11 | 12 | 2017

Реферат На тему: «Виды надежности. Физическая и эксплуатационная надежность. Способы повышения эксплуатационной надежности» 2008

 

Реферат На тему: «Виды надежности. Физическая и эксплуатационная надежность. Способы повышения эксплуатационной надежности» 2008

Современное понимание надежности

Проведенный анализ существующих понятий надежности показал, что в настоящее время нет единого мнения у ученых о том, что же такое надежность. Несмотря на то, что в отечественной и зарубежной науке о надежности написано огромное количество научных работ и монографий и существует вероятностно-статистическая теория надежности, тем не менее приходится констатировать тот факт, что на сегодняшний день нет теории надежности и непонятно, что же такое надежность вообще. Что дает основание к подобному утверждению? Такое утверждение можно сделать на основании следующих соображений. Во-первых, вероятностно-статистическая теория, как ранее отмечалось, это собственная, самостоятельная теория, которая используется для оценки вероятности наступления или свершения того или иного события. Эта теория может быть применена для предсказания наступления стихийных бедствий, деторождаемости, смертности, заключения возможного количества браков и совершения разводов, предсказать урожайность и многое-многое другое. То есть это теория, которая работает на принципе оценки каких-то событии на основе учета их наступления или отсутствия, то есть на принципе учета и обсчета - "да" или "нет". Однако свершившиеся или не свершившиеся события в работе механического объекта (отказ) - это уже результат либо надежности, либо его безнадежности, но не сама надежность. То есть в конечном итоге с помощью статистической теории мы можем оценить не саму надежность, а ее следствие, то есть отказ (или безнадежность). А собственно сама надежность, которая лежала в основе безотказности, осталась неоцененной и неизученной. То есть, что такое надежность и что лежит в ее основе, так и осталось невыясненным.

Несомненно, в основе надежности лежит неизменность или постоянство каких-то показателей, или параметров. Если рассматривать изначальное звено в системе «надежность - безотказность», то в этом звене надежностью в первую очередь оценивается материал, а затем уже и все многообразие деталей и конструкций, которые из этого материала изготавливаются. Что значит надежность для металлов, сплавов и других материалов? Это, конечно же, постоянство их внутреннего состояния, т. е. поддержание исходного физико–механического состояния в неизменном (первоначальном) виде или его изменяемость в таких пределах, которые не сказываются на ухудшении его работы, или не влекут за собой отказ. Т. е. в основе надежности любого материала лежит сохраняемость его исходных (физических и химических) свойств в пределах, необходимых и достаточных для обеспечения его работоспособности или безотказности. Следовательно, надежность – это и есть ничто иное, как сохраняемость объекта в течение какого-то определенного промежутка времени.

Т. о., понятию надежности можно дать следующее определение:

Надежность - это сохраняемость объекта в течение Заданного промежутка времени в пределах, необходимых и достаточных для обеспечения его работоспособНости в режиме эксплуатационных нагрузок.

В данном определении использован термин сохраняемость и его понятие, которые более полно отражают физическую суть надежности.

Поскольку сохраняемость исходных свойств у объекта с течением времени может быть полная, частичная, общая и т. д., то и надежность может иметь целый ряд разновидностей. Рассмотрим теперь их более подробно.

ВидЫ надежности.

Физическая надежность

В технической литературе в настоящее время физической надежности дается следующее определение.

Физическая надежность отдельного объекта или простого изделия характеризуЕтся его способностью надежно работать в заданных условиях в течение заданного времени. То есть по существу из этого определения следует, что физическая надежность-это надежность просто объекта.

Таким образом., Надежность - Это сохраняеМость объекта в течение заданного промежутка времени в преДелах необходимых и достаточных для обеспечения его рабоТоспособности (или безотказности). В первую очередь, эта безотказность обеспечивается постоянством или незначительным изменением физико-механических свойств (в допустимых пределах) объекта. То есть сохраняемостью этих физико-механических свойств в первоначальном (исходном) виде либо незначительным изменением, которое не приводит к существенному ухудшению внутреннего состояния материала объекта. Это, сохраняемость микроструктуры, химического и фазового состава материала, которые обеспечивают неизменность твердости, прочности, пластичности, износостойкости, коррозийной, эрозионной стойкости и других свойств. В свою очередь неизменность или незначительное изменение (в допустимых пределах) этих свойств обеспечивает длительную и безотказною работу этих объектов, в основе которой лежит физическая надежность. Следовательно, под физической надежностью мы будем понимать следующее:

Физическая надежность - Это сохраняемость исходНых физико-механических свойств объекта в пределах, Необходимых и достаточных для обеспечения его рабоТоспособности в режиме эксплуатационных нагрузок в Течение заданного промежутка времени.

