Основы работоспособности технических систем

 
 
 
 
 
 
 
 
А. М. Будюкин 
 
 
 
 
 
 
 
ОСНОВЫ РАБОТОСПОСОБНОСТИ 
ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024
1 

УДК 656.13 
ББК 39.38 
Б90 
 
 
 
Рецензенты: 
 
главный инженер Экспериментального завода Октябрьской железной дороги В. Г. Григорчук; 
кандидат технических наук, доцент кафедры «Подъемно-транспортные, путевые  
и строительные машины» Петербургского государственного университета путей сообщения 
Императора Александра I А. С. Хрущев 
 
 
 
 
 
 
Будюкин, А. М. 
Б90  
Основы работоспособности технических систем : учебное пособие / 
А. М. Будюкин. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 268 с. : 
ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1783-9 
 
Изложены основы обеспечения работоспособности сложных технических систем (автомобильный транспорт, средства обслуживания) в процессе их эксплуатации. 
Рассмотрены закономерности изменения технического состояния автомобилей, методы оценки их эксплуатационной надежности, система и нормативы технического обслуживания и ремонта в автомобильной отрасли, включая организацию работы фирменных сервисных систем, методы анализа производительности и пропускной способности средств обслуживания. Приведены примеры решения тематических задач. 
Для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки 23.03.03 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов» (профиль «Автомобильный сервис») и направлению 23.04.02 «Наземные транспортно-технологические 
комплексы», магистерская программа «Ремонт и эксплуатация наземных транспортнотехнологических комплексов и систем». Может быть использовано для подготовки 
специалистов, магистров, аспирантов и соискателей, обучающихся в вузах по указанным направлениям подготовки или схожим. 
 
УДК 656.13 
ББК 39.38 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1783-9 
© Будюкин А. М., 2024 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 

ВВЕДЕНИЕ 
 
С развитием научно-технического прогресса возникают все более сложные 
проблемы, для решения которых необходима разработка новых теорий и методов исследований. В частности, в машиностроении вследствие усложнения 
конструкции машин, их технической эксплуатации, а также технологических 
процессов требуются обобщение и более квалифицированный, строгий инженерный подход к решению задач обеспечения долговечности техники. 
Технический прогресс связан с созданием сложных современных машин, 
приборов и рабочего оборудования, с постоянным повышением требований к 
качеству, а также с ужесточением режимов работы (увеличением скоростей, 
рабочих температур, нагрузок). Все это явилось основанием для развития таких 
научных дисциплин, как теория надежности, триботехника, техническая диагностика. 
Эффективность использования и качество функционирования машин 
определяются уровнем их работоспособности и надежности. Общая продолжительность простоев машин и оборудования вследствие технического обслуживания и ремонта составляет значительную долю годового фонда рабочего времени. Потери, связанные с обеспечением работоспособности машин, за период 
эксплуатации в несколько раз превышают их начальную стоимость. 
Обеспечение надежности машин является сложной проблемой, для решения которой необходимо проведение комплекса конструкторских, технологических и организационных мероприятий на всех стадиях существования машин. 
Надежность автотранспортных средств, как сложных технических систем, является основным свойством их качества. Оно должно задаваться конструктором, обеспечиваться производителем и, затем, реализуется потребителем. 
Недостаточная надежность машин снижает их производительность из-за 
простоев в ремонте, увеличивает материальные и трудовые затраты на их содержание, а также капитальные вложения в производственные фонды ремонтного производства и в промышленность, занятую выпуском запасных частей. 
Современному специалисту в области грузового и легкового транспорта, 
дорожных, строительных и коммунальных машин для решения практических 
задач по обеспечению надежности требуется знание широкого круга вопросов. 
Это относится, прежде всего, к основам теории вероятностей и математической 
статистики, триботехнике и теории изнашивания. Важно также знать современные методы проектирования, производства и эксплуатации машин. Большинство из этих вопросов рассмотрено в данном учебном пособии. Основное внимание уделено вопросам обеспечения планируемого уровня работоспособности 
и надежности машин с учетом их специфики. 
 Владеть знаниями о закономерностях изменения технического состояния 
автотранспортных средств при их эксплуатации на основании полученной дискретной и вероятностной информации, обозначает то, что можно обеспечивать 
управляемость их работоспособностью. 
Основы работоспособности, приборы и методы исследований, а также пути повышения надежности объекта изучают в теории надежности, которая 
3 

