Теориянадежности – научная дисциплина, в которой разрабатываются и изучаются методыобеспечения эффективности работы объектов (изделий, устройств, систем и т.п.) впроцессе эксплуатации. В теории надежности вводятся показатели надёжностиобъектов, обосновываются требования к надёжности с учётом экономических идругих факторов, разрабатываются рекомендации по обеспечению заданныхтребований к надёжности на этапах проектирования, производства, хранения и эксплуатации.
Количественныепоказатели надёжности вводят в теорию на основе построения математическихмоделей рассматриваемых объектов. В Надёжности теория используются разнообразныематематические методы; особое место занимают методы теории вероятностей и математическойстатистики. Это связано с тем, что события, описывающие показатели надёжности(моменты появления отказов, длительность ремонта и т.д.), часто являютсяслучайными. Для расчёта вероятности безотказной работы объекта в течениенекоторого времени используются аналитические методы теории случайных процессов.Расчёт количественных показателей надёжности объектов с учётом возможности восстановленияотказавших устройств во многом аналогичен расчёту систем массового обслуживаниятеории. Аналитические методы расчёта надёжности сочетаются с методами моделированияна ЭВМ.
Надёжность изделия – свойствоизделия сохранять значения установленных параметров функционирования вопределённых пределах, соответствующих заданным режимам и условиямиспользования, технического обслуживания, хранения и транспортирования.Надёжность – комплексное свойство, которое в зависимости от назначения изделияи условий его эксплуатации может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодностьи сохраняемость в отдельности или определённое сочетание этих свойств какизделия в целом, так и его частей. Основное понятие, используемое в теориинадёжности, – понятие отказа, т.е. утраты работоспособности, наступающей либовнезапно, либо постепенно. Работоспособность – такое состояние изделия, прикотором оно соответствует всем требованиям, предъявляемым к его основнымпараметрам. К числу основных параметров изделия относятся: быстродействие,нагрузочная характеристика, устойчивость, точность выполнения производственныхопераций и т.д. Вместе с другими показателями (масса, габариты, удобство вобслуживании и др.) они составляют комплекс показателей качества изделия.Показатели качества могут изменяться с течением времени. Изменение их,превышающее допустимые значения, приводит к возникновению отказового состояния(частичного или полного отказа изделия). Показатели Надёжность нельзяпротивопоставлять другим показателям качества: без учёта Надёжность все другиепоказатели качества изделия теряют свой смысл, точно так же и показателиНадёжность становятся полноценными показателями качества лишь в сочетании с др.характеристиками изделия. Понятие «Надёжность изделия» давно используется винженерной практике. Любые технические устройства – машины, инструменты илиприспособления – всегда изготавливались в расчёте на некоторый достаточный дляпрактических целей период использования. Однако долгое время Надёжность неизмерялась количественно, что значительно затрудняло её объективную оценку. Дляоценки Надёжность использовались такие понятия, как высокая Надёжность, низкаяНадёжность и др. качественные определения. Установление количественныхпоказателей Надёжность и способов их измерения и расчёта положило началонаучным методам в исследовании Надёжность На первых этапах развития теорииНадёжность основное внимание сосредоточивалось на сборе и обработке статистическихданных об отказах изделий. В оценке Надёжность преобладал характер констатациистепени надёжности на основании этих статистических данных. Развитие теории надёжностисопровождалось совершенствованием вероятностных методов исследования, как-то:определение законов распределения наработки до отказа, разработка методоврасчёта и испытаний изделий с учётом случайного характера отказов и т.п. Вместес тем возникали новые направления исследований: поиск принципиально новыхспособов повышения надёжности, прогнозирование отказов и прогнозированиенадёжности, анализ физико-химических процессов, оказывающих влияние нанадёжность, установление количественных связей между характеристиками этихпроцессов и показателями. Надёжность, совершенствование методов расчётаНадёжность изделий, обладающих всё более сложной структурой, с учётом всёбольшего числа действующих факторов (достоверность исходных данных, контроль ипрофилактика, условия работы и обслуживания и т.д.). Испытания на Надёжностьсовершенствовались главным образом в направлении проведения ускоренных инеразрушающих испытаний. Наряду с совершенствованием натурных испытаний широкоераспространение получили математическое моделирование и сочетание натурных испытанийс моделированием. В результате к 50-м гг. 20 в. сформировались основы общейтеории Надёжность и её частных направлений по отдельным видам техники.
