Надёжность — свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортированияГОСТ 27.002—89 «Надёжность в технике. Основные понятия. Термины и определения» 1.Общие понятия.
Интуитивно надёжность объектов связывают с недопустимостью отказов в работе. Это есть понимание надёжности в «узком» смысле — свойство объекта сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или некоторой наработки. Иначе говоря, надёжность объекта заключается в отсутствии непредвиденных недопустимых изменений его качества на стадии эксплуатации (при его использовании, обслуживании, хранении, транспортировании). Надёжность — комплексное свойство, которое в зависимости от назначения объекта и условий его эксплуатации может включать в себя свойства безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости, а также определённое сочетание этих свойств.
Для количественной оценки надёжности используют так называемые единичные показатели надёжности (характеризуют только одно свойство надёжности) и комплексные показатели надёжности (характеризуют несколько свойств надёжности в определённом интервале времени).
Основные определения Безотказность — свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки. Ремонтопригодность — свойство объекта, заключающееся в его приспособленности к восстановлению работоспособного состояния при отказе или повреждении объекта или его составных частей. Долговечность — свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность от начала эксплуатации до наступления предельного состояния, то есть такого состояния, когда объект изымается из эксплуатации. Сохраняемость — свойство объекта сохранять работоспособность в течение всего периода хранения и транспортировки. Живучесть — свойство объекта сохранять работоспособность при отказе отдельных функциональных узлов. Отказ — событие, заключающееся в полной или частичной утрате работоспособности. Сбой — самоустраняющийся отказ или однократный отказ, устраняемый незначительным вмешательством оператораГОСТ 27.002—89 «Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения» 3.Дефекты, повреждения, отказы. Наработка на отказ — величина, (время или объём работы) принятая для измерения продолжительности работы аппаратурыГОСТ 27.002—89 «Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения» 4.Временные понятия. Ресурс — наработка от начала эксплуатации до наступления предельного состояния. Срок службы — календарная продолжительность от начала эксплуатации до наступления предельного состояния. Отказоустойчивость — свойство технической системы сохранять свою работоспособность после отказа одной или нескольких её составных частей. Отказобезопасность — свойство технической системы при отказе некоторых её составных частей переходить в режим работы, не представляющий опасности для людей, окружающей среды или имущества.
Надёжность с точки зрения науки Надёжность как наука развивается в трёх направлениях: Математическая теория надёжности занимается разработкой методов оценки надёжности и изучением закономерностей отказов. Статистическая теория надёжности занимается сбором, хранением и обработкой статистических данных об отказах. Физическая теория надёжности изучает физико-химические процессы, происходящие в объекте при различных воздействиях.
Теория надёжности
Базовые принципы Теория надёжности является основой инженерной практики в области надёжности технических изделий. Часто безотказность определяют как вероятность того, что изделие будет выполнять свои функции на определённом периоде времени при заданных условиях. Математически это можно записать следующим образом: , где — функция плотности времени наработки до отказа, а — продолжительность периода времени функционирования изделия, в предположении, что изделие начинает работать в момент времени .
Теория надёжности предполагает следующие четыре основных допущения: Отказ рассматривается как случайное событие. Причины отказов, соотношения между отказами (за исключением того, что вероятность отказа есть функция времени) задаются функцией распределения. Инженерный подход к надёжности рассматривает вероятность безотказной работы как оценку на определённом статистическом доверительном уровне. Надёжность системы тесно связана с понятием «заданная функция системы». В основном, рассматривается режим работы без отказов. Однако, если в отдельных частях системы нет отказов, но система в целом не выполняет заданных функций, то это относится к техническим требованиям к системе, а не к показателям надёжности. Надёжность системы может рассматриваться на определённом отрезке времени. На практике это означает, что система имеет шанс (вероятность) функционировать это время без отказов. Характеристики (показатели) надёжности гарантируют, что компоненты и материалы будут соответствовать требованиям на заданном отрезке времени. Поэтому иногда надёжность в широком смысле слова означает свойство «гарантоспособности». В общем случае надёжность относится к понятию «наработка», которое в зависимости от назначения системы и условий её применения определяет продолжительность или объём работы. Наработка может быть как непрерывной величиной (продолжительность работы в часах, километраж пробега в милях или километрах и т. п.), так и целочисленной величиной (число рабочих циклов, запусков, выстрелов оружия и т. п.). Согласно определению, надёжность рассматривается относительно заданных режимов и условий применения. Это ограничение необходимо, так как невозможно создать систему, которая способна работать в любых условиях. Внешние условия функционирования системы должны быть известны на этапе проектирования. Например, Марсоход создавался совершенно для других условий эксплуатации, чем семейный автомобиль.