находится на стыке нескольких наук: теории вероятностей и математической 
статистики, теории трения и изнашивания, теории эксперимента и др. Основными задачами теории надежности являются изучение закономерностей возникновения отказов и неисправностей объекта и на базе результатов исследований разработка мероприятий, направленных на обеспечение выполнения объектом заданных функций с наименьшими затратами. 
Для обеспечения надежной работы машин необходимо постоянно совершенствовать их конструкцию и технологию производства, разрабатывать и 
проводить мероприятия по поддержанию работоспособности машин в эксплуатации. В связи с этим изучение научных основ обеспечения работоспособности 
машин должно стать неотъемлемой частью учебного процесса в технических 
вузах России. 
Целью освоения дисциплины студентами являются получение знаний, 
умений и приобретение навыков в области обеспечения работоспособности 
машин и прогнозирования их основных характеристик и показателей.  
Историю развития научных исследований в этом направлении можно разделить на четыре этапа. 
Первый этап (1950-е гг.) включает в себя становление направления, формирование задач исследований. В этот период было положено начало систематического изучения долговечности и безотказности машин, сформулированы 
требования к их количественным показателям. 
Второй этап (1960-е гг.) – формирование классической теории надежности. 
В нашей стране в этот период широкую известность получили работы Б. В. Гнеденко, Ю. К. Беляева, А. Д. Соловьева, Я. Б. Шора. Для этого этапа характерны 
начало изучения долговечности и безотказности механических систем на стадии 
проектирования, разработка методов расчета элементов машин с учетом статистических данных о надежности, организация систематического сбора и статистической обработки информации о надежности, нормирование показателей долговечности и безотказности. 
Третий этап (1970-е гг.) характеризуется системным подходом к анализу 
надежности машин с учетом технико-экономических показателей, перспектив 
развития техники. В этот период были разработаны и нашли широкое применение в машиностроении методы управления долговечностью и безотказностью 
машин в эксплуатации, основанные на анализе статистических данных об отказах сборочных единиц с учетом затрат на обеспечение их работоспособного состояния. Большой вклад в развитие таких методов для автомобилей и дорожностроительных машин внесли советские ученые Л. В. Дехтеринский, А. М. Шейнин, Е. С. Кузнецов, Д. П. Волков, В. С. Бочаров и др. 
Четвертый этап (современный) предусматривает разработку и внедрение 
комплекса мероприятий по обеспечению работоспособности основных элементов при конструировании, изготовлении и эксплуатации машин. Эти мероприятия разрабатывают на основе результатов анализа физической сущности и закономерностей изменения процессов, происходящих в элементах машины в период ее эксплуатации.  
4 