Следует отметить, что в обеспечение физико-механических свойств входят и химические свойства. Таким образом, собственно, физическая надежность различного рода материалов и является основой любой надежности (эксплуатационной, локальной, комплексной и др.) простых и сложных объектов. Вместе с тем, если к материалам применимо понятие только физической надежности, то к конструкциям, наряду с физической надежностью, применимо такое понятие как конструктивная надежность.

Общая и эксплуатационная надежность

Рабочие органы машин, их узлы, агрегаты и, наконец, сами машины представляют собой весьма сложные конструкции, работоспособность которых обеспечивается как физической, так и конструктивной надежностью. Назовем такую совокупность надежностей общей надежностью. Следовательно, под общей надежностью машин или других объектов мы будем понимать:

Общая надежность - Это одновременная сохраняемость физико-механических свойств, целостности и неИзменности конструкции объекта, эксплуатируемого в Режиме рабочих нагрузок в течение заданного промеЖутка времени.

Если рассмотреть график изменения надежности от величины износа детали (элемента конструкции), то в этом графике можно выделить несколько основных зон (Рис. 1.1.). Так в начальный момент времени (приработки) идет интенсивное падение надежности за счет ускоренного истирания деталей и увеличения зазоров в парах трения, затем скорость изнашивания уменьшается (это период нормального износа), а в третьей стадии она опять возрастает за счет возникающих динамических нагрузок. Наконец, наступает такой момент, когда конструктивная надежность достигает своего предельного или порогового значения, при котором дальнейшее функционирование этого элемента конструкции в пределах эксплуатационных требований уже невозможно, в результате чего наступает отказ. То есть отказ или переход объекта в неработоспособное состояние наступает при достижении нижнего порогового значения надежности конструктивной либо физической, либо той и другой одновременно.

Следовательно, работоспособность и безотказность объекта обеспечивается не всей совокупностью физической и конструктивной надежности, а только ее частью, включающей интервал от исходного состояния до нижнего порогового значения. Именно этот интервал общей надежности и является эксплуатационной надежностью, которая обеспечивает безотказность любого объекта (рис. 1.2). Таким образом, под эксплуатационной надежностью мы будем понимать следующее:

Эксплуатационная надежность-Это необходимая и достаточная часть физической и конструктивной надежности, обеспечивающая работоспособность (или безотказность) объекта в режиме эксплуатационных нагрузок в течение заданного промежутка времени.

То есть это часть общей надежности, имеющая нижнюю границу допуска на уровне нижнего порогового значения надежности. Превращается ли после этого надежность объекта в нуль или нет? Или она имеет какое-то конечное численное значение отличное от нуля, и как она изменяется во времени? Видимо, после наступления отказа оставшаяся надежность не превращается в нуль, так как не исчезают полностью физико-механические свойства и первоначальная конструкция объекта. Они только претерпели существенные изменения и не более того. Следовательно, если к оставшейся надежности, к оставшимся физико-механическим свойствам, изменившейся конструкции добавить утраченную их величину, то объект обретет опять достаточную по величине надежность, что позволит перевести его из состояния отказа в работоспособное состояние. Таким образом, после отказа все объекты обладают остаточной надежностью, которая может быть разной по величине, но не равной нулю, поскольку объект не прекращает своего существования. И только с исчезновением объекта
(материи) полностью исчезает его надежность, а до тех пор пока есть материал, из которого изготовлен объект и есть какая-то остаточная конструкция, то объект обладает остаточной надежностью, которая может быть либо увеличена, либо уменьшена. Таким образом, под остаточной надежностью мы будем понимать:

Остаточная физическая надежность-это ПослеэксПлуатационная (или послеотказная) сохраняемость фиЗико-механических свойств объекта (в пределах устаНовленных требований) в течение фиксированного проМежутка времени.

Остаточной надежностью объект может обладать не только после отказа, но и тогда, когда его не было, но объект либо снят из эксплуатации вообще (списан), либо находится после эксплуатации в состоянии длительного хранения или поставлен на ремонт, техобслуживание, продажу или разборку и т. Д.

Аналогичным образом объект может обладать и остаточной конструктивной надежностью, под которой мы будем пониматъ следующее:

Остаточная конструктивная надежностъ-это Послеэксплуатационная (или послеотказная) сохраняемость Конструкции (в пределах конструктивных требований) В течение фиксированного промежутка времени.

