Надежность технологических машин

МИНИС ТЕРС ТВО НАУКИ И ВЫСШ ЕГО О Б РА З О ВА Н И Я РФ
№ 3550
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»
ИНСТИТУТ ЭКОТЕХНОЛОГИЙ И ИНЖИНИРИНГА

Кафедра инжиниринга технологического оборудования
Н.А. Чиченев
НАДЕЖНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ 
МАШИН
Учебник
Рекомендовано редакционно-издательским
советом университета
Москва  2019

УДК 669.002
 
Ч-72
Р е ц е н з е н т ы :
д-р техн. наук, проф. С.П. Галкин; 
д-р техн. наук, проф. М.В. Гегалашвили (СКГМИ (ГУ))
Чиченев Н.А.
Ч-72  
Надежность технологических машин : учебник  / 
Н.А. Чиченев. – М. : Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 2019. – 
264 с.
ISBN 978-5-907226-19-7
Рассмотрены методология и методы теории надежности, а также основные законы распределения наработок до отказа (на отказ), 
на основании которых оценивается надежность машин и агрегатов. 
Рассмотрены методы оценки надежности технических систем и применяемые для этой цели планы испытаний с измерением наработок.
В тексте приведены основные справочные данные, необходимые 
для теоретических расчетов и анализа результатов испытаний.
Учебник предназначен для студентов, обучающихся в бакалавриате по направлению подготовки 15.03.02 «Технологические машины 
и оборудование» и преподавателей, ведущих подготовку по этой дисциплине. Может быть полезно студентам, обучающмихся по направлениям подготовки 15.00.00 «Машиностроение» и 22.00.00 «Металлургия».
УДК 669.002
Н.А. Чиченев, 2019
ISBN 978-5-907226-19-7
НИТУ «МИСиС», 2019

Оглавление
Условные обозначения.
........................................................ 7
Предисловие...................................................................... 9
Введение.
......................................................................... 12
1. Качество и надежность технологических машин................ 17
1.1. Основные понятия и показатели 
качества продукции....................................................... 17
1.2. Этапы и направления развития надежности ................ 23
1.3. Экономическое значение надежности .
........................ 28
1.4. Стандартизация в области надежности ....................... 30
1.5. Основные понятия и определения теории 
надежности................................................................... 33
2. Математические зависимости для оценки надежности........ 42
2.1. Элементы теории вероятности и математической 
статистики, используемые в теории надежности................ 42
2.1.1. Вероятность события.......................................... 42
2.1.2. Случайные величины......................................... 49
2.2. Показатели надежности.
........................................... 58
2.2.1. Классификация показателей надежности.............. 58
2.2.2. Определение показателей безотказности............... 62
2.2.3. Показатели долговечности.................................. 71
2.2.4. Показатели ремонтопригодности.
......................... 72
2.2.5. Показатели сохраняемости.
................................. 75
2.2.6. Комплексные показатели надежности.
.................. 75
2.2.7. Экономические показатели надежности................ 80
2.3. Распределения, используемые в теории 
надежности................................................................... 86
2.3.1. Распределения и области их применения.
.............. 86
2.3.2. Экспоненциальный (показательный) закон.
........... 88
2.3.3. Нормальный закон распределения....................... 93
2.3.4. Логарифмическое нормальное 
распределение...........................................................103
2.3.5. Распределение Вейбулла....................................106
2.3.6. Определение параметров закона 
распределения.
..........................................................109
2.3.7. Интервальные оценки параметров нормального 
распределения.
..........................................................115
2.4. Проверка статистических гипотез.............................118
2.4.1. Общие сведения................................................118
3

2.4.2. Сравнение дисперсий.
........................................119
2.4.3. Сравнение средних............................................121
2.4.4. Проверка однородности наблюдений.
...................124
2.4.5. Оценка близости эмпирического 
и теоретического распределений..................................126
3. Надежность элементов и систем технологического 
оборудования..................................................................134
3.1. Надежность невосстанавливаемого элемента..............134
3.1.1. Вероятность отказа и вероятность 
безотказной работы....................................................134
3.1.2. Интенсивность отказов......................................136
3.1.3. Средняя наработка до отказа..............................141
3.3. Надежность восстанавливаемого элемента.
.................143
3.3.1. Восстанавливаемый элемент 
в случае мгновенного восстановления...........................143
3.3.2. Распределение Пуассона....................................146
3.3.3. Восстанавливаемый элемент 
с конечным временем восстановления.
..........................149
3.3. Надежность систем.................................................151
3.3.1. Общие сведения................................................151
3.3.2. Система с последовательным 
соединением элементов.
..............................................151
3.3.3. Система с параллельным соединением 
элементов.................................................................153
3.3.4. Надежность восстанавливаемых систем...............160
4. Восстановление работоспособного 
состояния оборудования...................................................163
4.1. Стратегии восстановления.......................................163
4.2. Стратегии восстановления при внезапных отказах......165
4.2.1. Стратегия аварийных замен...............................165
4.2.2. Стратегия плановых и полных 
аварийных замен.......................................................165
4.2.3. Стратегия плановых и минимальных 
аварийных замен.......................................................166
4.2.4. Стратегия минимальных аварийных замен...........169
4.3. Стратегии восстановления при постепенных 
отказах.
.......................................................................172
4.3.1. Стратегия эффективного времени 
эксплуатации............................................................172
4