Такой характер развития исследований долговечности машин – от статистического описания к анализу физических процессов – не случаен. Он объясняется законом перехода количественных изменений в качественные. 
Первые этапы развития работ в области обеспечения работоспособности 
изделий машиностроения были связаны с накоплением информации, ее обобщением и анализом вследствие сложности процессов изменения технического 
состояния машин и отсутствия инженерных методов и приборов, позволяющих 
зарегистрировать эти процессы. В ходе исследований ограничивались сбором 
статистических данных об отказах и о неисправностях сборочных единиц. 
Пользуясь терминологией теории систем, можно отметить, что исследования 
надежности машин проводились на макроуровне, без учета процессов, которые 
вызывают изменение технического состояния основных элементов и сборочных 
единиц. Это обеспечивало возможность количественной оценки долговечности 
без учета механизма снижения работоспособности машины. 
В настоящее время при решении конкретных инженерных задач все более 
широко используют достижения фундаментальных естественных наук. В частности, создание оптических квантовых генераторов (лазеров), оборудования 
для спектрального анализа материалов, разработка таких методов, как ферро- и 
хроматография, открыли принципиально новые возможности для проведения 
экспериментальных исследований при решении задач обеспечения долговечности машин. 
Современные методы физических исследований и экспериментальное 
оборудование, созданное в последние годы, позволяют не только зарегистрировать процессы изменения технического состояния элементов машин, но и 
оценить влияние основных факторов на характер протекания этих процессов. 
Таким образом, созданы необходимые условия для анализа долговечности 
элементов машин на микроуровне, что позволяет более строго обосновать мероприятия по обеспечению их работоспособности. Исследование процессов 
изменения технического состояния машин стало предметом новой дисциплины – триботехники. 
В 2022 году в России было произведено 620 тыс. шт. автомобиле (в т. ч. 
450 тыс. шт. легковых). Так же на 75,8 млрд рублей выпущено дорожностроительных машин. По известным причинам, это меньше запланированного 
Минпромторгом количества (Приказ от 23.04.2010 г.), но, на начало 2023 года 
парк автомобилей все же увеличился и составил 60,45 млн шт. (в т. ч.  
50,6 млн шт. легковых). При этом, на начало 2023 года средний возраст всего 
парка составил 15,2 года, а легкового автотранспорта – 13,9 года. 
Очевидно, что при таком положении вещей, для поддержания работоспособности автотранспорта, главная роль должна отводиться периодическому 
техническому обслуживанию, как основной составляющей системы обслуживания автотранспортных предприятий и владельцев личных автомобилей. 
Автомобильный транспорт играет существенную роль в транспортном 
комплексе страны, регулярно обслуживая более 3 млн предприятий и организаций все форм собственности, крестьянских и фермерских хозяйств и предпринимателей также население страны.  
5 

Особенности и преимущества автомобильного транспорта, предопределяющие его опережающее развитие, связаны с мобильностью и гибкостью доставки грузов и пассажиров «от двери до двери», «точно в срок» и соблюдением при необходимости расписания. Эти свойства автомобильного транспорта во 
многом определяются уровнем работоспособности и техническим состоянием 
автомобилей и парков, зависящими, во-первых, от надежности конструкции автомобилей, во-вторых, от мер по обеспечению их работоспособности в процессе эксплуатации и от условий последней. 
Работоспособность автомобилей и парков обеспечивается подсистемой 
технической эксплуатации автомобилей (ТЭА). 
Как область практической деятельности ТЭА – это комплекс взаимосвязанных технических, экономических, организационных и социальных мероприятий, обеспечивающих: 
1) своевременную передачу службе перевозок или внешней клиентуре работоспособных автомобилей необходимых номенклатуры и количества и в 
нужное для клиентуры время; 
2) поддержание автомобильного парка в работоспособном состоянии при: 
− рациональных затратах трудовых и материальных ресурсов; 
− нормативных уровнях дорожной и экологической безопасности; 
− нормативных условиях труда персонала. 
Как отрасль науки ТЭА определяет пути и методы управления техническим состоянием автомобилей и парков для обеспечения: 
− регулярности и безопасности перевозок при наиболее полной реализации технико-эксплуатационных свойств автомобилей; 
− заданных уровней работоспособности и технического состояния; 
− оптимизации материальных и трудовых затрат; 
− минимума отрицательного влияния автомобильного транспорта на население, персонал и окружающую среду. 
Эффективность ТЭА обеспечивается инженерно-технической службой 
(ИТС), которая реализует цели и задачи ТЭА. 
Дисциплина «Основы работоспособности технических систем» рассматривает законы, отражающие изменение и прекращение работоспособности транспортных систем, их физическую сущность, основные понятия теории надежности и разработку технических условий и требований, предъявляемых к техническим системам. Рассматриваются основные показатели надежности и общие 
зависимости при оценке надежности. Показаны методы статистической обработки информации о надежности оборудования. Нагрузки в машинах, приводятся законы распределения нагрузок по времени для различных машин. Уделяется внимание уменьшению вредного влияния вибраций, концентрации 
нагрузок, ошибок при конструировании деталей и узлов машин и механизмов 
на работоспособность и надежность оборудования. Большое внимание уделяется изнашиванию, процессам механического разрушения материалов и подбору 
материалов пар трения для обеспечения работоспособности машин.  
6 

