Основы надежности технических систем

 

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего образования

«Казанский национальный исследовательский

технологический университет»

А. Д. Галеев, Е. В. Старовойтова, С. И. Поникаров

ОСНОВЫ НАДЕЖНОСТИ 
ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Учебно-методическое пособие

Казань

Издательство КНИТУ

2019

УДК 66.02–19(075)
ББК 35.115я7

Г15

Печатается по решению редакционно-издательского совета 

Казанского национального исследовательского технологического университета

Рецензенты:

зам. дир. ООО «Эксперт Бюро», канд. техн. наук И. Р. Хайруллин

канд. техн. наук, доц. КГАСУ Л. Э. Осипова

Г15

Галеев А. Д. 
Основы надежности технических систем : учебно-методическое пособие / А. Д. Галеев, Е. В. Старовойтова, С. И. Поникаров; Минобрнауки 
России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 
2019. – 224 с.

ISBN 978-5-7882-2594-4

Рассмотрены основные понятия и определения теории надежности, показа
тели надежности, математические и статистические основы теории надежности, 
математические модели для прогнозирования надежности объектов, вопросы 
надежности технологического оборудования. Для закрепления теоретического 
материала приведены примеры решения задач, а также задания для самостоятельного выполнения.

Предназначено для бакалавров направлений подготовки 15.03.02 «Техноло
гические машины и оборудование», 28.03.02 «Наноинженерия», магистров 
направления подготовки 15.04.02 «Технологические машины и оборудование».

Подготовлено на кафедре машин и аппаратов химических производств.

ISBN 978-5-7882-2594-4
© Галеев А. Д., Старовойтова Е. В., 

Поникаров С. И., 2019

© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2019

УДК 66.02-19(075)
ББК 35.115я7

ВВЕДЕНИЕ

Недостаточная надежность технических систем приводит к 

огромным затратам на ремонт, простою оборудования, прекращению 
снабжения населения электроэнергией, водой, газом, транспортными 
средствами, невыполнению ответственных задач, иногда к авариям, 
связанным с большими экономическими потерями, разрушением 
крупных объектов и человеческими жертвами. Постоянное усложнение техники, ее функций, увеличение мощности, концентрация энергии в ограниченных объемах, рост требований к безопасности привел 
к необходимости разработки научных основ надежности технических 
систем.

Под теорией надежности понимают научную дисциплину, кото
рая изучает закономерности сохранения во времени техническими системами свойства выполнять требуемые функции в заданных режимах 
и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов и 
транспортирования.

Основные вопросы, которые изучает теория надежности: отказы 

технических элементов (средств, систем) и закономерности их возникновения; критерии и количественные характеристики надежности; 
методы анализа и повышения надежности элементов и систем на этапах проектирования, изготовления и эксплуатации; методы испытания 
технических средств на надежность; методы оценки эффективности 
повышения надежности.

Математической основой теории надежности являются теория 

вероятностей и математическая статистика, математическая логика, 
теория случайных процессов, теория массового обслуживания, теория 
информации, теория планирования эксперимента и другие математические дисциплины. 

В истории развития теории надежности выделяют три периода. 

С первой четверти до начала 60-х годов ХХ в. (период становления 
науки) надежность оценивалась по числу зафиксированных отказов. 
По статистике отказов входящих в систему элементов определялись 
значения интенсивности отказов, затем выполнялись расчеты надежности. Такой подход развивался в связи с решением проблемы надежности в радиоэлектронике и автоматике. В числе авторов работ, связанных с теорией надежности, Н. Ф. Хоциалов (механические системы), A. M. Берг, Н. Г. Бруевич (радиоэлектроника и автоматика), 
Б. В. Гнеденко, Ю. К. Беляев (математические вопросы теории надеж

ности) и др., а также известные зарубежные авторы, такие как Г. Майер, Дж. Нейман, К. Шеннон, А. Пирс.

В 60-е годы XX в. (второй период) стали учитывать влияние 

функциональных связей между элементами системы, влияние на отказы эксплуатационных факторов – температуры, среды, вибраций, 
электрической нагрузки и пр.

Во второй половине 70-х годов (третий период) усилия ученых 

направлены на решение задач прогнозирования надежности объектов 
и оценки надежности сложных систем. Характерной особенностью 
периода стала глубина проникновения в физико-химические и статистические закономерности появления отказов в простых и сложных 
системах. В современной теории надежности выделяют направления: 
совершенствование конструктивных и технологических методов 
надежности; обеспечение эксплуатационной надежности. Нормативной основой для развития указанных направлений являются международные и государственные стандарты, стандартные методики и программы обеспечения надежности.

Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ

1.1. Объект, элемент, система

В теории надежности используют понятия объект, элемент, си
стема.