Увеличивающаясясложность технических устройств; возрастающая ответственность функций, которыевыполняют технические устройства; повышение требований к качеству изделий иусловиям их работы; возросшая роль автоматизации, которая сокращает возможностьнепрерывного наблюдения за состоянием устройства, – основные факторы,определившие главное направления в развитии науки о надёжности. Техническиесредства и условия их работы становятся всё более сложными. Количествоэлементов в отдельных видах устройств исчисляется сотнями тысяч. Если непринимать специальных мер по обеспечению Надёжность, то любое современноесложное устройство практически будет неработоспособным. Так, например, всовременной ЭВМ средней производительности за 1 с происходит около 5 млн. сменсостояний в результате переключений её двоичных элементов, число которыхдостигает нескольких десятков тыс. За 5 ч непрерывной работы ЭВМ,требуемых на решение типовой задачи, происходит свыше 1012–1014смен состояний машины. Вероятность возникновения хотя бы одного отказа при этомстановится достаточно большой, а следовательно, необходимы специальные меры,обеспечивающие работоспособность ЭВМ.
Техническимсредствам отводят всё более ответственные функции на производстве и в сфереуправления. Отказ технического устройства зачастую может привести ккатастрофическим последствиям. Надёжность в эпоху научно-технической революциистала важнейшей проблемой.
Количественныепоказатели надёжности. Надёжность изделий определяется набором показателей; для каждогоиз типов изделий существуют рекомендации по выбору показателей Надёжность Дляоценки Надёжность изделий, которые могут находиться в двух возможных состояниях– работоспособном и отказовом, применяются следующие показатели: среднее времяработы до возникновения отказа Тср – наработка до первого отказа; среднеевремя работы, приходящееся на один отказ, Т – наработка на отказ; интенсивностьотказов l(t); параметр потока отказовw(t); среднее время восстановленияработоспособного состояния tв; вероятность безотказной работы завремя t [Р (t)]; готовности коэффициент Kr.
Законраспределения наработки до отказа определяет количественные показателиНадёжность невосстанавливаемых изделий. Закон распределения записывается либо вдифференциальной форме плотности вероятности f (t), либо в интегральной форме F(t). Существуют следующие соотношения между показателями Надёжность и законом распределения:
/>
Длявосстанавливаемых изделий вероятность появления n отказов за время t в случаепростейшего потока отказов определяется законом Пуассона:
/>
Изнего следует, что вероятность отсутствия отказов за время t равна Р (t) =exp(-lt) (экспоненциальный закон надёжности).
Техническиесистемы, состоящие из конструктивно независимых узлов, обладающие способностьюперестраивать свою структуру для сохранения работоспособности при отказеотдельных частей, в теории Надёжность принято называть сложными техническимисистемами (в отличие от сложных кибернетических систем, называются также большимисистемами). Число работоспособных состоянии таких систем – два и более. Каждоеиз работоспособных состояний характеризуется своей эффективностью работы,которая может измеряться производительностью, вероятностью выполненияпоставленной задачи и т.д. Показателем Надёжность сложной системы может бытьсуммарная вероятность работоспособности системы – сумма вероятностей всехработоспособных состояний системы.
Способыопределения количественных показателей надёжности. Показатели Надёжностьопределяются из расчётов, проведением испытаний и обработкой результатов(статистических данных) эксплуатации изделий, моделированием на ЭВМ, а также врезультате анализа физико-химических процессов, обусловливающих Надёжностьизделия. Расчёты Надёжность основаны на том, что при определенной структуреизделия и имеющемся законе распределения наработки до отказа изделий этого типасуществуют вполне определенные зависимости между показателями Надёжностьотдельных элементов и Надёжность изделия в целом. Для установления таких зависимостейиспользуются следующие приемы: решение уравнении, составленных на основанииструктурной схемы Надёжность (использование последовательно-параллельныхструктур) или на основании логических связей между состояниями изделия(использование алгебры логики); решение дифференциальных уравнений, описывающихпроцесс перехода изделия из одного состояния в другие (использование графовсостояний); составление функций, описывающих состояния сложного изделия. Расчётынадёжности производятся главным образом на этапе проектирования изделий с цельюпрогнозирования для данного варианта изделия ожидаемой Надёжность. Это позволяетвыбрать наиболее подходящий вариант конструкции и методы обеспеченияНадёжность, выявить «слабые места», обоснованно назначить рабочие режимы, формуи порядок обслуживания изделия.
