2 Возрастание значения надежности в ходе

научно-технического прогресса

Проблема надежности не нова, хотя наука о надежности технических систем (ТС), технических объектов (ТО) зародилась лишь в середине XX века. Можно не сомневаться в том, что первобытный человек, идя на охоту, скажем, на мамонта с простейшим оружием – каменным топором или пикой, надеялся на то, что это орудие охоты не подведет его в бою, что оно надежно. Важность проблемы надежности возрастала в течение многих столетий по мере создания человеком орудий, все более мощных, эффективных, выполняющих важные и сложные функции машин, сооружений, систем. Вообще говоря, можно утверждать, что история развития человеческого общества – это история изобретения, создания и совершенствования различных орудий труда, технических устройств и соответствующих технологий для удовлетворения постоянно растущих потребностей и запросов людей. В результате трудом многих поколений создана громадная техносфера – рукотворная искусственная «природа», в которой и существует современный человек.

Процесс наращивания техносферы не был равномерным во времени. Многие сотни лет этот процесс был исключительно слабым. Темпы его ускорения существенно возросли в связи с начавшимся научно-техническим прогрессом (промышленная революция в начале XIX века) и его современной стадией – научно-технической революцией, начавшейся в середине XX века. Экспоненциальный характер развития техносферы подтверждают следующие факторы:

– увеличилось количество видов (типов) технических систем, технических объектов, инструментов, машин, приборов, сооружений, устройств, систем, предприятий различного функционального назначения, изделий, выпускаемых серийно;

– современные технические системы по своему устройству и взаимодействию элементов стали более сложными;

– усложнились функции, возложенные на технические системы;

– повысился уровень функциональных показателей технических объектов (производительность, мощность, скорость, точность, экологичность, эффективность);

– увеличились интенсивность использования оборудования, систем, напряженность режимов их работы;

– существенно увеличились затраты на создание технических систем и сооружений;

– возникла необходимость преодоления вредного воздействия технических систем и оборудования на окружающую среду.

Рост количества типов ТО различного функционального назначения за время человеческой деятельности представлен данными табл. 1. В ней приведены данные лишь о количестве видов изделий, а на их основе выпускается, причем часто огромными сериями, множество модификаций, отличающихся значениями параметров.

Таблица 1 – Количество видов ТО и их сложность

Временной период	Примерное количество видов ТО различного назначения	Среднее число элементов наиболее сложных ТО (сложность)
100000 лет назад	5	1
10000 лет назад	50	10
1000 лет назад	1000	100
В настоящее время	50000	(6–8)105

В качестве показателя сложности ТО в данном случае рассматривается количество элементов, входящих в его состав. Так, первые орудия труда человека (заостренная палка, каменное рубило, скребок и т.д.) состояли из одного элемента. За прошедшие века сложность создаваемых человеком орудий труда – машин, приборов, систем – неизмеримо выросла. Например, обычная электронная лампа, применявшаяся в 50-х и 60-х гг. ХХ века, состояла из 60–90 элементов, автомобиль «Москвич» – из 10 тыс., американский межконтинентальный баллистический снаряд «Атлас» – 300 тыс., счетно-аналитическая машина 60-х гг. ХХ века – из 600 тыс. элементов. Чем выше сложность ТО, тем жестче требования к надежности каждого элемента. Данные о сложности и требуемом уровне надежности элементов для некоторых систем, применявшихся в 60-е гг. ХХ века, приведены в табл. 2.

Современные технические системы (автоматические поточные линии, автоматизированные цеха, авиалайнеры, системы запуска космических объектов, системы противовоздушной обороны, атомные электростанции) имеют в своем составе миллионы элементов. Тепловозы и электровозы состоят из десятков тысяч деталей, каждая из которых выполняет свою функцию, обеспечивая в исправном состоянии работоспособность локомотива в целом и влияя на появление отказа локомотива в случае своей неисправности. Таким образом, локомотив находится в исправном состоянии тогда, когда каждый из десятков тысяч его элементов исправен.