Нормирование надёжности Для любой системы одной из первых инженерных задач надёжности является адекватное нормирование показателей надёжности, например, в терминах требуемой готовности. Нормирование надёжности — это установление в проектной или иной документации количественных и качественных требований к надёжности. Требования по надёжности относятся как к самой системе и её составным частям, так и к планам испытаний, к точности и достоверности исходных данных, формулированию критериев отказов, повреждений и предельных состояний, к методам контроля надёжности на всех этапах жизненного цикла изделия. Например, требования по ремонтопригодности могут включать в себя показатели стоимости и времени восстановления. Оценивание эффективности процессов технического обслуживания и ремонта является частью процесса FRACAS (failure reporting, analysis and corrective action system — система отчётов об отказах, анализа и коррекции действий).
Параметры системной надёжности При анализе параметров системной надёжности учитывается структура системы, состав и взаимодействие входящих в неё элементов, возможность перестройки структуры и алгоритмов её функционирования при отказах отдельных элементов.
Наиболее часто в инженерной практике рассматривают последовательное, параллельное, смешанное (последовательно-параллельное и параллельно-последовательное) соединение элементов, а также схемы типа «K из N», мостиковые соединения.
По возможности восстановления и обслуживания системы подразделяются на восстанавливаемые и невосстанавливаемые, обслуживаемые и необслуживаемые. По режиму применения (функционирования) — на системы непрерывного, многократного (циклического) и однократного применения.
В основном, в качестве параметра надёжности используется среднее время до отказа (MTTF), которое может быть определено через интенсивность отказов или через число отказов на заданном отрезке времени. Интенсивность отказов математически определяется как условная плотность вероятности возникновения отказа изделия при условии, что до рассматриваемого момента времени отказ не произошёл. При увеличении интенсивности отказов среднее время до отказа уменьшается, надёжность изделия падает. Обычно среднее время до отказа измеряется в часах, но также может выражаться в таких единицах, как циклы и мили.
В других случаях надёжность может выражаться через вероятность выполнения задачи. Например, надёжность полётов гражданской авиации может быть безразмерной, или иметь размерность в процентах, как это делается в практике системной безопасности. В отдельных случаях успешным результатом системы может являться единоразовое срабатывание. Это актуально для систем, которые рассчитаны на срабатывание всего 1 раз: например, подушки безопасности в автомобиле. В этом случае задаётся вероятность срабатывания или, как, например, для ракет, вероятность попадания в цель. Для таких систем мерой надёжности является вероятность срабатывания. Для восстанавливаемых систем может задаваться такой параметр, как среднее время восстановления (ремонта) и время проверки (тестирования). Часто параметры надёжности задаются в виде соответствующих статистических доверительных интервалов.
Моделирование надёжности Моделирование надёжности — это процесс прогнозирования или исследования надёжности системы и её составных частей до ввода в эксплуатацию. Наиболее часто для моделирования надёжности систем используются методы анализа деревьев отказов и структурных схем надёжности. Входные параметры модели надёжности системы могут быть получены из разных источников (справочников, отчётов об испытаниях и эксплуатации и т. п.). В любом случае, данные должны быть использованы с осторожностью, так как прогнозы верны только при получении данных при тех же условиях, при которых составные части будут применяться в составе системе.
Часть данных может быть получена по результатам двух видов исследований : анализа физики отказов, при котором исследуются механизмы возникновения отказов, например, механизм усталостного разрушения или деградации от химической коррозии; анализа результатов стресс-испытаний, эмпирического метода, при котором подсчитывается число компонентов системы, отказавших при разных уровнях внешнего воздействия. Для систем, в которых точно можно определить время отказа (что не дано для систем с плавающими параметрами), может быть определена эмпирическая функция распределения времени отказа. Это делается чаще всего при проведении испытаний с повышенным уровнем стресса (ускоренные испытания). Эти испытания делятся на две основные категории: определение распределения отказов ранней стадии эксплуатации при наблюдении снижающейся интенсивности отказов, что является первой частью ваннообразной кривой интенсивности отказов. Здесь обычно используют умеренный уровень нагрузок. Они прикладываются на ограниченном отрезке времени, который называют временем цензурирования. Именно поэтому здесь определяется только часть функции распределения. безотказовые наблюдения (нулевые эксперименты), которые дают возможность получить лишь ограниченную информацию о распределении отказов. В этом случае испытания проводятся на коротком отрезке времени на малой по объёму выборке, что позволяет получить только верхнюю границу оценки интенсивности отказов. Во всяком случае, это удобно для заказчика.
Для исследования средней части распределения, которая чаще всего определяется свойствами материалов, необходимо применять повышенные нагрузки на достаточно малом отрезке времени. В таких видах ускоренных испытаний применяются несколько степеней нагрузки. Часто эмпирическое распределение этих отказов параметризируется распределением Вейбулла или логнормальным распределением.