4.3.2. Восстановление на основе задания 
лимита времени.
........................................................174
4.4. Оценка эффективности принимаемых решений 
при техническом обслуживании.
.....................................177
4.5. Ремонтопригодность машин.....................................179
4.5.1. Показатели ремонтопригодности машин, 
используемые на стадии их проектирования.
.................179
4.5.2. Показатели ремонтопригодности машин, 
используемые в процессе их эксплуатации ...................180
5. Эксплуатационная надежность технологических 
машин............................................................................183
5.1. Испытания на надежность.......................................183
5.1.1. Общие сведения................................................183
5.1.2. Биноминальный план испытаний .......................185
5.1.3. Планы испытания на надежность 
с измерением наработок.
.............................................187
5.2. Оценка показателей безотказности............................191
5.2.1. Оценка показателей безотказности 
на основе параметрических методов.............................191
5.2.2. Оценивание показателей безотказности 
на основе непараметрических методов..........................198
5.2.3. Оценивание показателей безотказности 
при испытаниях с измерением определяющего 
параметра (величины износа)......................................202
5.3. Оценка показателей долговечности...........................204
5.3.1. Модели оценивания показателей 
долговечности...........................................................204
5.3.2. Непараметрические модели оценивания 
показателей долговечности.........................................205
5.3.3. Оценивание среднего ресурса по информации 
о величине износа......................................................207
5.3.3. Оценивание остаточного ресурса.........................209
6. Повышение надежности технологических машин.............212
6.1. Пути повышения надежности...................................212
6.2. Повышение надежности машин 
при проектировании .....................................................214
6.3. Повышение надежности машин при изготовлении.
......220
6.4. Повышение надежности машин 
при эксплуатации.........................................................222
5

7. Оценка предельного состояния технологических 
машин ...........................................................................229
7.1. Выходные параметры машины.................................229
7.2. Критерии предельного состояния..............................234
7.3. Критерии предельного износа...................................239
7.4. Предельные износы по условию прочности.................243
Заключение....................................................................248
Словарь терминов (GLOSSARY).
.........................................249
Библиографический список.
..............................................260
6

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
Латинский алфавит
А
Коэффициент асимметрии
A(t)
Затраты на восстановление
a, b
Параметры распределения Вейбулла
A, B, C Случайные события
a, b, c
Коэффициенты
C
Затраты
D
Дисперсия
Е
Коэффициент эксцесса 
f 
Число степеней свободы
f(x)
Плотность распределения, плотность вероятности
F(х)
Функция распределения
Fa
Критерий Фишера
h(t)
Интенсивность отказов (плотность восстановления) 
It
Скорость изнашивания
Iτ
Промежуток времени 
J(t)
Эксплуатационные затраты
Jβ
Доверительный интервал
Kг
Коэффициент готовности
Kог
Коэффициент оперативной готовности
Kти
Коэффициент технического использования
k 
Число отказавших объектов
L
Наработка
l
Число связей 
M
Математическое ожидание
n
Число испытаний, объектов, наработок до цензурирования
N
Число испытаний, объектов, объем выборки
NK
Число работоспособных изделий после отказа при наработке te
p
Вероятность появления события
P(t)
Вероятность события, вероятность безотказной работы
Pв(t)
Вероятность восстановления работоспособного состояния
q
Вероятность отсутствия (не появления) события
Q(t)
Вероятность отказа
Qв
Средняя трудоемкость восстановления
R
Интенсивность эксплуатационных затрат 
r
Число элементов (отказов, наработок до отказа, измерений и др.)
s 
Среднее квадратичное отклонение
7