Таблица 2 – Данные о сложности и надежности систем

Система	Число элементов в системе	Требуемое время непрерывной работы системы, ч.	Требуемая вероятность непрерывной работы системы, %	Интенсивность отказов элементов на 1000 ч. работы, %
Электронная счетная машина	200000	24	90	0,002
Система управления огнем самолета	6000	200	80	0,016
Система управляемого снаряда	4000	50	95	0,025
Подвижная военная аппаратура связи	3000	200	80	0,033
Самолетная аппаратура связи	2000	200	80	0,050
Судовая аппаратура	2000	200	80	0,050
Радиоаппаратура сантиметрового диапазона	1000	200	80	0,100
Портативные радиоприборы	500	200	80	0,200

Человек, имеющий весьма ограниченные технические и энергетические возможности рук и ног (как органов труда), но наделенный способностью мыслить, в течение многих веков создавал все более совершенные орудия труда, машины, возлагая на них все более сложные функции, которые не мог выполнить сам. Практически в любом виде производственной деятельности человека можно выделить следующие функции:

– технологическую, которая выполняется руками или инструментом; энергетическую, которая реализуется за счет мускульной силы человека или внешнего источника;

– функцию управления, которая выполняется самим человеком или возлагается на специальный управляющий механизм (систему), и, наконец,

– функцию планирования, которая до сих пор является прерогативой человека.

Это так называемые фундаментальные функции, которые составляют производственный процесс изготовления, транспортировки, в общем случае – переработки вещества, энергии или информации.

На основании анализа смены в течение многих веков поколений технических устройств различного назначения установлен закон их стадийного развития. Его содержание заключается в следующем. До появления первых орудий труда немногочисленные тогда трудовые функции человек выполнял с помощью своих «рабочих органов» – рук, ног, зубов (перенос различных предметов – на себе, размалывание зерен злаков, кореньев – зубами и т. д.).

Появление первых орудий (скребок, каменное рубило, топор, простейшая колесная тачка, каменные жернова и т.п.) знаменует начало первой стадии развития техники, кода технологические функции человек возложил на созданные инструменты, орудия труда – ТО, а энергетическую и остальные функции выполнял сам. На второй стадии были созданы технические устройства, позволяющие вырабатывать энергию, необходимую для привода инструмента, станка, технологической или транспортной установки (водяное колесо, ветряной двигатель, парус, паровая машина, двигатель внутреннего сгорания и т.п.). Последовательность стадий развития ТО с указанием, какие функции выполнял человек и какие – технические объекты, показана в табл. 3.

Таблица 3 – Стадии развития технических объектов

Фундаментальная функция	Начало стадий применения ТО
	I (каменный век)	II (XVIII век)	III (середина XX века)	IV (конец XX века)
Технологическая	ТО	ТО	ТО	ТО
Энергетическая	чел.	ТО	ТО	ТО
Управления	чел.	чел.	ТО	ТО
Планирования	чел.	чел.	чел.	ТО

Таким образом, в каменном веке начался процесс применения технологических инструментов – «инструментализация труда», в XVIII века – процесс «механизации», в середине XX века – процесс «автоматизации» производства, в настоящее время идет компьютеризация планирования и управления производственной деятельностью человека. Следует заметить, что на каждой последующей стадии остается значительный объем работ, выполняемых методами, характерными для предшествующих стадий. Так, до сих пор используются лом, лопата, топор, напильник, характерные для I стадии, достаточно широко применяется ручной труд с использованием мускульной энергии человека. Для иллюстрации в табл. 4 приведены примеры технологических процессов с указанием видов ТО, применяемых при их реализации на различных стадиях.

Показанный выше рост важности и сложности функций, возлагаемых на создаваемые ТО, вызывает не только усложнение устройства ТО, но и повышение ответственности за своевременное качественное, эффективное выполнение этих функций, что усиливает требования к надежности.

Таблица 1.4 – Примеры технологических процессов и применяемых