Теорія надійності

Теорія надійності - наукова дисципліна, в якій розробляються і вивчаються методи забезпечення ефективності роботи об'єктів (виробів, пристроїв, систем і т.п.) у процесі експлуатації. У теорії надійності вводяться показники надійності об'єктів, обгрунтовують вимоги до надійності з урахуванням економічних та інших факторів, розробляються рекомендації щодо забезпечення заданих вимог до надійності на етапах проектування, виробництва, зберігання і експлуатації.

Кількісні показники надійності вводять в теорію на основі побудови математичних моделей аналізованих об'єктів. У Надійності теорія використовуються різноманітні математичні методи; особливе місце займають методи теорії ймовірностей і математичної статистики. Це пов'язано з тим, що події, що описують показники надійності (моменти появи відмов, тривалість ремонту і т.д.), часто є випадковими. Для розрахунку ймовірності безвідмовної роботи об'єкта протягом деякого часу використовуються аналітичні методи теорії випадкових процесів. Розрахунок кількісних показників надійності об'єктів з урахуванням можливості відновлення відмовили пристроїв багато в чому аналогічний розрахунку систем масового обслуговування теорії. Аналітичні методи розрахунку надійності поєднуються з методами моделювання на ЕОМ.

Надійність вироби - властивість виробу зберігати значення встановлених параметрів функціонування в певних межах, що відповідають заданим режимам та умовам використання, технічного обслуговування, зберігання і транспортування. Надійність - комплексне властивість, що у залежності від призначення виробу і умов його експлуатації може включати безвідмовність, довговічність, ремонтопридатність і збереженість окремо або певне поєднання цих властивостей як виробу в цілому, так і його частин. Основне поняття, що використовується в теорії надійності, - поняття відмови, тобто втрати працездатності, що настає або раптово, або поступово. Працездатність - такий стан вироби, при якому воно відповідає всім вимогам, що пред'являються до його основних параметрів. До числа основних параметрів виробу відносяться: швидкодія, навантажувальна характеристика, стійкість, точність виконання виробничих операцій і т.д. Разом з іншими показниками (маса, габарити, зручність в обслуговуванні та ін) вони складають комплекс показників якості виробу. Показники якості можуть змінюватися з часом. Зміна їх, що перевищує допустимі значення, призводить до виникнення отказового стану (часткової чи повної відмови вироби). Показники Надійність не можна протиставляти іншими показниками якості: без урахування Надійність всі інші показники якості виробу втрачають свій сенс, точно так само і показники Надійність стають повноцінними показниками якості лише у поєднанні з ін характеристиками вироби. Поняття «Надійність вироби» давно використовується в інженерній практиці. Будь-які технічні пристрої - машини, інструменти або пристосування - завжди виготовлялися в розрахунку на певний достатній для практичних цілей період використання. Однак довгий час Надійність не вимірювалася кількісно, ​​що значно ускладнювало її об'єктивну оцінку. Для оцінки Надійність використовувалися такі поняття, як висока Надійність, низька Надійність та ін якісні визначення. Встановлення кількісних показників Надійність та засобів їх вимірювання та розрахунку поклало початок науковим методам у дослідженні Надійність На перших етапах розвитку теорії Надійність основна увага зосереджувалася на зборі та обробці статистичних даних про відмови виробів. В оцінці Надійність переважав характер констатації ступеня надійності на підставі цих статистичних даних. Розвиток теорії надійності супроводжувався вдосконаленням імовірнісних методів дослідження, як-то: визначення законів розподілу наробітку до відмови, розробка методів розрахунку та випробувань виробів з урахуванням випадкового характеру відмов і т.п. Разом з тим виникали нові напрями досліджень: пошук принципово нових способів підвищення надійності, прогнозування відмов і прогнозування надійності, аналіз фізико-хімічних процесів, що впливають на надійність, встановлення кількісних зв'язків між характеристиками цих процесів і показниками. Надійність, вдосконалення методів розрахунку Надійність виробів, що мають все більш складною структурою, з урахуванням все більшого числа діючих факторів (достовірність вихідних даних, контроль і профілактика, умови роботи й обслуговування і т.д.). Випробування на Надійність удосконалювалися головним чином у напрямку проведення прискорених і неруйнуючих випробувань. Поряд з удосконаленням натурних випробувань широкого поширення набули математичне моделювання та поєднання натурних випробувань з моделюванням. У результаті до 50-их рр.. 20 в. сформувалися основи загальної теорії Надійність та її приватних напрямків за окремими видами техніки.

