Роль надежности в обеспечении эффективности изделий

ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЁЖНОСТИ ТЕХНИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ СПОСОБАМИ

Самара 2013

Содержание

ВВЕДЕНИЕ. 4

1 НАДЕЖНОСТЬ, КАК ПРИКЛАДНАЯ НАУЧНАЯ ДИСЦИПЛИНА И ЕЁ ЗАДАЧИ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ КАЧЕСТВА ИЗДЕЛИЙ.. 5

1.1 Роль надежности в обеспечении эффективности изделий. 5

1.2 Вероятностная и физико-химическая природа отказа технических изделий 7

1.3 Основные разделы и задачи прикладной научной дисциплины о надежности изделия. 9

1.4 Контрольные вопросы по разделу 1. 10

2 ЭТАПЫ ФОРМИРОВАНИЯ НАДЕЖНОСТИ ИЗДЕЛИЙ.. 12

Контрольные вопросы к разделу 2. 19

3 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ 20

3.1 События, состояния и показатели. 20

3.2 Отказы технических изделий и их классификация. 23

3.3 Функция распределения вероятности случайных событий и отказов. Числовые характеристики функции распределения. 25

3.4 Безотказность, долговечность, сохраняемость и ремонтопригодность. Единичные и комплексные показатели надежности. 29

3.5 Контрольные вопросы к разделу 3. 34

4 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ НАДЕЖНОСТИ.. 36

4.1 Моделирование надежности изделий. 36

4.2 Этапы функционирования изделия. Экспоненциальный закон и закон Вейбулла распределения вероятности отказа изделий. 37

4.3 Нормальный закон распределения вероятностей случайных величин 41

4.4 Дискретные распределения вероятностей случайных величин. 45

4.5 Моделирование сложных технических систем прямым аналитическим методом 48

4.6 Моделирование сложных технических систем методом структурных схем 48

4.7 Повышение надежности изделий и технологических систем их производства резервированием. 51

4.8 Контрольные вопросы к разделу 4. 55

5 ВЫБОР ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ ТЕХНИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ 57

5.1 Общая схема обоснования выбора показателей надежности. 57

5.2 Основы параметрической теории надежности. Вероятность выполнения задания по параметру качества. 58

5.3 Роль дисперсии случайных величин в обеспечении заданной вероятности безотказной работы изделия. 59

5.4 Контрольные вопросы к разделу 5. 61

6 ОРГАНИЗАЦИЯ ИСПЫТАНИЙ И КОНТРОЛЯ.. 63

Контрольные вопросы к разделу 6. 64

7 ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ИЗДЕЛИЙ.. 65

7.1 Общая схема взаимосвязи параметров технологического процесса с показателями надежности. 65

7.2 Взаимосвязь показателей надежности изделий с его эксплуатационными показателями. Общие требования к технологической системе производства. 67

7.3 Взаимосвязь эксплуатационных показателей с показателями качества сборочных единиц и общие требования к технологическим операциям. 70

7.4 Влияние качества технологической системы производства на выпуск бездефектной продукции. 74

7.5 Основные причины отказов, связанные с технологией изготовления изделий 79

7.6 Основные понятия о технологических системах и методах оценки их надежности. 88

7.7 Оценка надежности выполнения задания технологической системой по параметрам качества продукции. 92

7.8 Контрольные вопросы к разделу 7. 97

8 ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ИЗДЕЛИЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ ИХ ПРОИЗВОДСТВА, ИСПЫТАНИЯ И КОНТРОЛЯ.. 99

Контрольные вопросы к разделу 8. 106

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.. 107

ВВЕДЕНИЕ

Одними из основных показателей, характеризующих качество современных изделий, являются показатели надежности. В настоящее время в связи со своей многоплановостью и важностью наука о надежности определилась как самостоятельная отрасль знаний. Она изучает закономерности изменения показателей качества технических устройств и на основании этого разрабатывает методы, обеспечивающие с наименьшими затратами времени и средств необходимую продолжительность и безотказность их работы. Основными разделами науки о надежности являются: теория физико-химического старения (физика отказов), математическая теория надежности, методы конструирования и расчетов на надежность, технологические методы обеспечения надежности, экономика надежности изделий и др.

Пособие содержит современный учебно-методический материал по теоретическим основам теории надёжности и использованию этих представлений в технологическом обеспечении надежности изделий на стадии их производства. Значительный объём пособия посвящён технологическим методам и способам повышения надёжности изделий и связи технологических подходов с одним из основных показателей надёжности - вероятности безотказной работы и вероятности выполнения задания технологической системой по параметрам качества.

Учебное пособие содержит материал в соответствии с учебными дисциплинами «Технологические методы обеспечения надежности», «Обеспечение надежности технологическими способами» и «Теория надёжности». Каждая глава учебного пособия содержит материал, достаточный для самостоятельного изучения этого раздела и имеет контрольные вопросы для самоконтроля.

При этом в отличие от существующего методического материала по этому вопросу в данном пособии с единых позиций рассматривается надежность изделий, надежность технологических систем и влияние технологии на формирование показателей надежности.

