Основы теории надежности машин

ОСНОВЫ 
ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ 
МАШИН

Ю.В. БАЖЕНОВ

Рекомендовано 
Межрегиональным учебно-методическим советом 
профессионального образования в качестве учебного пособия 
для учебных заведений, реализующих программу 
среднего профессионального образования 
по укрупненной группе специальностей 
23.02.00 «Техника и технологии наземного транспорта» 
(протокол № 12 от 24.06.2019)

Москва
ИНФРА-М
2019

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

ISBN 978-5-16-015377-3
© Баженов Ю.В., 2019

УДК 629.33(075.32)
ББК 39.33я723
 
Б16

Баженов Ю.В.
Б16 
 
Основы теории надежности машин : учебное пособие / Ю.В. Баженов. — Москва : ИНФРА-М, 2019. — 320 с. — (Среднее профессиональное образование).

ISBN 978-5-16-015377-3

В учебном пособии рассматриваются основные понятия и определения теории надежности; причины нарушения работоспособности машин 
и закономерности изменения их технического состояния; факторы, определяющие интенсивность изнашивания; методы получения и анализа информации об отказах и неисправностях; обработка и анализ информации 
о надежности; обеспечение надежности машин на этапах проектирования, 
производства и эксплуатации.
Учебное пособие предназначено для студентов учреждений среднего 
профессионального образования, обучающихся по укрупненной группе 
специальностей 23.02.00 «Техника и технологии наземного транспорта».

УДК 629.33(075.32)
ББК 39.33я723

Р е ц е н з е н т ы:
Сарбаев В.И. — доктор технических наук, профессор, заведующий 
кафедрой «Эксплуатация транспортных средств» Московского государственного индустриального университета;
Максимов В.А. — доктор технических наук, профессор кафедры 
«Эксплуатация автомобильного транспорта и сервиса» Московского 
автомобильно-дорожного института (государственного технического 
университета)

Введение

Повышение надежности машин всегда являлось одной из важнейших задач машиностроения. Актуальна эта задача и для отечественного автостроения, которое должно обеспечивать транспортный
комплекс страны надежно работающим подвижным составом.
Проблема обеспечения высокого уровня потребительских свойств
автотранспортной техники, ее долговечности, безотказности и ремонтопригодности непрерывно обостряется, в связи с чем именно надежность определяет перспективы развития отечественного машиностроения в условиях острой конкуренции как внутри страны, так и со
стороны зарубежных производителей автомобилей.
Приоритетное значение надежности машин при их проектировании
и изготовлении подтверждается статистическими данными, свидетельствующими о том, что расходы на поддержание их в работоспособном
состоянии непрерывно растут. Суммарные ежегодные потери народного
хозяйства, связанные с обслуживанием и ремонтом технических средств
за период эксплуатации, в несколько раз превышают их первоначальную стоимость. Недостаточный уровень надежности машин существенно снижает их производительность изза простоев в ремонте.

Анализ характера и причин отказов базируется на глубоких знаниях физической природы их возникновения и развития, т. е. знаний
инженернофизических основ надежности. Процессы, приводящие к
потере машиной работоспособного состояния, включают изнашиваДля современных автотранспортных средств характерны следующие направления развития: повышение скорости и интенсивности их движения, грузоподъемности и вместимости, динамичности, 
мощности, топливной экономичности, безопасности движения и т.д. 
Усложнение автомобилей и ужесточение требований к ним привели 
к тому, что проблема повышения их эксплуатационной надежности 
приобрела огромное значение. Ненадежный автомобиль не сможет эффективно функционировать, так как каждый его отказ влечет за собой 
значительные материальные потери, а в отдельных случаях может иметь 
и катастрофические последствия.

ние, усталостное разрушение конструкционных материалов, пластические деформации, коррозию, старение.