Рис.1.1. График износа и соответствующий ему график падения надежности (I - график износа; 2 - график вероятности отказа; 3 - график падения надежности; 4 - график безотказности).

Рис. 1.2. График эксплуатационной надежности (по износному признаку) и ее нижние пороговое значение.

В комплексе остаточная физическая и конструктивная наДежность дают общую остаточную надежность, которую можно назвать послеэксплуатационной надежностью, а именно;

Послеэксплуатационная надежность-это Остаточная сохраняемость физико-механических свойств, целостности и/или неизменности конструкции в пределах технических требовании в течение фиксированного промежутка времени.

Вместе с тем физическая и конструктивная надежность, в свою очередь, может иметь очень много разновидностей, которые в дальнейшем и будут рассмотрены.

Конструктивная надежность

В технической литературе и нормативной документации в настоящее время не содержится такого понятия как конструктивная надежность. Однако введение такого понятия настоятельно диктуется производственной необходимостью особенно на стадии проектирования объектов. Поскольку эксплуатационная надежность в значительной степени зависит не только от физической, но и от конструктивной надежности. Итак, что же такое конструктивная надежность, из чего она слагается и как оценивается? При изготовлении машин (в начальный момент времени) из материала изготавливаются детали, которые имеют определенную конструкцию, и которая в дальнейшем будет работать в узле, агрегате, машине. Надежность, а в конечном итоге и безотказность этой детали, будет определяться не только исходными свойствами материала, но и тем, как конструкция этой детали будет влиять на потерю этих свойств в процессе эксплуатации. Например, если взять деталь и спроектировать ее так, что у нее будут иметься концентраторы напряжений (острые углы, нерационально расположенные отверстия и т. д.), то вследствие статических и динамических нагрузок в зонах концентрации напряжений возникнут трещины и произойдет разрушение конструкции в целом. Если же конструкцию выполнить с галтелями, то этого не произойдет, надежность такой конструкции будет гораздо выше.

Вторая особенность конструктивной надежности заключается в сохраняемости исходной конструкции в процессе ее эксплуатации в первоначальном виде. Например, если в процессе эксплуатации конструкция узла, агрегата, или машины не претерпевает существенных изменении, то работоспособность и безотказность такой конструкции гарантирована.

Если же в процессе работы в сложной конструкции произошло произвольное смещение одних ее элементов по отношению к другим за пределы допустимого, или произошла утрата отдельных элементов (за счет длительной вибрации раскрутились гайки, выпали болты или отдельные детали, произошел их перекос и т. д.), то такая конструкция в конечном счете окажется не работоспособной. Следовательно, отсутствие сохраняемости первоначального взаимного ориентирования элементов конструкции или изменения ее комплектности может стать причиной отказа, то есть отказ явился следствием конструктивной надежности (безнадежности) объекта. Следовательно, в данном случае под конструктивной надежностью единичного или сложного объекта мы будем понимать:

Конструктивная надежность единичного объекта - это обеспечение сохраняемости (сплошности или неизменности) конструкции объекта при работе его в режиме эксплуатационных нагрузок в течение установленного периода времени.

Конструктивная надежность сложного объекта - это сохраняемость целостности, исходного ориентирования элементов и комплектности конструкции объекта при работе его в режиме эксплуатационных нагрузок в течение установленного периода времени.

Единичная, интегральная и комплексная

Надежность

Ранее было сказано, что под физической надежностью понимается сохраняемость физико-механических свойств объекта в пределах, необходимых и достаточных для обеспечения его работоспособности или безотказности в течение заданного промежутка времени. Однако, следует отметить, что безотказность или работоспособность объекта возможна лишь тогда, когда все физические свойства детали или конструкции сохраняются в заданных пределах, то есть, когда имеет место суммарная физическая надежность или так называемая интегральная надежность, под которой мы будем понимать следующее:

Интегральная физическая надежность-это Сохраняемость всех физико-механических свойств единичного объекта в пределах, необходимых и достаточных для обеспечения его работоспособности, в режиме эксплуатационных нагрузок в течение заданного промежутка времени.

Однако, если у единичного объекта сохраняются не все физические свойства, а только какое-то одно или несколько, то такая надежность носит единичный характер и может быть названа единичной физической надежностью:

Единичная физическая надежность-Это сохраняемость одного физико-механического свойства единичного объекта в пределах, необходимых и достаточных для обеспечения его работоспособности в режиме эксплуатационных нагрузок в течение заданного промежутка времени.

