Основы надежности машин

ОСНОВЫ 
НАДЕЖНОСТИ МАШИН

С.Ю. ЖУРАВЛЕВ

Москва
ИНФРА-М
2023

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Рекомендовано 
учебно-методическим советом федерального государственного 
бюджетного образовательного учреждения высшего образования 
«Красноярский государственный аграрный университет» 
для внутривузовского использования в качестве учебного пособия 
для студентов по направлению подготовки 35.03.06 «Агроинженерия»

УДК 631.3(075.8)
ББК 40.72я73
 
Ж91

Журавлев С.Ю.
Ж91  
Основы надежности машин : учебное пособие / С.Ю. Журавлев. — 
Москва : ИНФРА-М, 2023. — 251 с. — (Высшее образование). 

ISBN 978-5-16-018236-0 (print)
ISBN 978-5-16-111242-7 (online)
Учебное пособие содержит основные теоретические положения сельскохозяйственного машиностроения, методические указания, порядок выполнения лабораторных работ, перечень тестовых заданий для контро ля остаточных знаний.
Соответствует требованиям федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования последнего поколения.
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки 35.03.06 «Агроинженерия» (профиль «Технические системы в агробизнесе»).

УДК 631.3(075.8)
ББК 40.72я73

Р е ц е н з е н т ы:
Минин В.В., доктор технических наук, доцент, профессор кафедры 
транспортных и технологических машин Политехнического института Сибирского федерального университета;
Петровский Н.В., кандидат технических наук, доцент, преподаватель Красноярского аграрного техникума

А в т о р:
Журавлев С.Ю., кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры механизации и технического сервиса в АПК Института инженерных систем и энергетики Красноярского государственного аграрного университета

ISBN 978-5-16-018236-0 (print)
ISBN 978-5-16-111242-7 (online)

© Журавлев С.Ю., 2023
© Красноярский государственный 
аграрный университет, 2023

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................. 4 
Часть I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАДЕЖНОСТИ МАШИН .... 6 
1.1. Введение в предмет. Основные понятия и определения .................... 6 
1.2. Показатели надежности машин. Математические и практические 
методы их определения ........................................................................... 23 
1.3. Физические основы надежности ..................................................... 52 
1.4. Испытания машин на надежность. Принципы конструирования 
технических систем .................................................................................. 95 
1.5. Методы повышения надежности машин ...................................... 129 
1.6. Критерии оценки качества. Методы управления качеством продукции ...................................................................................................... 156 
Часть II. ПРАКТИКУМ ......................................................................... 182 
Лабораторная работа № 1. Статистическая обработка опытной 
информации о надежности машин ....................................................... 182 
Лабораторная работа № 2. Определение показателей долговечности 
деталей и сопряжений ............................................................................ 196 
Лабораторная работа № 3. Определение показателей безотказности 
машин ...................................................................................................... 200 
Лабораторная работа № 4. Изучение закономерностей износа              
деталей ..................................................................................................... 205 
Лабораторная работа № 5. Моделирование процессов эксплуатации 
технических устройств .......................................................................... 217 
Тестовые задания для контроля знаний по разделу «Основы надежности машин» .............................................................................................. 233 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ...................................................................................... 248 
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ............................... 249 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Развитие научно-технического прогресса, усложнение конструкций машин и интенсификация режимов их эксплуатации обуславливают необходимость повышения надежности технических систем. Решение этой проблемы − это огромный резерв повышения эффективности производства и производительности труда. 
Особенностью проблемы повышения надежности является ее 
связь со всеми этапами проектирования, изготовления и использования машины, начиная с момента, когда формируется и обосновывается идея создания новой машины, и кончая принятием решения об ее 
списании. Необходимо выявление связи между показателями надежности и возможностями по их повышению на каждом из этапов проектирования, изготовления и эксплуатации машины. Эффективность 
использования сельскохозяйственной техники определяется не только конструктивно-технологическими решениями, заложенными в 
процессе изготовления, но и условиями ее эксплуатации, технического обслуживания и ремонта. 

Теория надежности машин и систем развивается относительно 

недавно и поэтому не может претендовать на законченность. Некоторые вопросы этой теории еще недостаточно разработаны и нуждаются в уточнении. Имеющиеся опубликованные неполные статистические данные об уровне надежности различных типов эксплуатируемых машин и систем в настоящее время, в связи с интенсивным развитием новых методов проектирования и производства, уже недостаточно полно отражают фактическое состояние проблемы надежности, 
в особенности на фоне совершенствования конструкций, появления 
новых материалов для них и т.д. Теория надежности машин и систем 
охватывает широкий круг вопросов, отражающих общую теорию 
надежности, вопросы проектирования, технологии производства и 
эксплуатации этих систем. В связи с этим ознакомление с этой проблемой требует знаний в области конкретных изделий и математической подготовки. 