При эксплуатации автомобиля подавляющее большинство деталей достигает предельного состояния изза износа. В связи с этим выявление физических процессов изнашивания, установление зависимостей физикомеханических свойств поверхностного слоя детали от
режима ее работы, действия факторов внешней среды позволяют
управлять этим процессом, снижать его интенсивность.

Решение проблемы повышения надежности автотранспортных

средств требует, прежде всего, наличия достоверной, систематической информации по их отказам и неисправностям, фактическим ресурсам, расходам запасных частей, трудоемкостям обслуживания и
ремонта, а также факторам, влияющим на эти показатели в реальных
условиях эксплуатации. Обработка и анализ такой информации позволяют оценить уровень фактической надежности той или иной модели автомобиля, агрегата, узла, детали, выявить слабые места в конструкции, разработать конкретные мероприятия по повышению эксплуатационной надежности и оптимизации системы поддержания
автотранспортных средств в работоспособном состоянии.

Обработка информации о надежности осуществляется методами

математической статистики по показателям, оценивающим как отдельные свойства надежности (безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость), так и комплексными показателями,
оценивающими несколько ее свойств одновременно.

Обеспечение необходимого уровня надежности является одной

из основных задач технической эксплуатации автомобилей и важной
составляющей общей системы обеспечения надежности. На фактические показатели надежности в этот период оказывает влияние множество факторов (условия эксплуатации, организация технического
обслуживания и ремонта, квалификация персонала, производственнотехническая база предприятия). Управление этими факторами позволяет существенно повысить долговечность и безотказность автомобилей и их агрегатов.

4
Введение

Глава 1
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
НАДЕЖНОСТИ МАШИН

1.1. Общие понятия науки о надежности

Научнотехнический прогресс предъявляет все более высокие
требования к надежности продукции машиностроения. Решение этой
важнейшей задачи не только обеспечивает высокий уровень безотказности и долговечности машин, но и является одним из основных источников повышения эффективности их использования, экономии
трудовых, материальных и энергетических ресурсов, повышения конкурентоспособности.
Особенностью проблемы надежности является ее связь со всеми
этапами проектирования, изготовления и эксплуатации машины, начиная с момента, когда формируется и обосновывается идея ее создания, и заканчивая принятием решения о списании.
Надежность машины закладывается при проектировании и расчете.
На этом этапе она зависит от обоснованности выбора структуры машины (агрегата, узла, механизма), сопротивляемости физическим
процессам разрушения, используемых материалов, методов защиты
от различных вредных воздействий, системы смазки, приспособленности к выполнению операций ТО и ремонта и других особенностей
конструирования.
При производстве (изготовлении) машины показатели надежности, заданные при конструировании, обеспечиваются. На этом этапе
она зависит от качества изготовления деталей, используемых технологий их упрочнения, методов контроля выпускаемой продукции,
возможности управления технологическими процессами производства, качества сборки, выполнения в полном объеме доводочных испытаний изделий по параметрам надежности и других элементов процесса изготовления.
При эксплуатации машины заложенная при проектировании и
производстве надежность реализуется. Такие ее свойства, как безотказность, долговечность и ремонтопригодность, проявляются только
в процессе эксплуатации машины и зависят от принятой системы ТО
и ремонта, условий и режимов работы, производственнотехнической
базы и других эксплуатационных факторов.
Таким образом, проблема надежности является комплексной, так
как непосредственно связана со всеми стадиями жизненного цикла
машины — конструированием, изготовлением и эксплуатацией. Поэтому для решения задач, стоящих перед нею, привлекаются различные отрасли знаний.
Наука о надежности изучает закономерности изменения показателей качества машин и на основании этого разрабатывает методы,
обеспечивающие необходимый ресурс и безотказность их работы.
Вопросы, решаемые наукой о надежности, имеют свои специфические особенности:
• закономерности изменения начальных параметров машины,
возникновение в ней отказов исследуются в зависимости от наработки (во времени);
• прогнозирование уровня работоспособности машины, сохранение ее выходных параметров осуществляются в зависимости от
реальных условий эксплуатации.
Основная проблема надежности как раз и связана с прогнозированием поведения машины в зависимости от предполагаемых условий ее эксплуатации. При этом весьма важно оценивать (прогнозировать) параметры надежности уже на ранних стадиях создания машины (расчетах при проектировании и конструировании), так как
статистическая оценка того или иного уровня надежности объектов,
отработавших свой ресурс, имеют невысокую ценность.
Изменение показателей качества машины в процессе эксплуатации могут быть как абсолютными, так и относительными.
Абсолютное изменение показателей качества связано с различными физическими процессами, действующими на машину и ухудшающими свойства и состояние материалов, из которых она изготовлена
(физическое старение).
Относительное изменение показателей качества машин связано с
появлением новых, более совершенных машин, характеристики кото6
Глава 1. Основные понятия и определения надежности машин