Подальше збільшення складність технічних пристроїв; зростаюча відповідальність функцій, які виконують технічні пристрої; підвищення вимог до якості виробів та умов їх роботи; вища роль автоматизації, яка скорочує можливість безперервного спостереження за станом пристрою, - основні чинники, що визначили головне напрямки в розвитку науки про надійність. Технічні засоби та умови їх роботи стають все більш складними. Кількість елементів в окремих видах пристроїв обчислюється сотнями тисяч. Якщо не приймати спеціальних заходів із забезпечення Надійність, то будь-яке сучасне складний пристрій практично буде непрацездатним. Так, наприклад, в сучасній ЕОМ середньої продуктивності за 1 с відбувається близько 5 млн. змін станів у результаті перемикань її двійкових елементів, число яких досягає декількох десятків тис. За 5 год безперервної роботи ЕОМ, необхідних на рішення типового завдання, відбувається понад ¹⁰ грудня -10 ¹⁴ змін станів машини. Імовірність виникнення хоча б однієї відмови при цьому стає досить великий, а отже, необхідні спеціальні заходи, що забезпечують працездатність ЕОМ.

Технічним засобам відводять все більш відповідальні функції на виробництві та у сфері управління. Відмова технічного пристрою часто може призвести до катастрофічних наслідків. Надійність в епоху науково-технічної революції стала найважливішою проблемою.

Кількісні показники надійності. Надійність виробів визначається набором показників, для кожного з типів виробів існують рекомендації щодо вибору показників Надійність Для оцінки Надійність виробів, які можуть знаходитися в двох можливих станах - працездатному та отказовом, застосовуються такі показники: середній час роботи до виникнення відмови _Т сер - напрацювання до першого відмови; середній час роботи, що припадає на одну відмову, Т - напрацювання на відмову; інтенсивність відмов l (t); параметр потоку отказовw (t); середній час відновлення працездатного стану t _в; ймовірність безвідмовної роботи за час t [Р (t) ]; готовності коефіцієнт K _r.

Закон розподілу наробітку до відмови визначає кількісні показники Надійність невідновлювальних виробів. Закон розподілу записується або в диференціальній формі щільності ймовірності f (t), або в інтегральній формі F (t). Існують наступні співвідношення між показниками Надійність і законом розподілу:

Для відновлюваних виробів ймовірність появи n відмов за час t у разі найпростішого потоку відмов визначається законом Пуассона:

З нього випливає, що ймовірність відсутності відмов за час t дорівнює Р (t) = exp (-lt) (експонентний закон надійності).

Технічні системи, що складаються з конструктивно незалежних вузлів, що володіють здатністю перебудовувати свою структуру для збереження працездатності при відмові окремих частин, в теорії Надійність прийнято називати складними технічними системами (на відміну від складних кібернетичних систем, називаються також великими системами). Число працездатних стані таких систем - два і більше. Кожне з працездатних станів характеризується своєю ефективністю роботи, яка може вимірюватися продуктивністю, імовірністю виконання поставленого завдання і т.д. Показником Надійність складної системи може бути сумарна вірогідність працездатності системи - сума ймовірностей всіх працездатних станів системи.

Способи визначення кількісних показників надійності. Показники Надійність визначаються з розрахунків, проведенням випробувань та обробкою результатів (статистичних даних) експлуатації виробів, моделюванням на ЕОМ, а також у результаті аналізу фізико-хімічних процесів, що обумовлюють Надійність вироби. Розрахунки Надійність засновані на тому, що при певній структурі вироби і наявному законі розподілу наробітку до відмови виробів цього типу існують цілком певні залежності між показниками Надійність окремих елементів і Надійність виробу в цілому. Для встановлення таких залежностей використовуються наступні прийоми: рішення рівнянні, складених на підставі структурної схеми Надійність (використання послідовно-паралельних структур) або на підставі логічних зв'язків між станами вироби (використання алгебри логіки); рішення диференціальних рівнянь, що описують процес переходу вироби з одного стану в інші (використання графів станів); складання функцій, що описують стану складного виробу. Розрахунки надійності виробляються головним чином на етапі проектування виробів з метою прогнозування для даного варіанту вироби очікуваної Надійність. Це дозволяє вибрати найбільш підходящий варіант конструкції і методи забезпечення Надійність, виявити «слабкі місця», обгрунтовано призначити робочі режими, форму та порядок обслуговування вироби.