Конечно же, для обеспечения работоспособности (или безотказности) единичной надежности единичного объекта недостаточно. Для этого даже недостаточно и интегральной физической надежности, поскольку узлы, агрегаты и машины состоят из огромного количества конструктивных элементов, работоспособность которых в первую очередь обеспечивается интегральной физической надежностью всех элементов конструкции, то есть комплексной надежностью, под которой мы будем понимать следующее:

Комплексная физическая надежность-это Интегральная надежность всех элементов сложной системы.

При этом для обеспечения работоспособности или безотказности объекта недостаточно и комплексной физической надежности, для этого необходима еще комплексная конструктивная надежность, которая включает в себя интегральную конструктивную надежность, под которой мы будем понимать:

Интегральная конструктивная надежность - это сохраняемость всех конструктивных параметров единичного элемента конструкции в пределах, необходимых и достаточных для обеспечения его работоспособности (или безотказности) в режиме эксплуатационных нагрузок в течение заданного промежутка времени.

Аналогичным образом под комплексной конструктивной надежностью мы будем понимать следующее:

Комплексная конструктивная надежность - это сохраняемость всех конструктивных параметров всех элементов сложной конструкции в пределах, необходимых и достаточных для обеспечения его работоспособности (или безотказности) в режиме эксплуатационных нагрузок в течение заданного промежутка времени.

Таким образом, эксплуатационная надежность может быть определена через такие понятия как комплексная физическая и конструктивная надежность, а именно

Эксплуатационная надежность-это Совокупность комплексной физической и конструктивной надежности объекта..

Как правило, отказы происходят потому, что надежность физическая упала до нижнего предельного значения не во всем объеме металла (детали), а в каком-то ограниченном (локальном) объеме, где изменения микроструктуры, химического и фазового состава в совокупности с локальным запредельным напряжением приводят к зарождению микротрещин и дальнейшему разрушению детали в целом. Следовательно, как правило, результатом безотказности является надежность объекта в каком-то определенном локальном объеме, то есть имеет место локальная надежность, под которой мы будем понимать следующее:

Локальная физическая надежность - Это сохраняемость исходных физико-механических свойств материала или его целостности в локальном объеме в пределах, необходимых и достаточных для обеспечения его работоспособности в режиме эксплуатационных нагрузок в течение заданного промежутка времени.

Однако, наряду с локальной надежностью может иметь место и объемная надежность материала, которая наиболее предпочтительна для обеспечения безотказности любого объекта. В свою очередь под объемной надежностью мы будем понимать следующее:

Объемная надежность - это сохраняемость исходных физико-механических свойств материала ил его целостности во всем объеме в пределах необходимых и достаточных для обеспечения его работоспособности в режиме эксплуатационных нагрузок в течение заданного промежутка времени.

Очевидно, что объмная надежность – это совокупность локальных надежностей объекта и зависит, в первую очередь от однородности структуры, химического, фазового состава и распределения напряжений по всему объему детали.

Абсолютная и относительная надежность

Ранее рассмотренные виды надежности, такие как физическая, конструктивная, эксплуатационная, объемная, единичная и другие могут быть абсолютными (безусловными, ни от чего не зависящими) или относительными (зависящими от различных факторов, сознания человека, и оцениваемых каких-либо эталонов).

В природе существует множество примеров, когда объекты обладают абсолютной надежностью, позволяющей им находиться в работоспособном состоянии практически неограниченное количество времени. Так, например, Солнце и все планеты солнечной системы абсолютно надежны, поскольку изменяемость их исходных свойств в течение многих миллионов лет не превышает допустимых пределов. То же можно сказать о полезных ископаемых, воде, воздухе, которые существуют на Земле многие миллионы лет и в течение всего этого промежутка времени не исчезают и не разрушаются благодаря механизму самосохранения, самовосстановления. Следовательно, под абсолютной надежностью мы будем понимать следующее:

Абсолютная надежность - это самосохраняемость всех исходных свойств объекта в пределах, необходимых и достаточных для обеспечения его целостности и работоспособности (безотказности) в течение неограниченного промежутка времени.

