3. Оценка технического состояния объекта

Как говорилось выше основным показателем продукции является качество, но это субъективная характеристика. Объективным показателем продукции является надежность.

Надежность является составляющим показателем качества объекта. Чем выше надежность объекта, тем выше его качество.

Рис.3.1 Вероятностная природа надежности

Численная оценка надежности – вероятность P нахождения объекта в работоспособном состоянии в данный момент времени t. Эта вероятность с течением времени изменяется по некоторому закону P(t) (рис.3.1). Вероятность работоспособного состояния P объекта связана с вероятностью отказа Q.

1. Жизненный цикл объекта

Объект характеризуется жизненным циклом. Жизненный цикл объекта состоит из ряда стадий: проектирование объекта, изготовление объекта, эксплуатация объекта. Каждая из этих стадий жизненного цикла влияет на надежность изделия (таблица 3.1).

Таблица 3.1. Этапы «жизненного цикла» технических объектов

На стадии проектирования объекта закладываются основы его надежности. На надежность объекта влияют: выбор материалов (прочность материалов, износостойкость материалов), запасы прочности деталей и конструкции в целом, удобство сборки и разборки (определяет трудоемкость последующих ремонтов), механическая и тепловая напряженность конструктивных элементов, резервирование важнейших или наименее надежных элементов и другие меры.

На стадии изготовления надежность определяется выбором технологии производства, соблюдением технологических допусков, качеством обработки сопрягаемых поверхностей, качеством используемых материалов, тщательностью сборки и регулировки.

На стадии проектирования и изготовления определяются конструктивно-технологические факторы, влияющие на надежность объекта. Действие этих факторов выявляется на стадии эксплуатации объекта. Кроме того, на этой стадии жизненного цикла объекта на его надежность влияют и эксплуатационные факторы.

Эксплуатация оказывает решающее влияние на надежность объектов, особенно сложных. Надежность объекта при эксплуатации обеспечивается путем:

• соблюдение условий и режимов эксплуатации (смазка, нагрузочные режимы, температурные режимы и др.);

• проведение периодических технических обслуживаний с целью выявления и устранения возникающих неполадок и поддержания объекта в работоспособном состоянии;

• систематическая диагностика состояния объекта, выявление и предупреждение отказов, снижение вредных последствий отказов;

• проведение профилактических восстановительных ремонтов.

Основной причиной снижения надежности в процессе эксплуатации являются износ и старение компонентов объекта. Износ приводит к изменению размеров, нарушению работоспособности (из-за ухудшения условий смазки, например), поломкам, снижению прочности и т.д. Старение приводит к изменению физико-механических свойств материалов, влекущему поломки или отказы.

3.2 Поддержание надежности объекта при эксплуатации

Поддержание требуемого уровня надежности технических объектов в процессе эксплуатации осуществляется путем проведения комплекса организационно-технических мероприятий. Сюда входят периодические технические обслуживания, профилактические и восстановительные ремонты. Периодические технические обслуживания направлены на своевременные регулировки, устранение причин отказов, раннее выявление отказов.

В периодические технические обслуживания проводятся в установленные сроки и в установленном объеме технические осмотры (ежедневные), еженедельное, ежемесячное, сезонное и др. техническое обслуживание (регламент). Задачей любого ТО является проверка контролируемых параметров, регулировка в случае необходимости, выявление и устранение неисправностей, замена элементов, предусмотренная эксплуатационной документацией.

Порядок выполнения несложных работ определяется инструкциями по техническому обслуживанию, а порядок выполнения сложных работ – технологическими картами.

В процессе технических обслуживаний обычно осуществляется и диагностика состояния эксплуатируемого объекта (в том или ином объеме). Диагностика заключается в контроле состояния объекта с целью выявления и предупреждения отказов. Осуществляется диагностика с помощью диагностических средств контроля, которые могут быть встроенными и внешними. Встроенные средства позволяют осуществлять непрерывный контроль. С помощью внешних средств осуществляется периодический контроль.