Объект – техническое изделие определенного целевого назна
чения, рассматриваемое в периоды проектирования, производства, испытаний и эксплуатации.

Объектами могут быть различные системы и их элементы: со
оружения, установки, технические изделия, устройства, машины, аппараты, приборы и их части, агрегаты и отдельные детали.

Элемент системы – объект, представляющий отдельную часть 

системы. Само понятие элемента условно и относительно, так как любой элемент всегда можно рассматривать как совокупность других 
элементов.

Понятия система и элемент выражены друг через друга, по
скольку одно из них следовало бы принять в качестве исходного, постулировать. Понятия эти относительны: объект, считавшийся системой в одном исследовании, может рассматриваться как элемент, если 
изучается объект большего масштаба. Кроме того, само деление системы на элементы зависит от характера рассмотрения (функциональные, конструктивные, схемные или оперативные элементы), от требуемой точности проводимого исследования, от уровня наших представлений, от объекта в целом.

Система – объект, представляющий собой совокупность эле
ментов, связанных между собой определенными отношениями и взаимодействующих таким образом, чтобы обеспечить выполнение системой некоторой достаточно сложной функции.

Признаками системности являются структурированность систе
мы, взаимосвязанность составляющих ее частей, подчиненность организации всей системы определенной цели. Системы функционируют в 
пространстве и времени.

1.2. Состояние объекта

Каждое состояние объекта характеризуют некоторой совокуп
ностью значений параметров и качественных признаков. Перечень 
этих параметров, а также пределы их допустимых изменений устанав

ливают в нормативно-технической или проектно-конструкторской документации (далее кратко – в документации).

Состояние объекта, при котором он соответствует всем требо
ваниям документации, называют исправным. Если объект не соответствует хотя бы одному из требований документации, то его состояние 
называют неисправным.

Состояние объекта, при котором значения всех параметров, ха
рактеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям документации, называют работоспособным. Если значение хотя бы одного параметра, характеризующего способность объекта выполнять заданные функции, не соответствует указанным требованиям, то состояние называют неработоспособным. Работоспособный объект в отличие от исправного должен удовлетворять 
лишь тем требованиям документации, выполнение которых обеспечивает нормальное применение объекта по назначению. Работоспособный объект может быть неисправным. Например, когда он не удовлетворяет эстетическим требованиям, но ухудшение внешнего вида объекта не препятствует его применению по назначению. Исправное изделие обязательно работоспособно. Неработоспособное изделие является одновременно неисправным. Для простейших объектов различают работоспособное и неработоспособное состояния.

В общем случае вводится промежуточное понятие частично не
работоспособного (частично работоспособного) состояния. Примером 
частично неработоспособного состояния служит такое состояние машины, при котором она способна выполнять требуемые функции с пониженными показателями, в частности с пониженной производительностью. Для объектов многофункционального назначения под частично неработоспособным состоянием понимают такое состояние при котором объект способен выполнять лишь часть требуемых функций. 
Для некоторых объектов признаками неработоспособного состояния 
могут быть отклонения показателей качества изготовляемой продукции. Например, применительно к технологическим машинам и линиям 
к неработоспособному состоянию может быть отнесено такое состояние, при котором значение хотя бы одного параметра изготавливаемой 
продукции не соответствует установленным требованиям.

Предельное состояние – состояние объекта, при котором его 

дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна либо 
восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно.

Критерий предельного состояния – признак или совокупность 

признаков предельного состояния объекта, установленные нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документацией.

1.3. Временные характеристики объекта

Наработка – продолжительность или объем работы объекта. 

Объект может работать непрерывно или с перерывами. Во втором 
случае учитывается суммарная наработка. Наработка может измеряться в единицах времени, циклах, единицах выработки и других единицах. В процессе эксплуатации различают суточную, месячную наработку, наработку до первого отказа, наработку между отказами, заданную наработку и т. д. 

Если объект эксплуатируется в различных режимах нагрузки, 

то, например, наработка в облегченном режиме может быть выделена 
и учитываться отдельно от наработки при номинальной нагрузке.

Технический ресурс – наработка объекта от начала его эксплуа
тации или ее возобновления после ремонта до перехода объекта в предельное состояние.

Срок службы – календарная продолжительность эксплуатации 

объекта от ее начала или возобновления после капитального или среднего ремонта до наступления предельного состояния.

Под эксплуатацией объекта понимается стадия его существова
ния в распоряжении потребителя при условии применения объекта по 
назначению, что может чередоваться с хранением, транспортированием, техническим обслуживанием и ремонтом, если это осуществляется 
потребителем.

Срок сохраняемости – календарная продолжительность хране
ния и (или) транспортирования объекта, в течение которой сохраняются в заданных пределах значения параметров, характеризующих 
способность объекта выполнять заданные функции.