То есть объекты работают (функционируют) без вмешательства человека неограниченное время (бесконечно) за счет саморегуляции, самосохранения и самовосстановления. Человек своим вмешательством может только уничтожить эти объекты и не более того. Такие объекты являются недосягаемым образцом, эталоном надежности, разгадав природу этих систем человек мог бы попытаться создать рукотворные, абсолютно надежные объекты. Но, к сожалению, на сегодняшний день это пока невозможно, и все объекты, которые человек создает, имеют весьма ограниченную надежность. Поэтому время их существования очень короткое, исчисляемое часами, месяцами, годами. То есть, создаваемые объекты и их надежность зависят от среды и условий эксплуатации и многого другого. Поэтому такие системы, надежность которых может быть сравнима с надежностью других прототипов и зависит от сознания человека, обладают относительной надежностью, под которой мы будем понимать следующее:

Относительная надежность – это предопределенная человеком сохраняемость всех исходных свойств объекта в пределах, необходимых и достаточных для обеспечения его целостности и работоспособности в режиме эксплуатационных нагрузок в течение фиксированного промежутка времени (непродолжительного).

Следовательно, все объекты, которые созданы человеком, обладают относительной надежностью. На эту надежность человек оказывает самое непосредственное воздействие, как в процессе проектирования и изготовления, так и в процессе эксплуатации того или иного объекта, стремясь ее повысить с целью обеспечения безотказной работы в течение как можно большего времени.

Частичная, гамма-процентная и полная надежность

В процессе эксплуатации единичных или сложных объектов может наблюдаться сохраняемость в заданных пределах не всех физико-механических свойств, а какой-то их части, или сохраняемость конструкции не у всех элементов машины или системы, а только у каких-то отдельных ее элементов. Следовательно, имеет смысл говорить о частичной, физической и конструктивной надежности. Например, в процессе эксплуатации у какой-то детали ухудшились до запредельных значений электропроводность и магнитная проницаемость, прочность, пластичность, износостойкость, а другие свойства остались в пределах эксплуатационных требований. Т. е. произошла утрата физических свойств, не всех, а только какой-то части. Следовательно, в таком случае мы имеем дело с так называемой частичной надежностью, под которой мы будем понимать следующее:

Частичная физическая надежность – это сохраняемость нескольких физико-механических свойств объекта в пределах эксплуатационных требований при воздействие на него эксплуатационных нагрузок в течение заданного промежутка времени.

Частичная конструктивная надежность-это сохраняемость нескольких элементов конструкции в пределах конструктивных требований при воздействии на нее эксплуатационных нагрузок в течение заданного промежутка времени.

Если известно конкретно сколько процентов составляет сохраняемость физико-механических свойств или конструктивных элементов во всей конструкции от общего их количества, то такая надежность может быть оценена или охарактеризована гамма-процентной надежностью - конструктивной или физической:

Гамма-процентная надежность (физическая или конструктивная) - это строго определенная (на гамму процентов) величина сохранившихся физико-механических свойств или элементов конструкции (из всей совокупности) в пределах эксплуатационных требований при воздействии на объект эксплуатационных нагрузок в течение заданного промежутка времени.

В том случае, если у объекта, у всех его элементов сохраняются физико-механические свойства и конструктивные параметры в пределах эксплуатационных требований, то мы будем иметь дело с так называемой полной надежностью, которую можно определить следующим образом:

Полная надежность-Это сохраняемость всех физико-механических свойств и конструктивных параметров объекта в пределах эксплуатационных требований при воздействии на него эксплуатационных нагрузок в течение заданного промежутка времени.

Естественно, что именно полная надежность является гарантом безотказности объектов в течение определенного промежутка времени при воздействии на этот объект регламентированных (а не превышающих допустимые пределы) эксплуатационных нагрузок.

Минимальная и максимальная эксплуатационная надежность, единицы ее

Измерения

В процессе изготовления или ремонта различных объектов их надежность может быть крайне неодинаковой. Кроме того, различные элементы конструкций также могут обладать неравнозначной надежностью. У одних она может быть крайне низкой, а других неоправданно завышенной.

Минимальная эксплуатационная надежность-Это сохраняемость всех исходных свойств объекта в пределах; необходимых и достаточных для обеспечения его работоспособности (или безотказности) в режиме эксплуатационных нагрузок в течение единичного промежутка времени (сек., мин., час).

Если же объект сохраняет свою надежность и безотказность в течение всего периода эксплуатации, то есть от начала эксплуатации до его списания, то можно оценить его эксплуатационную надежность как максимальную, под которой мы будем понимать следующее:

Максимальная эксплуатационная надежность - это сохраняемость исходных свойств объекта в пределах, необходимых и достаточных для обеспечения его работоспособности в режиме эксплуатационных нагрузок в течение всего периода эксплуатации.