В результате диагностики выявляются отклонения параметров объекта и причины этих отклонений. Определяется конкретное место неисправности. Решается задача прогнозирования состояния объекта и принимается решение о его дальнейшей эксплуатации.

Объект считается работоспособным, если его состояние позволяет ему выполнять возложенные на него функции. Если в процессе эксплуатации характеристики объекта или его структура недопустимо изменились, то говорят, что в объекте возникла неисправность. Возникновение неисправности нельзя отождествлять с потерей объектом работоспособности. Однако в неработоспособном объекте всегда будет иметь место неисправность.

Для восстановления показателей надежности объекта при их снижении проводятся профилактические и восстановительные ремонты. Восстановительные ремонты служат для восстановления работоспособности объекта после отказа и поддержания заданного уровня его надежности путем замены деталей и узлов, потерявших свой уровень надежности или отказавших.

Количество ремонтов определяется экономической целесообразностью. Типичная зависимость вероятности безотказной работы ремонтируемого объекта от времени эксплуатации показана на рисунке 3.4. На рисунке приняты следующие обозначения: P – вероятность безотказной работы объекта, P_min – минимально допустимый уровень надежности, N – число заменяемых при ремонте элементов объекта.

Рис. 3.4. Зависимость безотказности объекта от времени его эксплуатации.

Очередной ремонт не позволяет достичь исходного уровня надежности объекта и срок эксплуатации объекта после этого ремонта будет меньше, чем после предыдущего ремонта. Таким образом, эффективность каждого последующего ремонта снижается, что влечет необходимость ограничения общего количества ремонтов объекта.

3.3 Качественные и количественные характеристики надежности

Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его эксплуатации может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость в отдельности или определенное сочетание этих свойств, как для объекта, так и его частей.

Теория надежности исследует различные факторы, влияющие на уровень надежности, методы обеспечения и оценки надежности, а также закономерности изменения ее количественных характеристик. Надежность является частью более общего свойства изделия – качества. Технические характеристики объекта даются для некоторого момента времени – это ”точечные” характеристики. Надежность характеризует зависимость точечных характеристик от времени использования объекта.

Свойство надежности может быть приписано различным компонентам объекта. При исследовании надежности часто ставится задача определить причины, приводящие к формированию той или другой стороны надежности для определения путей повышения надежности. Это приводит к делению надежности на разные виды:

Физическая надежность – обуславливается физическими и химическими свойствами, условиями работы, нагружением и т.д.

Схемная надежность – обуславливается уровнем физической надежности отдельных элементов и схемой их взаимосвязи. Схемная надежность может быть повышена за счет резервирования.

Аппаратная надежность – обуславливается состоянием аппаратуры.

Программная надежность – обуславливается состоянием и качеством программного обеспечения.

Функциональная надежность – надежность выполнения отдельных функций, возлагаемых на объект.

Надежность является комплексным свойством и включает в себя такие свойства, как:

Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или некоторой наработки.

Наработка – временное понятие, характеризующее продолжительность или объем работы объекта (в часах, циклах, километрах пробега и др.).

Долговечность – свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

Ремонтопригодность – свойство объекта, заключающееся в его приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем проведения технического обслуживания и ремонта.

Расчет этого показателя зависит от восстанавливаемости объекта.

Невосстанавливаемое изделие – изделие, которое не может быть восстановлено потребителем и подлежит замене.

Восстанавливаемое изделие – изделие, которое может быть восстановлено потребителем.

Ремонтируемый объект – объект, ремонт которого возможен и предусмотрен нормативно-технической, ремонтной и (или) конструкторской (проектной) документацией.

Неремонтируемый объект – объект, ремонт которого невозможен или не предусмотрен нормативно-технической, ремонтной и (или) конструкторской (проектной) документацией.

Сохраняемость – свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способности объекта выполнять требуемые функции в течение хранения и (или) транспортирования.

