5.2. Предмет науки о надежности.

Надежность, внедряясь в различные сферы человеческой деятельности, использует разработки многих отраслей знаний. Вместе с тем, она является самостоятельным научным направлением со своими принципами и методологией.

В условиях интенсивного развития машиностроения практика с ее разнообразными запросами в области проектирования, производства и эксплуатации машин ставит перед наукой о надежности новые задачи, связанные, например, с прогнозированием, с методами испытания на надежность, с оптимизацией конструкции по критериям качества и надежности.

Наука, реагируя на эти запросы практики, привлекает различные области знаний, модернизирует существующие теории и положения, предлагает новые математические модели. Поэтому часто возникает вопрос о содержании и методах раздела науки, который относится к надежности машин.

Где граница между проблемами надежности и задачами смежных наук? Что является главным содержанием науки о надежности? Какие основные направления и тенденции развития характерны для нее?

Вместе с тем, как бы разнообразны не были машины и условия их работы, формирование показателей надежности происходит по общим законам, подчиняется единой логике событий, и раскрытие этих связей является основой для оценки, расчета и прогнозирования надежности, а также для построения рациональных систем производства, испытания и эксплуатации машин.

Наука о надежности изучает закономерности изменения показателей изделий с течением времени, и на основании этого разрабатывает методы, обеспечивающие с наименьшими затратами времени и средств необходимую продолжительность и безотказность работы технических устройств.

Следует подчеркнуть, что наука о надежности не рассматривает вопросов достижения определенного уровня показателей качества машин – их точности, мощности, КПД, производительности – это задача отраслевых наук, а рассматривает процесс изменения этих показателей с течением времени.

Исторически наука и исследования в области надежности развивались по двум основным направлениям.

Первое направление, которое возникло в радиоэлектронике, связано с развитием математических методов оценки надежности, особенно применительно к сложным системам, со статистической обработкой эксплуатационной информации, с разработкой методов, обеспечивающих высокий уровень надежности, в первую очередь, за счет оптимизации структуры сложной системы.

Второе направление, которое возникло в машиностроении, связано с изучением физики процессов старения (изнашивания, усталостного разрушения, коррозии и др.), с разработкой соответствующих методов расчета на долговечность, с применением технологических приемов, обеспечивающих необходимую надежность машины.

Следующий этап развития науки о надежности отражает процесс взаимного слияния этих двух направлений, перенесения рациональных идей из одной области в другую и формирование на этой основе единой науки о надежности изделий.

В реально функционирующих системах всегда могут присутствовать неисправности и в целом возможно общее несовершенство и неточности в работе. Поэтому не нужно считать это противоестественным и пытаться изобрести идеальную машину без потерь, а рассматривать источники и причины вредных воздействий, изучать реакцию машины на эти воздействия, создавать такие системы, которые могли бы успешно выполнять заданные функции в различных условиях эксплуатации.

При этом должны учитываться и физика явлений, и вероятностная природа этих процессов, и статистические вариации характеристик исследуемых объектов, и широкий диапазон тех задач, которые выполняют технические устройства. Сложность всех этих явлений привела к тому, что для решения вопросов надежности широко применяют методы математической статистики, и они дали много положительных и эффективных результатов.

Однако статистика делает свои выводы на основе уже совершившихся событий, а надежность должна предсказать, что произойдет с новым, в настоящее время удовлетворяющим нас изделием. Поэтому методологическая база решения проблемы надежности – это методы прогноза возможных изменений на основе изучения физики процессов старения с их стохастической природой. Несовершенство чисто статистических методов теории надежности заключается в том, что закономерности, необходимые для оценки надежности изделия, получают непосредственно из опыта как результат анализа массовых событий. Такими событиями, которые подчиняются тем или иным статистическим закономерностям, являются отказы функционирующих объектов.

Поэтому эти методы непригодны для надежности изделия не только на стадии проектирования, но и при наличии опытного образца или при работе неизношенных машин.

В настоящее время все большие позиции завоевывает методический подход, базирующийся на разработке моделей параметрической надежности, в которых формализуется процесс изменения во времени работоспособности машины. Вероятностные характеристики этого процесса могут быть спрогнозированы на ранних стадиях создания машины

Решение этих задач и создание инженерных методов расчета надежности осложняется следующими особенностями данной проблемы:

• учет фактора времени, поскольку оценивается изменение начальных характеристик машины в процессе ее эксплуатации;

• сочетание вероятностных ;

• процессы изменения параметров изделия являются случайными;

• все стадии создания и эксплуатации машины вносят свой вклад в формирование показателей надежности.