При написании учебного пособия были переработаны и использованы 
разделы конспектов лекций, учебных пособий кафедры «Наземные транспортно-технологические комплексы» ПГУПСа и учебники авторов, связанных 
с данной специальностью: Маринина В. С., Кузнецова Е. С., Абаимова В. В., 
Власова В. М., Зорина В. А., Исаенко П. В., Ветошкина А. Г., Беляева Ю. К., 
Богданова А. Ф., Шаповала В. В., Фатеевой Л. Н., Малкина В. С., Крагельского И. Г., Кравченко И. Н., Чичинадзе А. В., Денисова А. С., Решетова Д. Н., Борилова А. В., Яхьева А. В. и др. 
Дисциплина «Основы работоспособности технических систем» рассматривает проблемы повышения работоспособности деталей в зависимости от действующих на них нагрузок. Она намечает общие направления, оценивающие 
изменение конструктивных схем машин, применение различных конструкций 
виброгасителей, использование конструктивных изменений в узлах машин, 
применение традиционных конструкторских материалов с целью повышение 
надежности и долговечности деталей машин и автотранспортных средств. 
В настоящее время требования к работоспособности автотранспортных систем постоянно возрастают. Повышение работоспособности является сложной 
технической задачей, как в машиностроении, так и при эксплуатации, для которых необходимы высококвалифицированные специалисты. 
Для изучения дисциплины необходимы глубокие знания социально-экономических и гуманитарных дисциплин, общеобразовательных и специальных инженерных дисциплин, таких как сопротивление материалов, теоретическая механика, металловедение и технология конструкционных материалов, вычислительная 
техника и др. 
Изучаемая дисциплина, в свою очередь, является основой для освоения таких дисциплин как «Техническая эксплуатация силовых агрегатов и трансмиссий», «Эксплуатационные свойства автомобилей», «Технология и организация 
фирменного обслуживания», «Производственная база автосервиса», «Основы 
маркетинга в автосервисе» и др. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
7 

ЧАСТЬ 1 
 
ТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ: КАЧЕСТВО,  
РАБОТОСПОСОБНОСТЬ, ДИАГНОСТИКА 
 
1. ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ПОНЯТИЯ 
 
В основу перечня положен Государственный стандарт 27.002-89 «Надежность в технике. Термины и определения», формулирующий применяемые в 
науке и технике термины и определения в области надежности. Однако не все 
термины, используемые в данном стандарте, охватываются указанным  
ГОСТом, что привело к необходимости введения дополнительных терминов. 
Все термины расположены в тематическом порядке. 
Рассматриваемые понятия относятся к комплексам машин, отдельным машинам, оборудованию, а также и их системам, агрегатам, узлам (сборочным 
единицам) и деталям. 
Основные термины и понятия теории вероятности и математической статистики должны быть вам известны из других курсов, изучаемых ранее. 
 