Единица измерения эксплуатационной надежности - это сохраняемость исходных свойств объекта в течение одной секунды в пределах эксплуатационных нагрузок. При этом единицы измерения надежности могут быть как и абсолютные, так и относительные. Например, если сохраняемость исходных физико-механических свойств в пределах эксплуатационных требований измеряется в абсолютных физических величинах: Ом, метрах, граммах, кг/см2, и т. д., то тогда абсолютная единица измерения надежности будет равна: Ом/сек, м/сек, и т. д.

Однако, пользоваться таким разнообразием единиц измерения не всегда удобно, поэтому проще измерять интенсивность падения надежности в относительных единицах, например, в % /сек. То есть определять насколько процентов изменилось то, или иное свойство за единицу времени. Например, если в течение одного часа сопротивление проводника ухудшилось на 0,001 %, тогда скорость падения надежности будет равна: 0,001 %/час, а величина остаточной эксплуатационной надежности - 99,999 %.

Выносливость и запас надежности

При конструировании и изготовлении различного рода машин и механизмов всегда сохраняется опасность непредвиденных (случайных) перегрузок, действующих на элементы конструкции. Поэтому в целях обеспечения устойчивости работы системы возникает необходимость некоторого завышения исходных свойств, обеспечивающих безотказную работу машины при экстремальных ситуациях. В таком случае конструкторы и технологи вынуждены закладывать в машину некоторый запас надежности, под которым мы будем понимать:

Запас надежности - это обеспечение сверх нормы (2х - Зх кратное и т. д.) сохраняемости исходных свойств объекта, позволяющих ему функционировать в условиях непредвиденных перегрузок в течение заданного промежутка времени.

Запас надежности - это более длительная и повышенная сохраняемость заданных свойств, обеспечивающая безотказность или работоспособность объекта.

Следует отметить, что это именно завышенная сохраняемость свойств, а не завышенные свойства. Поскольку завышение свойств приводит к изменению технических и эксплуатационных характеристик, то это может привести к тому, что система будет вообще не работоспособной или опасной в работе. Например, если повысить прочность шпонки в шестерне, то это приведет к тому, что шпонка, выполняющая дополнительно роль предохранителя шестерни при завышенных нагрузках, останется невредимой, а зубья шестерни разрушатся. Следовательно, для того, чтобы повысить надежность или запас надежности не обязательно повышать исходные свойства объекта. Для этого просто необходимо повысить степень сохраняемости этих свойств в течение заданного времени.

В свою очередь запас надежности обеспечивает более длительную безотказность объектов, то есть делает их выносливыми. Следовательно, под выносливостью мы будем понимать следующее:

Выносливость - это способность объекта при значительных его перегрузках функционировать длительное время в пределах эксплуатационных требований. Таким образом, выносливость - это следствие (или результат) запаса надежности, который обеспечивает длительную и безотказную работу объекта при воздействии на него значительных по величине перегрузок (механических, электрических, термических и т. д.).

Теоретическое обоснование способов повышения

эксплуатационной надежности.

Если воспользоваться классической кривой износа и положить, что отказ детали наступает только в результате предельного износа, то тогда между графиком износа и теоретической кривой надежности должна существовать определенная взаимосвязь. Поскольку надежность-это сохраняемость объекта в заданный промежуток времени в пределах необходимых и достаточных для обеспечения его работоспособности, то можно предположить, что с увеличением износа, то есть с уменьшением сохраняемости объекта, его надежность уменьшается. А поскольку падает надежность, то вероятность отказа, соответственно, возрастает. Такая взаимосвязь надежности и безотказности с износом представлена на рис.1.2, где кривая-1 представляет собой график износа, а пунктирная кривая-2 соответствующий ему график вероятности наступления отказа. При этом надежность и безотказность должны убывать пропорционально росту износа. То есть графики надежности и безотказности будут иметь зеркальное отображение графикам износа и отказа с явно выраженными тремя зонами. Так, в первый период (момент приработки), когда износ детали интенсивен, то и скорость падения надежности так же максимальна, во втором периоде (нормального износа), замедление износа, соответственно, приводит к уменьшению скорости падения надежности и, наконец, в третьем периоде опять возрастает скорость износа и интенсивность падения надежности.

а) б)

Рис. 5.7. Круговая диаграмма эксплуатационной надежности, (а). Тоже с отдельными графиками ее изменения во времени, (б)

Далее небезынтересно было бы выяснить, когда же будет наступать отказ при все уменьшающейся надежности? Для того, чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим некоторые возможные варианты изменения функций вероятности наступления отказа и наличие самого отказа в зависимости от характера и степени износа. Так, на рис.5.8 представлены теоретические графики трех функций: надежности (Rt), вероятности наступления отказа (Qt) и самого отказа (Рт). При этом характер и интенсивность износа деталей могут быть самыми различными. На рис.5.8а показано, что 50% износа детали может произойти еще на начальной стадии приработки, когда наработка составила около 20%.