Надежность связана со всеми этапами проектирования (проектировочная), изготовления (технологическая) и использования (эксплуатационная надежность) изделий.

Поэтому надежность является как бы “'динамикой качества”, его разверткой во времени. Причем наука о надежности не рассматривает вопросы достижения определенного уровня показателей качества изделий – их точности, мощности и т.д.

Наука о надежности на основании прогноза поведения системы разрабатывает теорию принятия оптимальных решений для обеспечения требуемого уровня надежности.

Поэтому основными особенностями научного аспекта проблемы надежности машин:

• фактор времени, поскольку оценивается изменение начальных параметров в процессе эксплуатации машины;

• сочетание вероятностных методов с закономерностями физических процессов;

• прогнозирование возможного изменения состояния объекта при его использовании;

• установление связи надежности машины с показателями ее качества и работоспособности.

Остановимся кратко на содержании теоретических основ науки о надежности машин.

Как всякая прикладная область знаний наука о надежности использует математические и естественные науки, те их разделы и теоретические разработки, которые способствуют решению поставленных задач.

Математические методы теории надежности получили в настоящее время достаточно широкое развитие и дают инженеру большие возможности для удовлетворения различных запросов практики.

Для решения задач надежности используются теория вероятностей, математическая статистика, теория случайных процессов, теория информации, методы теории автоматического управления, теория массового обслуживания и другие разделы прикладных математических наук.

Второй теоретической основой надежности являются результаты естественных наук, изучающих физико-химические процессы разрушения, старения и изменения свойств материалов, из которых изготовлены машины или которые необходимы для их функционирования (топливо, смазочные материалы).

Сюда относятся науки, изучающие механические виды разрушения материалов (например, сопротивление материалов), изменения, происходящие в поверхностных слоях материалов (трибология), химические процессы разрушения в материалах (коррозия металлов, старение) и др.

Основной особенностью исследований, связанных с изучением материалов и направленных на решение задач надежности, является нахождение временных закономерностей процессов старения.

Кроме того, необходимо учитывать, что для многих современных машин характерен не только широкий диапазон скоростей и нагрузок, но и воздействие коррозионно-агрессивных сред, высоких и низких температур, наличие вакуума, электромагнитных влияний, ядерных облучений и других воздействий. В этой связи, нахождение закономерностей процесса разрушения должно базироваться на применении методов физико-химической механики материалов и физики твердого тела.

Для машиностроения при решении задач надежности все чаще и чаще требуются методы механики. К ним тесно примыкает технологический аспект надежности, особенно с позиции точности изготовление и сборки составных частей машины, поскольку именно технология ответственна за отклонение начальных параметров машины от идеальных.

Разработка различных методов оценки показателей надежности, особенно на ранних стадиях создания машин с учетом специфики их конструкции, назначения и условий эксплуатации, является основным содержанием и целью теории надежности машин.

Теория надежности позволяет решать следующие основные задачи.

На этапе проектирования – расчет сроков службы основных элементов машины (по износу, усталостной прочности), прогнозирование надежности машины по ее выходным параметрам, анализ вариантов и выбор рациональной конструкции по показателям надежности, оценка оптимальных режимов работы и области применения машины с учетом заданного периода сохранения работоспособности.

На этапе создания нового образца – создание системы управления качеством и надежностью, обеспечение надежности технологического процесса изготовления деталей и узлов машины, разработка методов испытания образцов машин по параметрам качества и надежности.

На этапе эксплуатации – разработка рациональной системы технического обслуживания и ремонта машины, создание методов и средств для диагностирования состояния машины в процессе эксплуатации, создание информационной базы данных о надежности машины и ее элементов.

Эффективность мероприятий, проводимых для повышения надежности данной машины, в сильной степени зависит от научной базы, от правильности общего методологического подхода, от системности мероприятий, которые должны охватывать все стороны сложных процессов и явлений, определяющих оптимальные пути достижения конечного результата – получения требуемого уровня надежности выпускаемого изделия.