Основы теории надежности машин

ОСНОВЫ ТЕОРИИ 
НАДЕЖНОСТИ 
МАШИН

Ю.В. БАЖЕНОВ
М.Ю. БАЖЕНОВ

Допущено Федеральным УМО по укрупненной группе специальностей 
и направлений подготовки 23.00.00 «Техника и технологии наземного 
транспорта» в качестве учебного пособия для обучающихся по направлениям 
подготовки 23.03.03 «Эксплуатация транспортно-технологических 
машин и комплексов», профили «Автомобили и автомобильное хозяйство», 
«Автомобильный сервис» (уровень образования «бакалавриат»), 
23.04.03 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов» 
(уровень образования «магистратура»)

Москва
ИНФРА-М
2022

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

2-е издание, переработанное и дополненное

УДК 62-192(075.8)
ББК 34.41я73
 
Б16

Баженов Ю.В.
Б16 
Основы теории надежности машин : учебное пособие / Ю.В. Баженов, 
М.Ю. Баженов. — 2-е изд., перераб. и доп. — Москва : ФОРУМ : 
ИНФРА-М, 2022. — 315 с. — (Высшее образова ние: Бакалавриат). — 
DOI 10.12737/1040990.

ISBN 978-5-16-015559-3 (print)
ISBN 978-5-16-109235-4 (online)

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.
Соответствует требованиям федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования последнего поколения.
Предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки бакалавров и магистров 23.03.03 
и 23.04.03 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов».

УДК 62-192(075.8)
ББК 34.41я73

Р е ц е н з е н т ы:
Максимов В.А., доктор технических наук, профессор;
Гоц А.Н., доктор технических наук, профессор

ISBN 978-5-16-015559-3 (print)
ISBN 978-5-16-109235-4 (online)

© Баженов Ю.В., 
Баженов М.Ю., 2014 
© Баженов Ю.В., 
Баженов М.Ю., 2021, 
с изменениями

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 из-за простоев в ремонте.
Для современных автотранспортных средств характерны такие 
направления развития, как повышение скорости и интенсивности 
их движения, грузоподъемности и вместимости, динамичности, 
мощности, топливной экономичности, безопасности движения 
и т.д. Усложнение автомобилей и усиление требований к ним привело 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.
Анализ характера и причин отказов базируется на глубоких 
знаниях физической природы их возникновения и развития, т.е. 
знаний инженерно-физических основ надежности. Процессы, приводящие к потере машиной работоспособного состояния, включают 
в себя изнашивание, усталостное разрушение конструкционных материалов, пластические деформации, коррозию, старение.
При эксплуатации автомобиля подавляющее большинство деталей достигают предельного состояния из-за износа. В связи 

с этим выявление физических процессов изнашивания, установление зависимостей физико-механических свойств поверхностного слоя детали от режима ее работы, 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 оказывают 
влияние большое число факторов (условия эксплуатации, организация ТО и ремонта, квалификация персонала, производственнотехническая база предприятия). Управление этими факторами 
позволяет существенно повысить долговечность и безотказность 
автомобилей и их агрегатов.
Изучение материала пособия, предназначенного для студентов 
высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки бакалавров и магистров 23.03.03 и 23.04.03 «Эксплуатация 
транспортно-технологических машин и комплексов», позволит 
освоить следующий блок компетенций:
знать термины и определения, принятые в теории надежности; 
свойства надежности машин и количественные показатели их 
оценки; технические условия и правила рациональной эксплуатации транспортных и транспортно-технологических машин и оборудования; причины и последствия прекращения работоспособности машин; основные факторы, определяющие интенсивность 
изнашивания деталей машин;

уметь определять показатели надежности транспортно-технологических машин и оборудования по результатам эксплуатационных испытаний; выявлять закономерности изменения технического состояния машин по наработке; систематизировать и обрабатывать информацию об отказах и неисправностях машин;
владеть научными основами технологических процессов в области эксплуатации транспортно-технологических машин и комплексов; способностью к освоению технологий и форм организации 
диагностики, технического обслуживания и ремонта транспортных 
и транспортно-технологических машин; методами прогнозирования остаточного ресурса машин и управления их техническим 
состоянием.

Глава 1. 

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 
НАДЕЖНОСТИ МАШИН 

1.1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ НАУКИ О НАДЕЖНОСТИ

Научно-технический 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 надежность 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, производственно-технической базы и других эксплуатационных факторов.
Таким образом, проблема надежности является комплексной 
проблемой, так как непосредственным образом 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 осуществляется 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 констатация того или иного уровня надежности 
объектов, отработавших свой ресурс, имеет невысокую ценность.
Изменение показателей качества машины в процессе эксплуатации может быть как абсолютным, так и относительным.
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 
которых превосходят существующие, хотя в абсолютных значениях 
они могут и не измениться (моральный износ).
Наука о надежности изучает изменение показателей качества 
машин под влиянием тех факторов, которые приводят только к абсолютным изменениям ее свойств. Она базируется на двух отраслях 
знаний: математических методах теории надежности и физике отказов.
Первые исследования в области надежности относятся к 50-м гг. 
ХХ в. и были вызваны тем, что создаваемая тогда техника не обеспечивала достаточную эффективность ее использования из-за 
многочисленных отказов. Возникла необходимость в объективной 
оценке параметров надежности, особенно сложных систем, стати

стико-вероятностном 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 на смежных с ними 
дисциплин.
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 объективно оценивать влияние различных факторов на характер протекания этих 
процессов.
Поэтому второй теоретической основой науки о надежности являются результаты исследования естественных наук, изучающих 
физико-химические процессы разрушения, старения и изменения 
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 (физико-химическая 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 в 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 в первую очередь с позиций экономики, так как экономика является основным 
критерием для решения большинства практических вопросов надежности.
При обосновании оптимального уровня надежности широкое применение в настоящее время находят технико-экономические 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 руб. 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 в себя 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 на эксплуатационные материалы за ресурс Тэ, определяются 
выражением

 
Сэ(t) = 

+
+
+
+
C
C
C
C
C

T

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. Это связано с тем, что в общих эксплуатационных расходах на содержание 

машин преобладают потери материальных ресурсов из-за 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). 
С другой стороны, 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.

Рис. 1.1. Схема обоснования оптимального уровня надежности машины

Таким образом, с увеличением уровня надежности машины 
удельные приведенные затраты, связанные с приобретением машины Спр(t), растут, так как требуют дополнительных капиталовложений. 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) на какой-то наработке имеет минимум, который 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