рых превосходят существующие, хотя в абсолютных значениях они
могут не и измениться (моральный износ).
Наука о надежности изучает изменение показателей качества машин под влиянием тех факторов, которые приводят только к абсолютным изменениям их свойств. Она базируется на двух отраслях знаний:
«Математических методах теории надежности» и «Физике отказов».
Первые исследования в области надежности относятся к 50м годам ХХ столетия и были вызваны тем, что создаваемая тогда техника
не обеспечивала достаточную эффективность ее использования изза
многочисленных отказов. Возникла необходимость объективной
оценки параметров надежности, особенно сложных систем, статистиковероятностном описании наработок до отказа, обработке эксплуатационной информации о поведении машин во времени.
В связи с тем, что процессы, вызывающие отказы, подчиняясь
определенным физическим закономерностям, имеют стохастическую
(вероятностную) природу, их взаимосвязь с изменением выходных
параметров машины довольно сложная. Поэтому математические методы надежности основываются на теории вероятностей и математической статистике, а также смежных с ними дисциплинах.
Развитие математических методов теории надежности явилось
начальным этапом систематического изучения долговечности и безотказности машин на основе сбора статистической информации об
отказах и неисправностях сборочных единиц исследуемых объектов.
Однако, как отмечал академик Б.В. Гнеденко: «Математика является
лишь средством исследования и расчета, но не самоцелью. Во главе
всегда должна быть инженерная проблема, и для ее решения должен
привлекаться тот научный аппарат, который ближе всего соответствует природе изучаемого явления». Другими словами, исследование надежности только математическими методами без учета физических
процессов, которые вызывают изменение технического состояния
машин, не может обеспечить их высокий уровень работоспособности.
С появлением современных методов физических исследований и
соответствующего экспериментального оборудования появилась возможность не только математического описания процессов изменения
технического состояния изделий, но и объективной оценки влияния
различных факторов на характер протекания этих процессов.
Поэтому второй теоретической основой науки о надежности являются результаты исследований естественных наук, изучающих физикохимические процессы разрушения, старения и изменения

1.1. Общие понятия науки о надежности
7

свойств материалов, из которых изготовлены машины или которые
необходимы для их функционирования (топливо, смазки и другие материалы). Сюда относятся отрасли знаний, изучающие процессы механического разрушения материалов (сопротивление материалов),
изменения в материалах и поверхностных слоях деталей (физикохимическая механика, триботехника), химические процессы (коррозия,
старение) и др. Результаты этих наук в теории надежности сконцентрированы в области, которая носит название «Физика отказов».

Физика отказов изучает необратимые процессы, приводящие к

потере материалом изделий начальных свойств при эксплуатации.
Изучение этих процессов во времени является базой для решения основных задач надежности.

Современный уровень развития техники позволяет достичь практически любых показателей качества и надежности машины. Однако
затраты на достижение этой цели могут быть столь высоки, что эффект от повышения уровня надежности не возместит их, и суммарный результат от проведенных мероприятий будет отрицательным.
В связи с этим оценка достигнутого уровня надежности и необходимость его повышения должна решаться прежде всего с позиций экономики, так как она является основным критерием для решения
большинства практических вопросов надежности.