В каждом конкретном случае оценки или задания надежности изделия следует пользоваться теми сторонами и видами надежности, которые необходимы для характеристик надежности объекта с учетом его целевого назначения.

В прикладной теории надежности в понятие надежности могут включаться дополнительные свойства. Так, для характеристики надежности объектов, являющихся потенциальным источником опасности, используются свойства безопасности и живучести.

Безопасность – свойство в случае нарушения работоспособного состояния не создавать угрозу для жизни и здоровья людей, а также для окружающей среды.

Живучесть – свойство объекта сохранять работоспособность (полностью или частично) в условиях неблагоприятных воздействий, не предусмотренных нормальными условиями эксплуатации.

В основе понятия надежности объекта лежит понятие его отказа.

Отказ – это событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта. По характеру возникновения отказы связаны либо с поломкой отдельных элементов при функционировании, либо с изменением параметров до недоступных пределов.

Условия эксплуатации назначаются такими, чтобы максимально снизить износ и старение: например, износ возрастает в условиях дефицита или низкого качества смазки. Старение возрастает при выходе температурных режимов за допустимые (например, уплотнительные прокладки, клапаны и т.д.).

Надежность объекта на стадии эксплуатации можно иллюстрировать графиком типичной зависимости интенсивности отказов объекта от времени эксплуатации, представленном на рисунке 3.2.

На рисунке показано: 1 – интенсивность отказов λ (t); 2 – кривая старения; t_п – период приработки; t_н – нормальная работа; t_и – период износа. В период приработки надежность, в первую очередь, определяется конструктивно-технологическими факторами, что ведет к повышенной интенсивности отказов. По мере выявления и устранения этих факторов надежность объекта приводится к номинальному уровню, который сохраняется в продолжительном периоде t_н нормальной эксплуатации.

Рис. 3.2 Изменение интенсивности отказов в течение жизненног цикла объекта

В течение эксплуатации в объекте накапливаются проявления износа и усталости, интенсивность которых возрастает с увеличением срока эксплуатации объекта (возрастающая кривая 2 на рисунке 2). Наступает период t_и интенсивного износа объекта, который заканчивается его приходом в предельное состояние и снятием с эксплуатации.

Рис. 3.3. Оптимальный срок эксплуатации объекта

Ежегодные затраты на эксплуатацию характеризуются графиками на рисунке 3.3, где 1 – суммарные затраты; 2 – затраты на ремонт; 3 – затраты на амортизацию.

Из графиков видно, что существует оптимальный срок эксплуатации объекта, при котором суммарные затраты на эксплуатацию минимальны. Продолжительная эксплуатация, существенно превышающая оптимальный срок экономически невыгодна.

3.4 Расчет количественных показателей надежности

Перечень показателей надежности определяется [3]. Этот стандарт оговаривает как единичные показатели надежности, каждый из которых характеризует отдельную сторону надежности (безотказность, долговечность, сохраняемость или ремонтопригодность), так и комплексные показатели надежности (рис. 3.5). Комплексные показатели характеризуют одновременно несколько свойств надежности.

Рис.3.5. Качественные показатели надежности

Показатели надежности делятся на нормируемые и оценочные. Значения нормируемых показателей регламентируется нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документацией. Оценочные значения показателей являются фактическими и их получают в результате испытаний или эксплуатации объекта.

Для некоторого объекта показатели надежности могут быть получены:

• расчетным путем;

• экспериментальным путем;

• путем экстраполирования известных показателей на другую продолжительность эксплуатации, или другие условия эксплуатации.

Перечень стандартных показателей надежности приведен в таблице 3.2.

При определении показателей надежности используются следующие понятия:

Наработка – продолжительность или объем работы объекта.

Ресурс – суммарная наработка объекта от начала его эксплуатации или ее возобновления после ремонта до прихода в предельное состояние.

Таблица 3.2 Номенклатура показателей надежности