T
Среднее время безотказной работы (средняя наработка до отказа)
Тв
Среднее время восстановления работоспособного состояния
Тр
Средний ресурс
Тс
Средний срок службы
t
Время, наработка до отказа
tв
Длительность восстановления работоспособного состояния
tи
Продолжительность испытаний, измеряемая в единицах наработки
tmax
Предельная суммарная наработка
ta
Коэффициент Стьюдента
tS
Суммарная наработка
U
Величина износа 
Umax
Максимально допустимая величина износа (отказ)
X
Случайная величина
x
Возможное значение случайной величины Х
z
Наработка изделия
ZN
Наработка до отказа
Греческий алфавит
a
Уровень значимости
β
Доверительная вероятность
c2
Критерий Пирсона
∆
Исходный зазор в соединении
l
Интенсивность отказов 
m
Математическое ожидание
n
Коэффициента вариации
n(t)
Число отказов до момента t
Ф(z) 
Нормированная функция Лапласа
j(z) 
Плотность нормированного нормального распределения
Ρ
Число отказавших объектов на интервале [τ; τ + t]
s
Среднеквадратичное отклонение (или стандарт)
τ
Межремонтный период, наработка до цензурирования 
w(t) 
Параметр потока отказов
ξ
Наработка
8

ПРЕДИСЛОВИЕ
Данная дисциплина относится к обязательным дисциплинам вариативной части основной образовательной программы 
(ОПОП) подготовки бакалавров всех профилей направления 
15.03.02 «Технологические машины и оборудование». Она имеет практико-ориентированную направленность и предназначена 
для приобретения студентами компетенций в области надежности технологических машин и оборудования. 
Дисциплина «Надежность технологических машин» находится 
в начале профессиональной подготовки бакалавров по данному направлению, а полученные при ее изучении знания, умения и навыки используются при выполнении выпускной квалификационной 
работы, а также изучении последующих профессиональных дисциплин, в которых рассматриваются вопросы проектирования, изготовления и эксплуатации технологических машин и оборудования, 
соответствующих конкретному профилю подготовки. 
Для полноценного освоения учебного материала по дисциплине студент должен использовать знания, полученные при изучении следующих дисциплин: математика (дифференциальное и 
интегральное исчисление, теория вероятностей и математическая статистика), механика (теоретическая механика, сопротивление материалов, теория механизмов и машин, детали машин), 
технология машиностроения, взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения, автоматизированное проектирование машин и др.
Цель дисциплины – формирование у студентов знаний, умений 
и навыков по оценке надежности технологических машин и оборудования, умению пользоваться основными критериями оценки 
показателей надежности, долговечности и ремонтопригодности 
технологических машин, применению планов испытаний для 
оценки надежности, установлению причин отказа деталей, узлов 
и механизмов, применению методов повышения надежности технологических машин и методике расчета их надежности.
Задачами дисциплины являются научить:
–
– использовать основные критерии оценки показателей надежности (безотказности, долговечности и ремонтопригодности) 
деталей, механизмов и систем технологических машин;
9

–
– применять планы испытаний для оценки показателей надежности и установлению причин отказа деталей, узлов и механизмов машин;
–
– выбирать методы повышения работоспособного состояния 
деталей, узлов и механизмов технологических машин;
–
– пользоваться необходимой нормативно-технической документацией, справочной литературой и методическими рекомендациями.
Дисциплина вносит вклад в формирование следующих результатов обучения. 
Знать:
–
– назначение, область применения и методику определения основных критериев надежности технологических машин;
–
– основные положения по расчету показателей надежности деталей и механизмов технологических машин;
–
– стратегии восстановления работоспособного состояния деталей, узлов и механизмов технологических машин;
–
– методические, нормативные и руководящие материалы, касающиеся выполняемой работы.
Уметь:
–
– использовать математический аппарат теории надежности и 
пакеты прикладных программ для расчета основных критериев 
оценки надежности деталей, механизмов и систем разного типа;
–
– применять законы распределения случайной величины для 
расчета и оценки показателей надежности технологических машин;
–
– выбирать стратегии восстановления работоспособного состояния деталей, узлов и механизмов технологических машин;
–
– использовать необходимую нормативно-техническую документацию, справочную литературу и методические рекомендации, касающиеся выполняемой работы.
Владеть:
–
– основными понятиями и определениями в области теории 
надежности, эксплуатации и ремонта технологических машин;
–
– методами расчета надежности деталей, механизмов и систем 
технологических машин;
–
– методикой повышения надежности типовых узлов и механизмов технологических машин; пользоваться соответствующими базами данных;
10