При этом вероятность отказа равна 50%. То есть вероятность того, что отказ может наступить равна вероятности того, что отказ не наступит, это так называемое состояние неустойчивого динамического равновесия. Если же износ будет идти более замедленно, то такое состояние с равной вероятностью отказа может наступить при 50% использованного моторесурса (рис.5.8б). При этом при вероятности отказа равной 50% отказ может не наступить, (отказ равен нулю, на первом и втором графике это показано пунктирной прямой). Половинный (50%) износ и соответствующая ему 50% вероятность отказа могут наступить и гораздо позднее при 70% или 80% наработки. При этом может возникнуть и отказ, но скорее всего это будет не закономерный, а случайный отказ, графики такого отказа представлены на рис. 5.8в и 5.8г. Если же износ будет составлять более 50%, то вероятность отказа существенно возрастет и он становится уже реальностью. Так, если износ будет составлять 85%-95%, то вероятность отказа при этом будет также равна 85%-95%, и отказ становится реальным событием (рис.5.8д, пунктирная линия).

Поскольку эксплуатационная надежность в таком случае находится в прямой зависимости от износа, то наступление отказа или безотказности объекта будет аналогичным образом зависеть от надежности так же, как и от величины износа. При этом важно знать при каком значении надежности может наступить или не наступить отказ. Это произойдет тогда, когда общая надежность будет равна нулю или значительно раньше, когда она еще не обратится в нуль? Ранее отмечалось, что физическая надежность существует только тогда, когда существует объект, и когда его свойства не равны нулю и нулевая надежность возможна лишь тогда, когда объект исчезнет, то есть когда исчезнет материя.

Даже если объект сгорел, то даже пепел обладает какой то остаточной надежностью. Следовательно, (как ранее отмечалось) отказы должны наступать, по всей вероятности, не тогда, когда физическая надежность будет равна нулю, а тогда когда остаточная надежность будет равна какому то минимальному значению, при котором дальнейшее функционирование объекта становится невозможным. То есть должно существовать нижнее пороговое значение эксплуатационной или физической надежности, при котором наступает отказ. Ниже этого значения надежности находится остаточная надежность объекта, которая исключена из эксплуатации объекта. Следовательно, физическая общая надежность объекта включает в себя эксплуатационную и остаточную надежность, что можно записать следующим образом:

Rtф=Rtэ+Rto (5.31)

Где: Rtф - физическая (общая) надежность; Rtэ - эксплуатационная надежность;

Rto - остаточная надежность. Тогда величина эксплуатационной надежности, то есть той части надежности, которая создается только частью физико-механических свойств, необходимых и достаточных для обеспечения работоспособности объекта, будет равна:

Rtэ=Rtф-Rto (5.32)

Анализируя данное уравнение, мы видим, что для того, чтобы повысить эксплуатационную надежность и тем самым снизить вероятность наступления отказов во времени, необходимо одновременно увеличивать общую физическую надежность и уменьшать остаточную надежность.

То есть необходимо одновременно повысить и понизить пределы надежности, а именно: увеличивая общую физическую надежность добиться, такого положения, чтобы отказы наступали при более полном использовании материальной основы объекта (технического ресурса), чтобы свойства этого объекта были как можно более полно реализованы (истрачены)-

Более наглядно это показано на рис.5.9. Так, например, при общем значении надежности равном 0.7 отказ может наступить при первом нижнем пороговом значении равном 0.3, и процесс этого отказа протекает в определенном временном интервале, в зоне - "А" (хотя и очень коротком). При этом, когда нет резкого (аварийного) падения надежности, отказ равен нулю, затем в зоне "А" (аварийного падения надежности) ускоренно растет вероятность наступления отказа, который в точке I полностью оформляется и мгновенно нарастает до значения равного единице. После этого физическая надежность не прекращает своего существования, а медленно убывает, хотя объект не работает и эксплуатационная надежность его равна нулю. То есть остаточная надежность и его остаточные свойства не равны нулю и после прекращения работы объекта убывают вследствие естественного старения. При этом величина эксплуатационной надежности, обеспечивающая безотказность объекта, как видно из графика, была равна 0.40 (т. е. Rэ=0.70-0.30=0.40). Для того, чтобы увеличить эксплуатационную надежность, необходимо, как ранее было сказано, понизить нижнее пороговое значение надежности и увеличить общее ее значение. Так, например, если мы одновременно повысим надежность с 0,70 до 1,0, а нижний порог опустить до значения 0.10, тогда отказ более вероятен в точке 3, что приведет к увеличению срока эксплуатации объекта. (См. Рис. 5.9, зона "В"). Таким образом для того, чтобы увеличить продолжительность эксплуатации объекта, необходимо добиться такого положения, чтобы отказ наступал при более низкой прочности материалов, более высоких износах и т. д.

