1. Основы теории надежности

1.1. Основные понятия и определения

Теория надежности – наука, которая устанавливает закономерности возникновения отказов объектов и методы их прогнозирования, изыскивает способы повышения надежности изделий при конструировании, изготовлении, а также поддержании их работоспособного состояния при эксплуатации; разрабатывает методы контроля надежности изделий.

Надежность является сложным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения состоит из сочетания свойств безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости.

В соответствии с ГОСТ 21.002-89 «Надежность в технике. Понятия и определения» надежность определяется, как свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортировки. Для металлургического оборудования характерным является сочетание трех первых из перечисленных свойств.

Безотказность – свойство объекта сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или некоторой наработки.

Долговечность – свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов.

Ремонтопригодность – свойство объекта, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов и повреждений, а также поддержанию и восстановлению работоспособного состояния объекта путем проведения технического обслуживания и ремонтов.

Знание этих свойств и закономерностей их изменения во времени позволяет решать многие практические задачи не только по обеспечению определенного уровня надежности, но и направленные на его повышение.

Под работоспособным состоянием объекта понимают такое состояние, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской документации.

Нарушение работоспособного состояния является событием, получившим название отказ.

По характеру своего проявления отказы подразделяются на внезапные и постепенные. Внезапный отказ характеризуется скачкообразным изменением значений одного или нескольких параметров объекта. Постепенный отказ обусловлен естественными процессами старения, изнашивания, коррозии и усталости при соблюдении всех установленных правил и (или) норм проектирования, изготовления и эксплуатации.

По причинам возникновения отказы делят на конструктивные, производственные и эксплуатационные. Отказы, являющиеся следствием ошибок конструирования или нарушения установленных правил или норм проектирования, называют конструктивными. Отказы, связанные с несовершенством или нарушением установленного процесса изготовления или ремонта, выполненного на ремонтном предприятии, называют технологическими или производственными. Нарушение установленных правил и (или) условий эксплуатации приводит к отказам, называемым эксплуатационными. Для металлургических машин при пуске их в эксплуатацию наиболее характерными являются внезапные конструктивные отказы. При установившемся процессе эксплуатации наиболее часто возникают внезапные эксплуатационные отказы.

На рисунке 1.1 приведена схема отказа конкретной детали вследствие перегрузки, т.е. нарушения правил технической эксплуатации. Если прочностные свойства детали не изменяются, то в момент времени t₁ произойдет отказ, связанный с перегрузкой. Если же в результате многократного воздействия нагрузки происходит снижение прочностных свойств, то в момент времени t₂ произойдет постепенный отказ.

Рисунок 1.1 – Схема появления внезапных (1) и постепенных (2) отказов

Внезапные отказы могут являться следствием разброса механических свойств материала, из которого изготовлена деталь, и уровня нагрузок, действующих на нее (рисунок 1.2). Если принять что величины нагрузки и прочности подчиняются нормальному закону распределения (см. п.1.3), то существует зона (на рисунке заштрихована) внезапных отказов при расчетном коэффициенте запаса прочности.

Схема возникновения постепенных отказов в узлах трения вследствие развития процессов изнашивания показана на рисунке 1.3.

Рисунок 1.2 – Схема появления отказа при разбросе значений нагрузки и прочностных свойств деталей

Рисунок 1.3 – Схема возникновения постепенных отказов:

U_max - максимально допустимая величина износа (отказ), ∆ - исходный зазор в соединении, - плотность распределения зазора в соединении, - плотность интенсивности (скорость) отказов u = dU/dt, f(T) - плотность вероятности отказов, T – время работы до отказа.

Первоначальный разброс величины зазора вследствие допуска на изготовление в процессе эксплуатации увеличивается и определяется скоростью изнашивания u, которая имеет нормальный закон распределения. Поэтому время работы до отказа тоже имеет нормальный закон распределения.

В теории надежности введено понятие система и элемент. Под системой понимают множество элементов и связь между ними, образующих некоторую целостность. Под элементом понимают часть системы, предназначенную для выполнения определенных функций и неделимую на составные части при данном уровне рассмотрения. Таким образом, только уровень рассмотрения определяет отношение того или иного объекта, образующего некоторую целостность, к системе или элементу.

При исследовании надежности металлургического оборудования в качестве элементов принимают детали или узлы, которые подвергаются замене или восстановлению в процессе технического обслуживания или ремонта.

Элементы и системы, которые в случае отказа заменяют, называют невосстанавливаемыми. Элементы и системы, которые в случае отказа подвергаются восстановлению, называют восстанавливаемыми.

Важным понятием теории надежности является наработка, под которой понимается продолжительность или объем работы. Наработка может быть как непрерывной величиной (продолжительность работы в часах, тонны выплавленного металла, кубометры переработанной руды, километры пробега и т.п.), так и целочисленной величиной (число плавок, запусков и т. п.). Различают наработку до отказа и наработку между отказами или наработку на отказ. Наработка до отказа это наработка объекта от начала его эксплуатации до возникновения первого отказа. Наработка между отказами - это наработка объекта от момента восстановления его работоспособного состояния после отказа до возникновения следующего отказа. Это понятие относится только к восстанавливаемым объектам.

В процессе эксплуатации металлургическое оборудование может находиться в различных видах технических состояниях: исправное – неисправное, работоспособное – неработоспособное, правильное функционирование – неправильное функционирование, предельное.

Исправное - состояние объекта, при котором он полностью соответствует требованиям нормативно-технической документации.

Работоспособное – состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической документации.

При правильном функционировании объект находится в состоянии, при котором он соответствует требованиям нормативно-технической документации в данном режиме работы в данный момент времени.

Предельным называется такое состояние объекта, при котором его дальнейшее применение по назначению недопустимо или нецелесообразно, либо восстановление его исправного или работоспособного состояния недопустимо или нецелесообразно.

По ГОСТ 15467-79 любое несоответствие продукции установленным требованиям называется дефектом. При рассмотрении надежности металлургического оборудования под дефектом (повреждение, отказ, неустранимый дефект) понимается переход из исправного состояния в неисправные состояния (работоспособное, неработоспособное, предельное).

Повреждение – событие, заключающееся в нарушении исправности оборудования при сохранении его работоспособности.

Отказ - событие, заключающееся в нарушении работоспособности оборудования.

Сбой - самоустраняющийся отказ или однократный отказ, устраняемый незначительным вмешательством оператора.

Восстановление исправного или работоспособного состояния происходит с помощью различных видов технического обслуживания и ремонта (табл. 1.1).

Таблица 1.1 - Возможные переходы видов технического состояния

Техническое состояние	Дефект			Вид ТОиР
	Повреж-дение	Отказ	Неустра-нимый отказ	Поддер-жание	Текущий ремонт	Капита-льный ремонт
Исправное
Работо-способное
Неработо-способное
Предельное

Отказы, возникающие в процессе эксплуатации, могут быть вызваны неблагоприятным сочетанием различных факторов - рассеянием действующих нагрузок, отклонением от номинального значения механических характеристик материалов, неблагоприятным сочетанием допусков в местах сопряжения и т.п.

Поэтому в расчетах надежности различные параметры рассматривают как случайные величины, которые могут принимать то или иное значение, неизвестное заранее. Для показателей надежности применяют две формы представления: вероятностная и статистическая. Вероятностная форма обычно удобнее при аналитических расчетах надежности, статистическая – при экспериментальном исследовании надежности оборудования. Кроме того, одни показатели лучше интерпретируются в вероятностных терминах, а другие - в статистических.

Элементы теории вероятностей и математической статистики, которые используются в теории надежности, приведены в Приложении А.