самой машины. Чем сложнее машина, тем большими индивидуальными особенностями она обладает.

Элементы сложной машины

При анализе надежности сложных машин их разбивают на элементы (звенья) с тем, чтобы вначале рассмотреть параметры и характеристики элементов, а затем оценить работоспособность всей машины.

Теоретически любую сложную машину можно условно разделить на большое число элементов, понимая под элементом узел, агрегат или деталь.

Под элементом будем понимать составную часть сложной машины, которая может характеризоваться самостоятельными входными и выходными параметрами.

Классификация элементов

При анализе надежности сложного изделия все его элементы и детали целесообразно разделить на следующие группы:

1. Элементы, работоспособность которых за срок службы практически не изменяется. Для автомобиля это его рама, корпусные детали, малонагруженные элементы с большим запасом прочности.

2. Элементы, работоспособность которых меняется в течение срока службы машины. Эти элементы, в свою очередь, подразделяются на:

2.1. Не лимитирующие надежность машины. Срок службы таких элементов сопоставим со сроком службы самой машины.

2.2. Лимитирующие надежность машины. Срок службы таких элементов меньше срока службы машины.

2.3. Критические по надежности. Срок службы таких элементов не очень большой, от 1 до 20 % срока службы самой машины.

Применительно к автомобилю количество этих элементов распределяется следующим образом (табл. 2.1).

Таблица 2.1 - Классификация элементов машин

Номер элемента	Группа деталей	Количество
по классификации		тыс.шт.	%
1	Практически не меняют свою	8-9	50-53
	работоспособность
2	Меняют свою работоспособность	7-9	47-50
2.1	Не лимитирующие надежность	4-5	27-28
2.2	Лимитирующие надежность	2,5-3,5	18-19
2.3	Критические по надежности	0,3-0,5	2-4

2.2 Структура сложных систем

С позиций теории надежности могут быть следующие структуры сложных машин (рис. 2.1):

1) расчлененные - у которых надежность отдельных элементов может быть заранее определена, так как отказ элемента можно рассматривать как независимое событие;

2) связанные - у которых отказ элементов является зависимым событием, связанным с изменением выходных параметров всей машины;

3) комбинированные - состоящие из подсистем со связанной структурой и с независимым формированием показателей надежности для каждой из подсистем.

Для транспортной машины как сложной системы характерна комбинированная структура, когда надежность отдельных подсистем (агрегатов, узлов) может рассматриваться независимо.

Соединение элементов в сложной машине может быть последовательным, параллельным и смешанным (комбинированным).



Рисунок 2.1 - Схемы соединений элементов: а) последовательное; б) параллельное; в) смешанное; Рi - вероятность безотказной работы i-го элемента

В конструкции автомобиля имеют место все виды соединений, примеры которых приведены на рис. 2.2.

Рисунок 2.2 - Виды соединений элементов в конструкции автомобиля а) последовательное; б) параллельное; в) комбинированное:

2.3. Особенности расчета надежности сложных систем

2.3.1 Расчет надежности системы при последовательном соединении ее элементов

Наиболее характерен случай, когда отказ одного элемента выводит из строя всю систему, как это имеет место при последовательном соединении элементов.

Например, большинство приводов машин и механизмы передач подчиняются этому условию. Так, если в приводе машины выйдет из строя любая шестерня, подшипник, муфта и т.д., то весь привод перестанет функционировать. При этом отдельные элементы не обязательно должны быть соединены последовательно. Например, подшипники на валу редуктора работают конструктивно параллельно друг с другом, однако выход из строя любого из них приводит к отказу системы.

Вероятность безотказной работы системы с последовательным со-единением элементов

Из формулы видно, что даже если сложная машина состоит из элементов высокой надежности, то в целом она обладает низкой надежностью за счет наличия большого числа элементов в ее конструкции, соединенных последовательно.

В конструкции автомобиля имеет место в основном последовательное соединение элементов. В этом случае отказ любого элемента вызывает отказ самого автомобиля.