При обосновании оптимального уровня надежности широкое

применение в настоящее время находят техникоэкономические методы, в основе которых лежит критерий экономической эффективности использования машины по назначению. Оптимальный уровень
надежности в соответствии с этим критерием находится по минимуму
суммарных удельных приведенных затрат Суд(t) на приобретение и
эксплуатацию машин (в рублях на единицу наработки t):

Суд(t) = Спр(t) + Сэ(t),
(1.1)

где Спр(t) — удельные приведенные затраты на приобретение машины; Сэ(t) — средние удельные затраты на эксплуатацию машины.

Удельные приведенные затраты на приобретение машины, включающие проектирование, испытания, производство, транспортировку и др., определяются отношением ее цены Ц к ресурсу Тэ:

Спр(t) = Ц / Тэ.
(1.2)

Средние удельные затраты на эксплуатацию машину, связанные

с поддержанием машины в работоспособном состоянии и расходами

8
Глава 1. Основные понятия и определения надежности машин

на эксплуатационные материалы за ресурс Тэ, определяются выражением:

Сэ(t) =

С
С
С
С
С

Т

то
тр
эм
зч
от

э

+
+
+
+

,
(1.3)

где Сто, Стр, Сэм, Сзч, Сот — затраты на ТО, ТР, эксплуатационные материалы, запасные части и оплату труда производственных рабочих.

В рассматриваемой структуре затрат особо следует выделить затраты, непосредственно связанные с надежностью машин, поскольку в общих
эксплуатационных расходах на содержание машин преобладают потери материальных ресурсов изза недостаточного уровня их надежности. Однако увеличение уровня надежности требует дополнительных
капитальных вложений в производство машин, что отражается на
росте цен и, соответственно, на увеличении удельных приведенных
затрат на их приобретение Спр(t).

Однако при недостаточных затратах на создание машины трудно

обеспечить ее хорошую конструкторскую разработку и качественное
изготовление, а следовательно, и высокие показатели надежности.
Поэтому при низком уровне надежности создаваемой машины существенно увеличиваются удельные затраты на ее эксплуатацию Сэ(t).

Схематично теоретическая модель зависимости удельных приведенных затрат от уровня надежности представлена на рис. 1.1.

Таким образом, с увеличением уровня надежности машины

удельные приведенные затраты, связанные с приобретением машины
Спр(t), растут, так как требуют дополнительных капиталовложений.
Но при этом средние приведенные затраты на ее эксплуатацию Сэ(t),
наоборот, имеют тенденцию к снижению. В связи с этим кривая суммарных удельных приведенных затрат Суд(t) = Спр (t) + Сэ(t) имеет на

1.1. Общие понятия науки о надежности
9

Рис. 1.1. Схема обоснования оптимального уровня надежности машины

какойто наработке имеет минимум, который и соответствует оптимальному уровню надежности

Суд (t) = min [Спр(t) + Сэ(t)].
(1.4)

Однако отыскание оптимального уровня надежности на стадии
проектирования машины является достаточно сложной задачей, связанной с необходимостью определения зависимости между затратами
на повышение надежности всех основных элементов машины и тем
эффектом, который может быть получен за счет сокращения расходов
на ее эксплуатацию.
Решение задачи упрощается при наличии прототипа машины, характеристики надежности которой, а также условия эксплуатации известны. В этом случае общую задачу повышения надежности машины
разбивают на отдельные этапы нахождения минимальных удельных
затрат для каждого планируемого мероприятия.
Повышение уровня надежности машин достигается различными
методами (созданием необходимых условий для оптимальных температурных режимов работы деталей, резервированием элементов и
систем, рациональным выбором материалов пар трения, повышением точности изготовления, внедрением новых упрочняющих технологий и т. д.). При оценке эффективности этих мероприятий необходимо проанализировать необходимые затраты на их проведение и последующие расходы на эксплуатацию. Решение о целесообразности
проведения тех или иных технических решений, направленных на повышение надежности, следует принимать по критерию минимальных
удельных приведенных затрат.
Для производителя в условиях конкурентных взаимоотношений
важно выпускать машины, уровень надежности которых соответствует минимальным суммарным приведенным затратам, так как удешевление машин приводит к росту эксплуатационных расходов на поддержание их в работоспособном состоянии, удорожание — к росту
удельных приведенных затрат на их приобретение.