1.1. Объект и его характеристики 
 
Объект – техническое изделие определенного целевого назначения, рассматриваемое в периоды проектирования, производства, испытаний и эксплуатаций. 
Объектами могут быть различные системы и их элементы, в частности: сооружения, установки, технические изделия, устройства, машины, аппараты, 
приборы и их части, агрегаты и отдельные детали. 
В случае, когда рассматриваемые общие вопросы – машины, оборудование 
и их части принято называть объектами.  
Объект – предмет определенного целевого назначения, рассматриваемый 
в периоды проектирования, производства, эксплуатаций, исследований и испытаний на надежность. 
Объекты делятся на два класса: восстанавлеваемые и невосстанавлеваемые. 
Невосстанавлеваемые – объекты, которые не могут быть восстановлены 
или не подлежат восстановлению по соображению экономического, временного 
или иного порядка. 
К числу основных параметров изделия (объекта) относятся: быстродействие, нагрузочная характеристика, устойчивость, точность выполнения производственных операций и т. д. 
Вместе с другими показателями (массы, габариты, удобства в обслуживании и др.) они составляют комплекс показателей качества изделия. Показатели 
качества могут изменяться с течением времени. Изменения их, превышающее 
допустимые значения, приводит к возникновению отказного состояния частичного или полного отказа изделия. 
8 

Система – объект, представляющий собой совокупность элементов, взаимодействующих в процессе выполнения определенного круга задач и взаимосвязанных функционально. 
Элемент системы – объект, представляющий собой простейшую часть 
системы, отдельные части которого не представляют самостоятельного интереса в рамках конкретного рассмотрения. 
Понятия «система» и «элемент» выражены друг через друга, поскольку 
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 и, наконец, даже от технических и научных 
наклонностей исследователя. 
Восстановление – процесс обнаружения и устранения отказа (повреждения) с целью восстановления его работоспособности (исправности). 
Восстанавливаемый объект – объект, работоспособность которого в случае возникновения отказа подлежит восстановлению в рассматриваемых условиях. 
Невосстанавливаемый объект – объект, работоспособность которого в 
случае возникновения отказа не подлежит восстановлению в рассматриваемых 
условиях. 
При анализе надежности, особенно при выборе показателей надежности 
объекта, существенное значение имеет решение, которое должно быть принято 
в случае отказа объекта. Если в рассматриваемой ситуации восстановление работоспособности данного объекта при его отказе по каким-либо причинам признается нецелесообразным или неосуществимым (например, из-за невозможности прерывания выполняемой функции), то такой объект в данной ситуации является невосстанавливаемым. Таким образом, один и тот же объект в зависимости от особенностей или этапов эксплуатации может считаться восстанавливаемым или невосстанавливаемым. 
Например, аппаратура метеоспутника на этапе хранения относится к восстанавливаемой, а во время полета в космосе – невосстанавливаемой. Более того, даже один и тот же объект можно отнести к тому или иному типу в зависимости от назначения: ЭВМ, используемая для неоперативных вычислений, является объектом восстанавливаемым, так как в случае отказа любая операция 
может быть повторена, а та же ЭВМ, управляющая сложным технологическим 
процессом в металлургии или химии, является невосстанавливаемым объектом, 
так как отказ или сбой приводит к непоправимым последствиям. 
Работа машины происходит при изменяющихся внешних воздействиях, 
которые взаимодействуют с потенциальными свойствами машин и воздействуют на качественные и другие показатели работы машины (рис. 1.1). Входные 
перемещения образуют вектор-функцию. Выходной вектор-функция показывает, как машина работает в реальных условиях эксплуатации. 
9 

 
 
Рис. 1.1. Схема влияния изменяющихся воздействий на качественные и другие  
изменяющиеся показатели работы машин 
 
Внешние воздействия: природные факторы, организационно-технические 
факторы, социально экономические факторы. 
Потенциальные свойства – объективно существующая способность машины, проявляющая при ее создании и эксплуатации. 
Свойства, образующие иерархическую совокупность, определяет качество 
машин (рис. 1.2). 
 
 
Рис. 1.2. Показатели качества технологических систем 
 
Качество машины – совокупность всех ее свойств, обуславливается пригодность удовлетворять потребности в соответствии с назначением. 
 
1.2. Надежность 
 
Надежность – свойство объекта сохранять способность выполнять заданные функции. 
10