Пример расчета из области автомобильного транспорта: у агрегата автомобиля, состоящего из четырех последовательно соединенных элементов, вероятность безотказной работы элементов за определенную наработку составляет Р₁ = 0,98; Р₂ = 0,65; Р₃ = 0,88 и Р₄ = 0,57. В этом случае вероятность безотказной работы за ту же наработку всего агрегата равна Р_с = 0,98·0,65·0,88·0,57 = 0,32, т.е. очень и очень низкая.

Иными словами, надежность автомобиля с последовательно соединенными элементами ниже надежности самого слабого его звена. Поэтому при усложнении конструкции автомобиля, его агрегатов и систем, одним из проявлений которого является увеличение числа элементов в системе, требования к надежности каждого элемента и их равнопрочности резко возрастают.

2.3.2 Расчет надежности системы при параллельном соединении элементов

При параллельном соединении элементов вероятность безотказной работы системы

Например: если вероятность безотказной работы каждого элемента Р = 0,9, а количество элементов равно трем (n = 3), то Р(t) = 1-(0,1)3 = 0,999. Таким образом, вероятность безотказной работы системы резко повышается и становится возможным создание надежных систем из ненадежных элементов.

Параллельное соединение элементов в сложных системах повышает ее надежность.

2.4 Резервирование

Для повышения надежности сложных систем часто применяют структурное резервирование, то есть введение в структуру объекта дополнительных элементов, выполняющих функции основных элементов в случае их отказа.

Классификация резервирования

Классификация различных способов резервирования осуществляется по следующим признакам:

1. По схеме включения резерва:

Общее резервирование, при котором резервируется объект в целом.

Раздельное резервирование, при котором резервируются отдельные элементы или их группы.

Смешанное резервирование, при котором различные виды резервирования сочетаются в одном объекте.

2. По способу включения резерва:

Постоянное резервирование - без перестройки структуры объекта при возникновении отказа его элемента.

Динамическое резервирование, при котором при отказе элемента происходит перестройка структуры схемы. В свою очередь оно подразделяется:

- на резервирование замещением, при котором функции основного элемента передаются резервному только после отказа основного;

- скользящее резервирование, при котором несколько основных элементов резервируется одним или несколькими резервными, каждый из которых может заменить любой основной (т.е. группы основных и резервных элементов идентичны).

3. По состоянию резерва:

Нагруженное (горячее) резервирование, при котором резервные элементы (или один из них) постоянно присоединены к основным и находятся в одинаковом с ними режиме работы; оно при-меняется тогда, когда не допускается прерывания функционирования системы во время переключения отказавшего элемента на резервный.

Облегченное резервирование, при котором резервные элементы (по крайней мере один из них) находятся в менее нагруженном режиме по сравнению с основными, и вероятность их отказа в этот период мала.

Ненагруженное (холодное) резервирование, при котором резервные элементы до начала выполнения ими функций находятся в ненагруженном режиме. В этом случае для включения резерва необходимо соответствующее устройство. Отказ ненагруженных резервных элементов до включения вместо основного элемента невозможен.

Список литературы

1. Диагностика и техническое обслуживание машин : учебник для студентов высш. учеб заведений / [А.Д. Ананьин, В.М. Михлин, И.И. Габитов и др.]. - М.: Издательский центр «Академия», 2008. - 432 с.

2. Зорин В.А. Основы работоспособности технических систем: Учебник / В.А. Зорин. - М.: ООО «Магистр-Пресс», 2005. - 536 с.

3. Каштанов В.А. Теория надежности сложных систем /В.А. Каштанов, А.И. Медведев. - 2-е изд, перераб. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. - 608 с.

4. Кучер В.Я. Основы технической диагностики и теории надежности: Письменные лекции. - СПб.: СЗТУ, 2004. - 48 с.

5. Основы работоспособности технических систем: методическое пособие / сост.: Р.В. Абаимов, П.А. Малащук. - Сыктывкар: СЛИ, 2004. - 80 с.

6. Основы теории надежности: учебное пособие / Н.Н. Кокушин.

Размещено на Allbest.ru

...