Вероятностная и физико-химическая природа отказа технических изделий

Физико-химическая природа отказа технических изделий сложна, многофакторна и выявляется только при их эксплуатации или по результатам сложных, трудоёмких и дорогих испытаний [3,5,8] .

В наиболее общей постановке отказы, не связанные с нарушением конструкторской, технологической и эксплуатационной документации определяются:

1. Неполнотой и не в должной мере обоснованностью документации на изготовление и контроль изделия и его составных частей с позиции надежности.

2. Стохастической природой технологических процессов, приводящих к рассеиванию значений технических показателей одинаковых изделий, изготавливаемых в одинаковых условиях.

3. С практической недостаточностью физических и математических моделей прогноза времени отказа изделий или их составных частей в зависимости от конкретных условий эксплуатации.

4. Стохастической природой внешних воздействий на изделие и его составные части.

В связи с этим при испытаниях любой партии деталей, изготовленных из одной плавки по одной технологии, всегда наблюдается разброс значений в измеренных характеристиках. Так, коэффициент вариации (отношение стандартного отклонения параметра к значению его математического ожидания) предела прочности специальных образцов из сталей достигает 0,07, коэффициент вариации предела выносливости образцов достигает 0,15, а коэффициент вариации интенсивности изнашивания может достигать 0,2. Значения же коэффициентов вариации этих же величин для деталей изделия могут быть существенно больше [1-3,5,7,10,11]. Поэтому, проводя расчет специального образца или детали изделия на предельные характеристики по какому-нибудь параметру возникает вопрос: какое значение предела прочности (предела усталости, интенсивности изнашивания и т.д.) необходимо подставить в расчет? Если мы подставляем наименьшее возможное, то это заведомо приводит к снижению эффективности изделия. Подстановка же максимального значения будет приводить к слишком частому возникновению поломок. Реальное же значение рассматриваемой характеристики для выбранной детали неизвестно. Его можно получить только после её испытания, но при этом деталь уже будет непригодна для эксплуатации в составе изделия.

Правильный ответ на такой вопрос может быть сформулирован только в вероятностном аспекте - подставляя выбранное значение параметра в расчет, необходимо указать или рассчитать вероятность возникновения отказа для этого значения параметра.

Аналогичная ситуация возникает при испытании самих изделий - отказы одинаково изготовленных изделий и испытываемых в одинаковых условиях также возникают через различные промежутки времени. В этом случае также возникает вопрос: какой ресурс назначить для этого изделия? Ответ на этот вопрос совпадает с ответом в предыдущем случае. Таким образом, анализ надежности изделия должен проводиться с учетом вероятностной природы обеспечения требуемого уровня характеристик материалов, изготовленных из них деталей и изделия в целом. При этом необходимо иметь в виду, что реально эксплуатируемое изделие находится под воздействием внешних нагрузок, значения которых также имеют разброс. Не менее важное влияние на параметры надежности и их дисперсию оказывают внутренние физико-химические процессы, протекающие при работе самого изделия [1-3,5,12,13].

В связи с этим для обеспечения безотказности эксплуатации изделий важнейшее значение приобретают контрольные и испытательные регламенты на стадии изготовления, как отдельных деталей, так и всего изделия в целом. Обоснование этих регламентов (какие параметры контролировать, какими методами, на каких объёмах выборки и т.д.) с необходимостью получения достоверной, оперативной и обоснованной трудоёмкой информации также определяется физико-химической и вероятностной природой отказа.

1.3 Основные разделы и задачи прикладной научной дисциплины о надежности изделия

Важнейшая роль надежности в обеспечении эффективности изделий, а также её методологические особенности привели к выделению надежности в самостоятельную прикладную научную дисциплину. Наука о надежности изучает закономерности изменения показателей качества изделий и на основании этого разрабатывает методы анализа и обеспечения показателей надежности при проектировании, изготовлении, испытании и эксплуатации изделий [1-3,6-8,11-14].

В связи со спецификой различных видов технических изделий в науке о надежности есть самостоятельные направления, определяемые видом изделия. В этих направлениях много общего, но есть и отличия, связанные в основном с технологическими и конструктивными методами обеспечения надежности конкретных видов изделий.

Перед наукой о надежности стоят следующие основные задачи:

1. Установление источников информации об изменении показателей надежности.

2. Разработка методов диагностики и контроля изменения показателей качества.

3. Исследование физико-химических закономерностей, приводящих к изменению показателей качества.

4. Разработка математических методов расчета, прогнозирования и подтверждения значений показателей качества по результатам испытаний.

5. Разработка технических рекомендаций, конструктивных и технологических методов и организационных мероприятий, обеспечивающих достижение заданного уровня надежности изделий на стадиях их разработки, производства и эксплуатации.

Как любая наука, надежность в своем развитии и становлении прошла сложный диалектический путь. На начальном этапе надежность развивалась по двум самостоятельным направлениям. Первое направление возникло в технологии машиностроения на основе изучения физико-химической природы изменения свойств материалов (усталости, старения, износа, деградации, коррозии и т.д.) при внешних (эксплуатационных и технологических) воздействиях. Это направление в настоящее время получило название "Физика отказов" [1-3,5,10-13].

Второе направление возникло в радиотехнике на основе разработки математических методов оценки показателей надежности сложных систем со статистической обработкой эксплуатационной информации методами теории вероятностей. Это направление заложило основы второго раздела науки о надежности - математической теории надежности [3,8].

Математическая теория надежности разрабатывает математические модели надежности технических систем и прогнозирует поведение таких систем методами теории вероятности и математической статистики. Физика отказов разрабатывает физические и математические модели изменения свойств материалов в результате внешних воздействий. Результаты этих двух разделов служат исходными данными для проектирования, расчета, испытаний и контроля изделий на надежность, а также для разработки технологий производства изделий с нужным уровнем надежности и качества.

1.4 Контрольные вопросы по разделу 1

1. Эффективность изделия.

2. Качество изделия.

3. Надежность. Определение.

4. Какими свойствами характеризуется свойство надежности изделия?

5. Почему надежность является фундаментальным свойством изделия?

6.Суть вероятностной природы показателей качества и надежности и корректная постановка вопроса об определении точности этих показателей.

7. Надежность как прикладная научная дисциплина. Определение.

8. Объекты исследования науки о надежности.

9. Предмет исследования науки о надежности.

10. Основные задачи прикладной научной дисциплины о надежности изделия.

11. Задачи математической теории надежности.

12. Задачи физики отказов.