Основы теории надежности и диагностики

ВОЕННОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

серия основана в 201 ~7 г.


Черноморское высшее военно-морское училище имени П.С. Нахимова


Ю.М. ОСАДЧИЙ



ОСНОВЫ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ И ДИАГНОСТИКИ


УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

znanium.com

Москва ИНФРА-М 2021

УДК 62-192(075.8)
ББК 30.14я73

    О72


    Автор:

        Ю.М. Осадчий, доктор технических наук, профессор, профессор Черноморского высшего военно-морского училища имени П.С. Нахимова

     Рецензент:
        Ю.Е. Обжерин, доктор технических наук, профессор




     Осадчий Ю.М.
О72 Основы теории надежности и диагностики : учебное пособие / Ю.М. Осадчий. — Москва : ИНФРА-М, 2021. — 197 с. — (Военное образование).


         ISBN 978-5-16-015733-7 (ИНФРА-М, print)
         ISBN 978-5-16-108129-7 (ИНФРА-М, online)


         Учебное пособие составлено в соответствии с программой обучения по дисциплине «Основы теории надежности и диагностики». Содержит теоретический материал, примеры постановок и решений задач оценки надежности технических средств и их работоспособности.
         Соответствует требованиям федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования последнего поколения.
         Предназначено для студентов технических специальностей высших морских учебных заведений.


                                         УДК 62-192(075.8) ББК 30.14я73












ISBN 978-5-16-015733-7 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-108129-7 (ИНФРА-М, online)

                                        © Черноморское высшее военно-морское училище имени П.С. Нахимова, 2021

                Введение





   Обеспечение надежности технических устройств и систем является одной из центральных задач экономики страны в целом и морского транспорта в частности. Теоретические и статистические исследования изделий на надежность и разработка методов и средств диагностики позволяют решать задачи создания новых образцов техники и обеспечивать должные условия эксплуатации судовых технических средств.
   Первый симпозиум по теории надежности состоялся в Нью-Йорке в 1954 г. Специалисты выделяют три этапа развития теории надежности. Основным содержанием первого этапа было накопление сведений об отказах и описание вероятностей их возникновения как экспоненциальных зависимостей от времени. Отказы принимались как фатально неизбежные в отрыве от причин их возникновения. Второй этап характеризовался появлением множества работ по экспериментальной оценке фактической надежности, сбором и обработкой эксплуатационной информации об отказах и условиях их возникновения. Были объяснены многие причины отказов, связанные с конструкцией изделий, технологией их изготовления и структурой систем. Третий, современный, этап, начавшийся в конце 1960-х гг., характеризуется развитием математической теории надежности, а также сближением с другими науками, приданием теории надежности инженерной направленности, практическим использованием теории надежности.
   Исследования базируются на следующих принципах:
• отказ от случайности причин отказов и их неизбежности, связь отказов с конструкторско-технологическими причинами;
• необходимость установления причин отказов, а не только документирование их возникновения;

3

Введение

• выявление и устранение производственных причин возникновения дефектов.
   В становление и развитие теории надежности внесли огромный вклад отечественные ученые: А.И. Берг, В.С. Авдуев-ский, Б.В. Гнеденко, А.С. Проников, Я.Б. Шор и др. Становление данной науки и разработка учебных пособий по теории надежности в ЧВВМУ имени П.С. Нахимова принадлежит ученому и педагогу Ю.С. Волковинскому.
   Настоящее учебное пособие составлено в соответствии с программой учебной дисциплины «Основы теории надежности и диагностики» и содержит пять глав. Теория надежности изучает закономерности отказов технических средств. Основное содержание теории надежности составляют математическая теория надежности изделий и систем, физическая теория надежности, прогнозирование работоспособности, теория контроля показателей надежности, теория восстановления работоспособности, диагностика технического состояния. Так как отказ — случайное событие, математическим базисом теории надежности являются теория вероятностей и математическая статистика.
   В главе 1 учебного пособия рассмотрены основные понятия технической диагностики, регламентированные стандартами, сформулированы предмет теории надежности, цели и задачи, решаемые в теории надежности, даны понятия отказа, безотказности, долговечности, ремонтопригодности, сохраняемости изделия, рассмотрены виды отказов.
   В главе 2 описаны вероятности отказов как случайных событий, дан перечень основных количественных показателей надежности, приведены определения и способы вычисления показателей долговечности, ремонтопригодности, комплексных показателей надежности.
   Глава 3 посвящена рассмотрению законов распределения характеристик надежности — вероятностей отказов, безотказной работы, интенсивностей отказов, представлены теоретические законы распределения вероятностей отказов, ис

4

Введение

пользуемые при осуществлении исследований на надежность, показаны способы аппроксимации эмпирических данных об отказах теоретическими законами.
   В главе 4 изложены надежности систем технических объектов, представлены структурные схемы надежности, рассмотрены методики выполнения расчетов при различных соединениях элементов.
   В главе 5 исследованы вопросы диагностики технических средств, представлены различные методы осуществления вибрационной, акустической, электромагнитной, тепловой, тензометрической и других видов диагностики.
   В результате изучения дисциплины «Основы надежности и диагностики» будущий специалист должен:
   знать
• основы теории надежности и теории диагностики;
• стандарты по надежности и диагностике;
• содержание понятий «отказ», «вероятность отказа», «вероятность безотказной работы», «диагностика технических средств»;
• основы отказов как следствия деградации элементов технического средства и влияния внешних факторов;
• классификацию отказов;
• единичные и комплексные показатели отказов;
• законы распределения вероятностей отказов, применяемые при исследовании надежности судовых технических средств;
• цели, методы и средства диагностики судовых технических средств;
   уметь
• планировать испытания изделий на надежность;
• выяснять причины отказов;
• вычислять значения параметров законов распределения вероятностей отказов и показатели надежности изделий и систем технических средств;
• прогнозировать изменения ресурсов изделий и систем;

5

Введение

• планировать диагностические исследования;
• реализовывать диагностические исследования;
  владеть навыками
• проведения испытаний на надежность;
• решения задач об отказах, о безотказной работе и об интенсивности отказов;
• аппроксимации эмпирических законов распределения отказов теоретическими законами;
• использования законов распределения отказов, методов и средств диагностики судовых технических средств.