На практике инженеру сельскохозяйственного производства по
стоянно приходится оценивать надежность эксплуатируемой техники 
по всем ее составляющим. Настоящее учебное пособие позволяет закрепить теоретические знания и приобрести практические навыки в 

определении значений этих составляющих в реальных условиях эксплуатации техники, приобрести компетенции по осуществлению мероприятий, направленных на поддержание и восстановление работоспособности и ресурса сельскохозяйственной техники. 
В данном пособии представлен достаточный объем теоретических данных, приведены методические указания для выполнения лабораторных работ по определению показателй надежности машин. 
Для более глубокого изучения дисциплины в пособии рекомендован 
список необходимой специальной технической литературы.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Часть I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАДЕЖНОСТИ                      
МАШИН 
 
1.1. Введение в предмет. Основные понятия                                   
и определения 
 
Основные понятия о надежности и ремонте машин 
 
Любой анализ надежности машин должен основываться на точных, определенных понятиях. В нашей стране установлена достаточно четкая терминология надежности, выпущен ряд стандартов, дающих однозначные толкования и определения понятий, относящихся к 
качеству продукции вообще и надежности в частности. 
При изучении надежности технических устройств рассматриваются самые разнообразные объекты. При этом под объектом понимается предмет определенного целевого назначения, рассматриваемый в 
период проектирования, изготовления, эксплуатации, исследования и 
испытаний на надежность. Для машиностроения объектом рассмотрения являются его изделия, а продукцией – сельскохозяйственные 
машины и oрудия. В зависимости от поставленной задачи изделием 
может быть отдельная деталь, кинематическая пара, узел, агрегат, 
машина в целом или система машин. Каждое изделие характеризуется выходными параметрами – величинами, определяющими показатели качества данного изделия.  
Выходные параметры характеризуют самые разнообразные 
свойства изделия в зависимости от его назначения и тех требований, 
которые к нему предъявляются. Это могут быть показатели точности 
функционирования, механические и прочностные характеристики, 
кинематические и динамические параметры, экономические показатели и др. Допустимое значение выходных параметров оговаривается 
в нормативных документах (стандартах, ТУ). 
Качество машин – совокупность их свойств, обусловливающих 
пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с назначением. 
Если понятие «качество» расчленить на составляющие, то к ним 
можно будет отнести следующие основные показатели: 
1) показатели назначения, характеризующие приспособленность 
изделий к использованию их по назначению (мощность, производительность, маневренность, КПД и пр.); 

2) показатели надежности (долговечность, безотказность, ремонтопригодность, сохраняемость); 
3) показатели технологичности, характеризующие эффективность конструкции и технологию ее производства; 
4) экономические показатели, отражающие затраты на разработку, изготовление, использование изделий и экономическую эффективность их эксплуатации (например, интегральный показатель); 
5) показатели стандартизации и унификации, характеризующие 
степень использования стандартных узлов; 
6) экологические показатели, характеризующие систему «человек – изделие – среда», т.е. комплекс гигиенических, физиологических, психологических и других свойств; 
7) эстетические показатели, охватывающие такие свойства, как 
красота форм, оригинальность, выразительность, гармоничность, соответствие среде и др.; 
8) патентно-правовые показатели, определяющие патентную чистоту изделия. 
Таким образом, надежность является одним из свойств машины, 
определяющих ее качество. Надежность машин отражает изменения 
их свойств во времени в процессе эксплуатации. Основные понятия 
надежности определены ГОСТ 27.002-83. 
Надежность – свойство объекта (машины или ее составной 
части, агрегата, узла, детали и т.п.) сохранять во времени в 
установленных 
пределах 
значения 
всех 
параметров, 
характеризующих способность выполнять требуемые функции в 
заданных режимах и условиях применения, ТО, ремонтов, хранения и 
транспортирования. 
Остановимся на основных понятиях и терминах проблемы 
надежности в соответствии с тем, как это трактуется в документах. Все 
основные термины в соответствии с ГОСТом и другими источниками 
(а их 89) классифицируются по четырем группам (табл. 1). 
Надежность машин – сложное свойство, которое в зависимости 
от назначения объекта и условий его применения состоит из сочетания следующих свойств: безотказности, долговечности, ремонтопригодности, сохраняемости. Из рассмотрения содержания проблемы 
надежности машин следует, что это свойство характеризуется в 
первую очередь способностью выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах в соответствии с ТУ. 