При этом в процессе эксплуатации объектов в целом ряде случаев, остаточная надежность их остается весьма значительной, но недостаточной для обеспечения работоспособности машины. Поэтому небольшое добавление изношенному объекту соответствующих свойств (массы, прочности, и т. д.) вновь может сделать его работоспособным.

Рис- 5.8. Взаимосвязь эксплуатационной надежности с безотказностью и отказом

В этом случае необходимым и достаточным условием обеспечения работоспособности и безотказности объекта является следующее условие, а именно:

Rtо+ Rtg>=Rtn, (5.33)

 

Рис. 5.9. График изменения эксплуатационной надежности и отказа в зависимости от наработки, нижнего и верхнего пороговых значений.

Где: Rt0- остаточная надежность;

Rtg - введенная в объект надежность за счет добавленных физико-механических и конструктивных свойств;

Rtn - нижнее пороговое значение эксплуатационной надежности.

Из данного уравнения следует, что только в том случае, если сумма остаточной и вновь введенной в объект надежности станет равной или больше порогового значения (эксплуатационной надежности), только тогда объект обретет свою работоспособность и безотказность.

Таким образом, под введенным понятием порогового значения эксплуатационной надежности мы будем понимать следующее:

Нижний порог эксплуатационной надежности - Это минимальное значение (физической и/или конструктивной) надежности, при которой объект остается еще работоспособным.

Нижнее пороговое значение эксплуатационной надежности не является для всех объектов одинаковым и зависит от условий эксплуатации и, в частности, от той нагрузки, которая является для данного объекта запредельной, приводящей объект к выходу из работоспособного состояния.

Далее проанализируем ситуацию, в которой возможно повышение эксплуатационной надежности. Так, например, допустим, что в исходном состоянии объект обладает общефизической надежностью, равной 0,90 то, видимо, и его безотказность будет находиться на этом же уровне. Затем, если надежность объекта определяется только степенью его изнашивания, то график падения надежности и безотказности будет иметь вид, представленный на рис.5.10а. При этом при достижении предельного износа возможно снижение общей физической надежности этого объекта до 0,25, что может являться нижним пороговым значением для эксплуатационной надежности этого объекта.

В таком случае, как ранее было показано, вероятность наступления отказа становится равной - 1,0 и при остаточной физической надежности равной 0,25 объект становится неработоспособным. Следовательно, остаточная надежность в интервале от 0,25 до 0 не будет участвовать в обеспечении работоспособности объекта, то есть это будет своеобразная нижняя мертвая зона. Это интервал неиспользованных свойств и возможностей. Наряду с этим интервалом существует еще мертвая зона надежности от 0,90 до 1,0. Это тот интервал надежности который не достигнут при изготовлении объекта и который мог бы участвовать в обеспечении его безотказной работы.

Далее, на рис.5.10б показано, как с помощью повышения исходных свойств деталей, может происходить рост их надежности, например, до 0,97, в результате чего верхняя мертвая зона уменьшается до 0,03 при неизменном нижнем пороговым значении. За счет этого эксплуатационная надежность возрастает с 0,65 до 0,72. Повысить далее эксплуатационную надежность можно путем доведения верхней мертвой зоны до единицы, что практически очень сложно, либо снизить нижнее пороговое значение надежности.

Так на рис. 5.11 показано, что если снизить нижнее пороговое значение, например, до 0,15, то величина эксплуатационной надежности возрастает до 0,82.

В дальнейшем довести нижнее пороговое значение надежности до нуля невозможно, поэтому в каждом конкретном случае необходимо установить величину предельно достижимого нижнего порогового значения надежности, что существенно позволит продлить сроки безотказной работы объектов. Следовательно, с учетом этого можно сформулировать следующее правило:

Эксплуатационная надежность технических объектов стремится к физической и/или конструктивной надежности, но всегда меньше ее на величину остаточной надежности, которая стремится к нулю, но никогда его практически не достигает.