Испытанияна надёжность производятся на этапах разработки опытного образца и серийного производстваизделия. Существуют испытания на надёжность определительные, в результатекоторых определяют показатели надёжность; контрольные, имеющие целью контроль качестватехнологического процесса, обеспечивающего с некоторым риском Надёжность не нижезаданной; ускоренные, в ходе которых используют факторы, ускоряющие процессвозникновения отказов; неразрушающие, основанные на применении методов дефектоскопиии интроскопии, а также на изучении косвенных признаков (шумов, тепловых излученийи т.п.), сопутствующих возникновению отказов.
Моделированиена ЭВМ является наиболее эффективным средством анализа надёжности сложныхсистем. Широко распространены два алгоритма моделирования: первый, основанныйна моделировании физических процессов, происходящих в исследуемом объекте(оценка Надёжность при этом определяется по числу выходов параметров объекта запределы допуска); второй, основанный на решении систем уравнений, описывающих состоянияисследуемого объекта.
Анализфизико-химических процессов также позволяет получить оценку Надёжностьисследуемого изделия, т. к. часто удаётся установить зависимостьНадёжность от состояния и характера протекания физико-химических процессов(соотношение показателей прочности и нагрузки, износостойкость, наличиепримесей в материалах, изменение электрических и магнитных характеристик,шумовые эффекты и т.д.). Наиболее часто анализ физико-химических процессовприменяется при оценке Надёжность элементов радиоэлектронной аппаратуры.
Способыповышения надёжности. На стадии разработки изделий: использование новых материалов,обладающих улучшенными физико-химическими характеристиками, и новых элементов,обладающих повышенной надёжностью по сравнению с применявшимися ранее;принципиально новые конструктивные решения, например замена электровакуумныхламп полупроводниковыми приборами, а затем интегральными схемами; резервирование,в том числе аппаратурное (поэлементное), временноеи информационное; разработка помехозащищённых программ и помехозащищённого кодированияинформации; выбор оптимальных рабочих режимов и наиболее эффективной защиты отнеблагоприятных внутренних и внешних воздействий; применение эффективногоконтроля, позволяющего не только констатировать техническое состояние изделия(простой контроль) и устанавливать причины возникновения отказового состояния(диагностический контроль), но и предсказывать будущее состояние изделия, с темчтобы предупреждать возникновение отказов (прогнозирующий контроль).
Впроцессе производства: использование прогрессивной технологии обработкиматериалов и прогрессивных методов соединения деталей; применение эффективныхметодов контроля (в том числе автоматизированного и статистического) качестватехнологических операций и качества изделий; разработка рациональных способов тренировкиизделий, выявляющих скрытые производственные дефекты; испытания на надёжность,исключающие приёмку ненадёжных изделий.
Вовремя эксплуатации: обеспечение заданных условий и режимов работы; проведениепрофилактических работ и обеспечение изделий запасными деталями, узлами иэлементами, инструментом и материалами; диагностический контроль,предупреждающий о возникновении отказов.
Входе развития техники возникают новые аспекты проблемы обеспечения надёжности.Так, например, внедрение больших интегральных схем требует принципиально новыхметодов расчёта их Надёжность, применение систем автоматизированного контроляприводит к необходимости учёта его влияния на показатели надёжности и т.д.Наука о надёжности возникла на стыке ряда научных дисциплин, а именно: теории вероятностейи случайных процессов, математической логики, термодинамики, технической диагностикии др., развитие которых взаимосвязанно и находит своё отражение в развитиитеории надёжности. Основное направление развития науки о надёжностиопределяется общей тенденцией технического развития в различных отрасляхнародного хозяйства и задачами народно-хозяйственных планов страны. К числунаиболее актуальных вопросов теории Надёжности относятся: оценка и обеспечениенадёжности сложных кибернетических систем. Проблема надёжности является«вечной» проблемой, т. к. она всякий раз возникает в новойформулировке на каждом новом этапе развития техники.