Таблица 1 – Классификация терминов надежности 
 

Объекты 
Состояния и события 
Свойства 
Количественные 

показатели 

Изделия:  

машина, агрегаты, 
узлы, детали, приборы, сборочные 

единицы  

Исправное, неисправное, работоспособное, 

неработоспособное  

Надежность, безотказность, долговечность, ремонтопригод
ность  

Единичные: 

вероятность безотказной работы  

Элементы  
Повреждение  
Наработка       
на отказ  

Часть системы, 
предназначенная 
для выполнения 
заданных функ
ций  

Отказ, предельное со
стояние  

Сохраняемость  Средний ресурс, 

средний срок сохраняемости, вероятность восстановления 

Системы: 

совокупность 

совместно действующих элемен
тов 

Комплексные: 

коэффициент готовности, коэффициент технического исполь
зования  

 
Эти характеристики являются функцией большого числа факторов – конструктивного, производственно-технологического и эксплуатационного. Не уменьшая роли и влияния на уровень надежности 
машин основных факторов, следует сказать, что все свойства машин, 
в том числе и показатели их надежности, создаются и закладываются 
при конструировании машины, ее изготовлении, проявляются и используются в процессе эксплуатации и частично возобновляются при 
ремонте. 
Надежность – свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих 
способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и 
условиях применения, хранения и транспортирования. 
Надежность – одна из главных оценок качества и эксплуатационных характеристик сельскохозяйственной машины. Она является 
комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость или определенные 
сочетания этих свойств. 
 

Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки. 
Основной показатель безотказности – вероятность безотказной 
работы. Это вероятность того, что в интервале времени от 0 до t отказ 
не наступит, т.е. вероятность того, что отказ наступит в интервале 
времени от t до ∞. 
Вероятность безотказной работы P(t) – функция времени 
 

.
)
(
)
(
dt
t
t
f
t
P
                                   (1) 

Показатель безотказности определяет шанс изделия проработать 
без отказов заданный интервал времени. Допустимое значение P(t) 
выбирается в зависимости от степени опасности отказа. Например, 
для ответственных деталей машин авиационной техники P(t) = 0,9999 
→ 1. В таблице 2 представлена классификация машин по надежности 
в зависимости от последствий, к которым может привести их отказ. 
 
Таблица 2 – Классификация машин  
по вероятности безотказной работы 
 

Последствия отказа 
Допустимая вероятность 

безотказной работы 

Тип машин 

Катастрофические:  

авария, катастрофа, невыполнение ответственного 

задания  

P(t) → 1 
Летательные аппараты, 

подъемно
транспортные машины, 
машины химического 

производства 

Экономические: 

повышенные потери времени от простоев, работа 
на пониженных режимах с 
ухудшенными параметрами 

Значительный ущерб: 

P(t)  ≥ 0,99. 

Незначительный ущерб: 

P(t)  ≤ 0,9 

Технологическое оборудование, с.-х. и бы
товые машины

Без последствий, затраты 
на ремонт в пределах нор
мы 

 P(t) ≤ 0,9 
Отдельные узлы и эле
менты машин

 
По статистическим данным вероятность безотказной работы 
машин определяется по формуле 

( )
( )
( )
1
,
0

0
0

N
n t
n t
P t
N
N

                                 (2) 

где N0 – число объектов; n(t) – число отказов объектов за время. 
Достоинство показателя безотказности – возможность достаточно просто судить о надежности. 
Безотказность машин меняется во времени или по мере увеличения наработки, и этот процесс изменения имеет свои закономерности, которые изучаются и оцениваются в соответствии с теорией 
надежности (рис. 1). 
 

 
 
Рисунок 1 – Зависимость вероятности безотказной работы машин P(t) 
от времени эксплуатации 
 
На графике рисунка 1 показана кривая вероятности отказов 
)
(t
Po
, которая симметрична по отношению к P(t) и показывает вероятность того, что при определенных условиях в заданном интервале  
времени возникает хотя бы один отказ. 
При определении показателей безотказности учитывают последствия, к которым приводят отказы, и склонность к восстановлению 
работоспособности путем подразделения отказов на три группы 
сложности. 
I группа – отказы, устраняемые ремонтом или заменой деталей, 
расположенных снаружи узлов и агрегатов, без их разборки, а также 
отказы, устранение которых требует внеочередного проведения операций TO-1 и ТО-2.