1 Надежность, как прикладная научная дисциплина и её задачи по обеспечению качества ИЗДЕЛИЙ

Роль надежности в обеспечении эффективности изделий

Основной характеристикой любого технического изделия (самолета, космического аппарата, ракеты-носителя, технологического оборудования и т.д.) является его эффективность [1-8]. Под эффективностью понимают свойство изделия соответствовать своему назначению. Эффективность определяется качеством изделия, условиями и режимами его эксплуатации, которые регламентируются в нормативно-технической документации (НТД). Качество изделия определяется не всеми его свойствами, а только той совокупностью его свойств, которые обуславливают пригодность изделия для удовлетворения определенных потребностей в соответствии с его назначением. В зависимости от вида изделия и его назначения совокупность его свойств, определяющих качество изделия, может существенно изменяться. Однако абсолютно для всех изделий в эту совокупность свойств входит такое свойство изделия, как надежность.

Надежностьюназывается свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортировки.

Надежность является комплексным свойством, состоящим из следующей совокупности свойств: безотказность, долговечность, сохраняемость и ремонтопригодность. В зависимости от вида изделия каждая из этих составляющих имеет различную относительную значимость.

Хотя надежность является только одним из свойств качества, тем не менее именно она в абсолютном большинстве случаев определяет эффективность (в том числе экономическую и тактико-техническую) и безопасность использования изделия. Так, из-за недостаточной надежности изделий стоимость затрат на их ремонты и техническое обслуживание может в несколько раз превышать стоимость нового изделия. Существенное недоиспользование потенциальных возможностей изделий имеет место при завышении требований к их безотказности, так как в этом случае изделия снимаются с эксплуатации при меньших сроках службы. Существуют и такие последствия ненадежности изделий, которые нельзя оценить никакими экономическими и техническими показателями - гибель людей, лётные происшествия и экологические катастрофы. Самолётостроение характеризуется непрерывным ростом не только летно-технических и экономических показателей, но и в значительной мере показателей надежности. Вместе с тем, по имеющейся статистике за послевоенный период времени по 2002 г. имеются данные об отказах в 6000 самолётов, которые проанализированы в литературе (например, Findlay S.J. and Harrison N.D. Why aircraft// Material Stoday 2002.Nov. P.18). В таблице 1 отобраны только те случаи, которые связаны с повреждениями металлических деталей самолёта.

Таблица 1 - Физико-химические причины отказа металлических деталей в самолёте

Из приведённых данных следует, что двумя главными физико-химическими причинами этих летных происшествий являются различные виды усталости и коррозии.

В последние годы в развитие вопросов обеспечения надёжности сложных технических систем (изделия боевой техники, атомные реакторы космические аппараты и т.д.) всё более широко вводится понятие обеспечения их живучести [4,9]. Свойство живучести изделий вводится как более общее по сравнению с надёжностью поскольку предусматривает способность системы обеспечивать или даже восстанавливать свою работоспособность при воздействии возмущающих неблагоприятных факторов или возникновении нештатных ситуаций, выходящих за пределы нормированных в нормативно-технической документации условий применения изделия по назначению, в то время как надёжность по определению рассматривается при заданных режимах и условиях использования, обслуживания, хранения и транспортировки. Самыми наглядными примерами различия этих понятий являются техногенная катастрофа на атомных реакторах в г. Факусима (Япония), авиационная катастрофа Як-42 в г.Ярославль, связанная с возможностью разгона самолёта при ошибочном включении его торможения и т.д. В этих случаях высокая надёжность системы не обеспечивает возможность возникновения катастрофических последствий. Следовательно, свойство живучести должно предусматривать возможность системы противостоять таким ситуациям, в том числе, за счёт невозможности возникновения таких ситуаций в технологической системе или, при их возникновении, самоадаптации системы за счёт внутренних ресурсов и её перехода к нормированным режимам применения.

Надо отметить, что хотя определённые элементы обеспечения живучести летательных аппаратов реализованы в различных изделиях (резервированием, автоматическим или адаптивным управлением или, например, установкой стабилизатора в посадочное положение при отказах основной и резервной системы его управления и т.д. [3,5,7,9]) тем не менее статистика лётных происшествий показывает необходимость нормативного использования этого понятия в разработке и производстве авиационной и космической техники.

Проблема надежности изделий, особенно, таких высокоответственных как летательные аппараты, в настоящее время всеми общепризнана, и на обеспечение надежности новых изделий вкладываются суммы, достигающие 80...90% всех затрат по техническому проекту, а сроки запуска изделия в серийное производство из-за его доводки до заданных значений показателей надежности могут возрастать в 3-5 раз и более [1,2,5-7].

Современный этап развития производства авиационных изделий в соответствии с идеологией CALS(ИПИ) – технологий уже позволяет значительно сократить сроки запуска изделий в серийное производство за счет сокращения сроков проектирования и конструирования изделий, а также сокращения сроков технологической подготовки производства их изготовления. Однако, современный уровень электронного моделирования технологий изготовления пока не позволяет в большинстве случаев гарантировать заданный уровень показателей надежности вновь разрабатываемых и изготавливаемых изделий. В связи с этим требуется чёткое понимание необходимости проведения опережающих исследований на надежность деталей, узлов и агрегатов для включения полученной информации в электронную документацию при переводе электронных моделей изделий в технологическую документацию их изготовления.