6

Глава 1.




                НАДЕЖНОСТЬ: ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ





            1.1. НАДЕЖНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ


   По содержанию надежность — это свойство технического объекта сохранять продолжительное время в определенных пределах значения параметров, характеризующих его способность выполнять нужные функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортировки.
   Объект — это любое изделие, сооружение, система. В современном изложении теории надежности рекомендуется также использовать понятие «изделие». Этими терминами пользуются также в отношении составных частей изделий и систем. Объектом может быть деталь, механизм, машина, судовое энергетическое устройство (СЭУ) в целом. Далее будем пользоваться терминами «изделия» и «объекты СЭУ», понимая под этим составные части СЭУ, которые могут функционировать автономно (независимо друг от друга) или в комплексе.
   Объект, обладающий свойством надежности, должен быть способен выполнять назначенные ему функции, быть работоспособным в определенных условиях транспортировки, хранения, применения.
   В теории надежности под термином «работоспособность» (или «работоспособное состояние») понимают состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих его способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и конструкторской (проектной) документации. Если объект становится неработоспособным, необходимо заменить его аналогичным

7

Глава 1. Надежность: основные понятия и определения

работоспособным или выполнить ремонтные работы для восстановления его работоспособности. При этом затрачиваются трудовые и материальные ресурсы.
   Для количественной оценки уровня надежности используют показатели надежности. Оценка уровня надежности объекта сводится к нахождению числовых значений показателей надежности и их сравнению с предельными допустимыми значениями. При наличии системы числовых значений показателей надежности совокупности объектов в различных условиях можно делать объективные выводы о том, какие из них наиболее надежны, какие условия эксплуатации наиболее благоприятны.
   Чтобы знать средства достижения высокой надежности, необходимо знать физические причины ухудшения надежности технических объектов. Изучением физической природы ухудшения надежности, закономерностей ее изменения во времени занимается одна из современных наук — теория надежности.
   Предметом теории надежности в технике являются:
• изучение и анализ закономерностей изменения во времени работоспособности технических объектов;
• разработка методов использования указанных закономерностей для достижения приемлемых потерь времени и средств в целях обеспечения и поддержания работоспособности технических объектов в реальных условиях эксплуатации;
• использование указанных методов при проектировании, конструировании, изготовлении и дальнейшей эксплуатации технических объектов для обеспечения их наиболее эффективного использования.
   Основные цели теории надежности состоят в обеспечении:
• эффективной работы действующих технических объектов на достаточно большом промежутке времени при прием

   лемых эксплуатационных затратах, затратах на техническое обслуживание и ремонты;

8

1.1. Надежность технических средств

• пользователей технических средств надежными прогнозами долговечности их использования, вероятности их отказов;
• проектно-конструкторских организаций и предприятий-изготовителей теоретической базой для создания надежных технических изделий.
   Задачей теории надежности является изучение природы возникновения отказов, исследование необратимых процессов, которые происходят в технических объектах и со временем приводят к потери объектами требующихся свойств для выполнения заданных функций. Наука о надежности изделий — прикладная наука, которая базируется на использовании математических методов и инструментов, прежде всего теории вероятностей и математической статистики, а также на результатах фундаментальных природоведческих наук, изучающих физико-химические процессы изменения свойств конструкционных материалов и механизмы их разрушения, а также материалы, которые используются для обеспечения функционирования изделий (смазочные масла, топливо, технические жидкости и т.п.). В первом случае речь идет о математических основах теории надежности, во втором — о ее физических основах (физике отказов). Закономерности изменения свойств изделий, которые определяются при исследовании физики отказов, являются базой, на которой основываются решения задач надежности технических объектов вообще, а значит, и технических объектов СЭУ.
   Задача обеспечения надежности изделий решается на всех этапах их существования:
• при проектировании и конструировании, когда учитываются результаты изучения физики отказов и соответствующие математические модели;
• в период изготовления, когда обеспечивается надежность изделий, поставляемых потребителю;
• в процессе эксплуатации, когда проявляется свойство надежности изделия.

9

Глава 1. Надежность: основные понятия и определения

   Современным работам в области исследований и обеспечения надежности характерны следующие принципы:
• необходимость установления причин отказов, а не только констатация их наличия и числа;
• направленность методов промышленного контроля, действующих на предприятиях, на выявление дефектов, приводящих к отказам;
• систематические исследования отказов, обусловленных закономерными явлениями, вызывающими постепенное накопление повреждений: усталостью, износом, старением, коррозией и т.п.


            1.2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ


   Надежность является комплексным свойством и включает в себя свойства безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости. Рассмотрим классификацию основных понятий в области надежности в соответствии с ГОСТ 27.002-89 «Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения»:
   1) общие понятия:
• надежность;
• безотказность;
• долговечность;
• ремонтопригодность;
• сохраняемость;
   2) состояния объекта:
• исправное состояние (исправность);
• неисправное состояние (неисправность);
• работоспособное состояние (работоспособность);
• неработоспособное состояние (неработоспособность);
• предельное состояние;
• критерий предельного состояния;
   3) дефекты, повреждения, отказы:
• повреждение;

10