Время восстановления – продолжительность восстановления 

работоспособного состояния объекта.

Остаточный ресурс – суммарная наработка объекта от момента 

контроля его технического состояния до перехода в предельное состояние.

Назначенный ресурс – суммарная наработка, при достижении 

которой эксплуатация объекта должна быть прекращена независимо 
от его технического состояния.

Назначенный срок службы – календарная продолжительность 

эксплуатации, при достижении которой эксплуатация объекта должна 
быть прекращена независимо от его технического состояния.

Назначенный срок хранения – календарная продолжительность 

хранения, при достижении которой хранение объекта должно быть 
прекращено независимо от его технического состояния.

1.4. Определение надежности. Составляющие надежности

Работа любой технической системы может характеризоваться ее 

эффективностью (рис. 1.1), под которой понимается совокупность 
свойств, определяющих способность системы выполнять при ее создании определенные задачи.

Рис. 1.1. Основные свойства технических систем

Под надежностью понимают 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.

Надежность в общем случае – комплексное свойство, включа
ющее такие понятия, как безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость. Для конкретных объектов и условий их эксплуатации эти свойства могут иметь различную относительную значимость.

Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять рабо
тоспособность в течение некоторой наработки или в течение некоторого времени.

Ремонтопригодность – свойство объекта быть приспособлен
ным к предупреждению и обнаружению отказов и повреждений, к 
восстановлению работоспособности и исправности в процессе технического обслуживания и ремонта.

Долговечность – свойство объекта сохранять работоспособность 

до наступления предельного состояния с необходимым прерыванием 
для технического обслуживания и ремонтов.

Сохраняемость – свойство объекта непрерывно сохранять ис
правное и работоспособное состояние в течение (и после) хранения и 
(или) транспортировки.

1.5. Отказы и виды отказов

Другими важными понятиями в теории надежности и практике 

эксплуатации технических систем (ТС) являются повреждения и отказы. 

Повреждением называется событие, заключающееся в наруше
нии исправного состояния при сохранении работоспособного состояния.

Под отказом понимают любое событие, заключающееся в 

нарушении работоспособного состояния объекта. Отказ может быть 
полным, когда наступает полное неработоспособное состояние объекта, и частичным, когда наступает частичное неработоспособное состояние. Совокупность признаков нарушения работоспособного состояния объекта устанавливают в документации. Необходимо отличать отказы от повреждений, т. е. от нарушений исправного состояния
объекта при сохранении его работоспособного состояния.

Критерий отказа – признак или совокупность признаков нару
шения работоспособного состояния объекта, установленные в нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.

Причины отказа – явления, процессы, события и состояния, вы
звавшие возникновение отказа объекта.

Последствия отказа – явления, процессы, события и состояния, 

обусловленные отказом объекта.

Критичность отказа – совокупность признаков, характеризу
ющих последствия отказа.

Ресурсный отказ – отказ, в результате которого наступает пре
дельное состояние объекта.

Явный отказ – отказ, обнаруживаемый визуально, штатными 

методами и средствами контроля и диагностирования при подготовке 
объекта к применению или в процессе его применения по назначению.

Скрытый отказ – отказ, не обнаруживаемый визуально или 

штатными методами и средствами контроля и диагностирования, но 
выявляемый при проведении технического обслуживания или специальными методами диагностики.

Важнейший признак для классификации отказов – это уровень 

их критичности, т. е. тяжесть последствий (материальных, моральных 
и других потерь), обусловленных возникновением отказов.

Критический отказ – такой отказ, при котором возникает угро
за человеку или окружающей среде. Существенный отказ – такой отказ, при котором ухудшение эксплуатационных характеристик или 
полная непригодность объекта к эксплуатации не приводят к возникновению опасности для человека. Несущественный отказ – отказ, который имеет незначительные последствия.

Различают внезапный и постепенный отказы. В отличие от вне
запного отказа наступлению постепенного отказа предшествует непрерывное и монотонное изменение одного или нескольких параметров, характеризующих способность объекта выполнять заданные 
функции. Поэтому удается предупредить наступление отказа или принять меры по устранению (локализации) его нежелательных последствий. Четкой границы между внезапными и постепенными отказами 
провести не удается. Механические, физические и химические процессы, которые являются причинами отказов, как правило, протекают 
во времени достаточно медленно. Так, усталостная трещина в стенке 
трубопровода или сосуда давления, зародившаяся из трещиноподобного дефекта, медленно растет в процессе эксплуатации; этот рост в 
принципе может быть прослежен средствами неразрушающего контроля. Однако собственно отказ (наступление течи) происходит внезапно. Если по каким-либо причинам современное обнаружение не