Випробування на надійність виробляються на етапах розробки досвідченого зразка і серійного виробництва виробу. Існують випробування на надійність означальні, в результаті яких визначають показники надійність; контрольні, що мають на меті контроль якості технологічного процесу, що забезпечує з деяким ризиком Надійність не нижче заданої; прискорені, у ході яких використовують фактори, що прискорюють процес виникнення відмов; неруйнівні, засновані на застосуванні методів дефектоскопії та інтроскопії, а також на вивченні непрямих ознак (шумів, теплових випромінювань і т.п.), супутніх виникнення відмов.

Моделювання на ЕОМ є найбільш ефективним засобом аналізу надійності складних систем. Широко поширені два алгоритми моделювання: перший, заснований на моделюванні фізичних процесів, що відбуваються в досліджуваному об'єкті (оцінка Надійність при цьому визначається за кількістю виходів параметрів об'єкта за межі допуску); друге, заснований на вирішенні систем рівнянь, що описують стану досліджуваного об'єкта.

Аналіз фізико-хімічних процесів також дозволяє отримати оцінку Надійність досліджуваного вироби, тому що часто вдається встановити залежність Надійність від стану та характеру протікання фізико-хімічних процесів (співвідношення показників міцності та навантаження, зносостійкість, наявність домішок у матеріалах, зміну електричних і магнітних характеристик , шумові ефекти і т.д.). Найбільш часто аналіз фізико-хімічних процесів застосовується при оцінці Надійність елементів радіоелектронної апаратури.

Способи підвищення надійності. На стадії розробки виробів: використання нових матеріалів, які мають поліпшені фізико-хімічними характеристиками, і нових елементів, що володіють підвищеною надійністю в порівнянні з застосовувалися раніше; принципово нові конструктивні рішення, наприклад заміна електровакуумних ламп напівпровідниковими приладами, а потім інтегральними схемами, резервування, в тому числі апаратурне (поелементне), часу про е та інформаційне; розробка перешкодозахисних програм і перешкодозахисного кодування інформації; вибір оптимальних робочих режимів і найбільш ефективного захисту від несприятливих внутрішніх і зовнішніх впливів; застосування ефективного контролю, який дозволяє не тільки констатувати технічний стан вироби (простий контроль) і встановлювати причини виникнення отказового стану (діагностичний контроль), але і передбачати майбутнє стан виробу, з тим щоб попереджати виникнення відмов (прогнозує контроль).

У процесі виробництва: використання прогресивної технології обробки матеріалів та прогресивних методів з'єднання деталей; застосування ефективних методів контролю (у тому числі автоматизованого і статистичного) якості технологічних операцій та якості виробів; розробка раціональних способів тренування виробів, що виявляють приховані виробничі дефекти; випробування на надійність, виключають приймання ненадійних виробів.

Під час експлуатації: забезпечення заданих умов та режимів роботи; проведення профілактичних робіт і забезпечення виробів запасними деталями, вузлами та елементами, інструментом та матеріалами; діагностичний контроль, що попереджає про виникнення відмов.

У ході розвитку техніки виникають нові аспекти проблеми забезпечення надійності. Так, наприклад, впровадження великих інтегральних схем вимагає принципово нових методів розрахунку їх Надійність, застосування систем автоматизованого контролю призводить до необхідності врахування його впливу на показники надійності і т.д. Наука про надійність виникла на стику ряду наукових дисциплін, а саме: теорії ймовірностей та випадкових процесів, математичної логіки, термодинаміки, технічної діагностики та ін, розвиток яких взаємопов'язано і знаходить своє відображення в розвитку теорії надійності. Основний напрямок розвитку науки про надійність визначається загальною тенденцією технічного розвитку в різних галузях народного господарства і завданнями народно-господарських планів країни. До числа найбільш актуальних питань теорії Надійності відносяться: оцінка та забезпечення надійності складних кібернетичних систем. Проблема надійності є «вічною» проблемою, тому що вона щоразу виникає в новому формулюванні на кожному новому етапі розвитку техніки.