1.2. Термины и определения в теории надежности

Каждое техническое устройство, в том числе и автомобиль, характеризуется определенными выходными параметрами, т. е. величинами, определяющими показатели качества. Эти параметры могут ха10
Глава 1. Основные понятия и определения надежности машин

рактеризовать самые разнообразные свойства машины в зависимости
от ее назначения и тех требований, которые к ней предъявляются.

В соответствии с ГОСТ 15467—79 под качеством машин (изделий)

понимается совокупность свойств, обусловливающих пригодность
изделия для выполнения им своего функционального назначения.
Применительно к автомобилям основными свойствами, характеризующими их качество, являются: надежность, грузоподъемность, маневренность, безопасность, динамичность, производительность, топливная экономичность и др. Эти свойства закладываются при проектировании автомобиля, обеспечиваются при его производстве и
реализуются в процессе эксплуатации.

Под качеством автомобиля понимается совокупность свойств,

определяющих степень его пригодности к выполнению заданных
функций при использовании по назначению.

Каждое из этих свойств оценивается одним или несколькими параметрами, которые в процессе эксплуатации принимают различные
количественные значения, именуемые показателями. Таким образом,
при анализе и оценке качества автомобилей последовательно рассматривается цепочка свойств, параметров и показателей, представленная на рис. 1.2.

Важнейшим свойством любого изделия, позволяющим количественно оценить изменение показателей качества во времени, является
надежность.

1.2. Термины и определения в теории надежности
11

Рис. 1.2. Структура понятия качества автомобиля

В современной литературе даны и более простые формулировки
понятия надежности. Под надежностью автомобиля, например, принято понимать его свойство выполнять транспортную работу, сохраняя во времени или по пробегу эксплуатационные показатели в требуемых пределах. Другими словами, качественно изготовленный и
правильно эксплуатируемый автомобиль в течение всего ресурсного
пробега должен выполнять транспортную работу без какихлибо простоев, кроме тех, которые необходимы для проведения в плановом
порядке профилактических и ремонтных операций, обеспечивающих
его работоспособное состояние.

1.2.1. Классификация объектов и их состояний

В теории надежности термин «объект» используется в качестве
наиболее общего наименования изделия определенного целевого назначения. Объектами автомобиля могут быть агрегаты, системы,
узлы, отдельные сборочные единицы, т. е. его конструктивные элементы. Объектом является и сам автомобиль.
В зависимости от того, предусмотрены ли нормативнотехнической и (или) конструкторской документацией для данного изделия
операции технического обслуживания, изделия подразделяются на
обслуживаемые и необслуживаемые. В зависимости от того, предусмотрены ли для изделия операции ремонта, они подразделяются на
ремонтируемые и неремонтируемые. В соответствии с возможностью
восстановления утраченного в процессе эксплуатации работоспособного состояния изделия различают восстанавливаемые и невосстанавливаемые.
Восстанавливаемыми называют такие изделия, для которых восстановление работоспособного состояния предусмотрено в нормативнотехнической и (или) конструкторской документации. Такие
изделия после проведения необходимых ремонтных операций продолжают выполнять свои функции. Типичными примерами восстанавливаемых объектов являются двигатели внутреннего сгорания, ко12
Глава 1. Основные понятия и определения надежности машин

Надежность — это свойство объекта сохранять во времени и выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования 
(ГОСТ 27.002—2015).

ного состояния различают восстанавливаемые и невосстанавливаемые изделия.