Содержание
1. Введение……………………………………………………………..2
2. Теории надежности…………………………………………………4
3. Подходы к изучению надежности…………………………………7
— Вероятностно-статистический подход……………………………………7
— Детерминированный подход………………………………………………9
4. Вывод……………………………………………………………….13
5. Список использованных источников…………………………….14
Введение
Описывая какой-нибудь технический объект или техническую систему, будь то ручной инструмент, часы, станок, машина, ракета, компьютер, реактор и т. п., и, говоря о его надежности, чаще всего понимают её как характеристику качества. То есть значит, что надежность – это одна из составных частей качества любой технической системы.
Под качеством объекта понимают совокупность свойств, которые определяют степень его пригодности для использования по назначению.
Но, хотя надежность – обязательное свойство какого-нибудь изделия, при этом сама по себе надежность еще не означает высокое качество изделия. Машина может быть очень надежная, но иметь достаточно низкие технические характеристики.
С другой стороны, если машина не имеет нужной надежности, то все ее технические данные и остальные показателей теряют свое практическое значение, потому что они не могут быть использованы.
Таким образом, можно сказать, что надежность является особенным, самым главным свойством технических изделий, которое определяет их качество.
При этом программа прогнозирования, нормирования и обеспечения надежности возникает в машиностроении, энергетике, строительстве, на транспорте и т. п.
Наука о надежности технических устройств является одной из самых молодых и бурно развивающихся прикладных инженерных наук, хотя проблема, являющаяся предметом этой науки, — проблема надежности — одна из самых древних. Вопросами обеспечения надежности человек занимается с момента создания первого орудия труда (охоты), с первых шагов стояла задача сделать техническое устройство таким, чтобы оно работало надёжно.
В самостоятельную науку теория надежности выделилась совсем недавно — в начале научно-технической революции, т. е. в середине XX в. Этот период ознаменовалась новым качественным скачком в развитии техники – широким распространением больших и малых автоматизированных систем управления (АСУ) различного назначения. Создание и использование такой техники без специальных мер по обеспечению её надёжности не имеет смысла. Впервые с проблемой надежности автоматизированных систем столкнулись ученые фашистской Германии создавшие первый в своем роде непилотируемый самолет – крылатую ракету V-1 (Фау-1).
Следовательно, зародившись в области военной техники, наука о надежности стала актуализировать себя в других областях науки и техники, которые все больше чувствовали дефицит прикладных и теоретических знаний о надежности – энергетика, кибернетика, космическая техника, механизация и автоматизация всех отраслей производства.
Теории надежности
Как прикладная отрасль знаний наука о надежности должна базироваться на фундаментальных математических и естественных науках. Здесь используются теория вероятностей, физико-химическая механика, в том числе теория трения и изнашивания, разделы динамики и прочности машин, привлекаются идеи автоматической регуляции и кибернетики, развиваются положение теории технологических процессов и диагностики.
Можно выделить такие Основные направления развития теории надёжности:
1. Развитие математических основ теории надёжности. Обобщение статистических материалов об отказах и разработка рекомендаций по повышению надёжности объектов вызвали необходимость определять математические закономерности, которым подчиняются отказы, а также разрабатывать методы количественного измерения надёжности и инженерные расчёты её показателей. В результате сформировалась Математическая теория надёжности.
2. Развитие методов сбора и обработки статистических данных о надёжности. Обработка статистических материалов в области надёжности потребовала развития существующих методов и привела к накоплению большой статистической информации о надёжности. Возникли статистические характеристики надёжности и закономерности отказов. Работы в этом направлении послужили основой формирования Статистической теории надёжности.
3. Развитие физической теории надёжности. Наука о надёжности не могла и не может развиваться без исследования физико-химических процессов. Поэтому большое внимание уделяется изучению физических причин отказов, влиянию старения и прочности материалов на надёжность, разнообразных внешних и внутренних воздействий на работоспособность объектов. Совокупность работ в области исследования физико-химических процессов, обуславливающих надёжность объектов, послужила основой Физической теории надёжности.
Существующее здание науки о надежности создавалось мировым сообществом, в основном, по чертежам второй половины двадцатого столетия.
Возводилось оно общими усилиями ученых медленно и трудно. Его создатели (математики, физики, материаловеды, механики и др.) очень часто не слышали или не понимали друг друга. Каждая группа специалистов закладывала в фундамент будущего здания науки о надежности свой обособленный, краеугольный камень. И эти камни, а иногда и целые блоки научных разработок не стыковались между собой.
Так случилось, что к тому времени, когда зарождалась наука о надежности, была достаточно хорошо разработана теория вероятности и математической статистики. Теория вероятности позволяла на большом статистическом материале с определенной степенью достоверности предсказывать наступление того или иного события. При этом «всеядность» этой теории позволяла предсказывать любые события – наступление жары или холода в определенные времена года, возникновение пожара в той или иной ситуации, возникновение аварий или катастроф, прогнозировать вспышки массовых инфекционных болезней, деторождаемость, численность разводов и браков, оценить вероятность наступления отказа и др.
Данное обстоятельство предрекло развитие науки о надежности вплоть до нынешнего времени. Это значит, что существующая методология теоретических исследований в области надежности, базируется на Математическом Методе исследований, Опирающемся на статистический материал и теорию вероятности.
Математические методы теории надежности получили достаточно широкое развитие и предоставляют инженеру широкие возможности для решения разнообразных заданий на практике. Так, на основе теории вероятностей и математической статистики, а также смежных с ними дисциплин, созданны и разрабатываются специальные методы расчета, которые связаны с основными аспектами проблемы надежности изделий.
Однако, уже на исходе 20-го столетия, все чаще стали подниматься вопросы о несостоятельности и бесплодности данной методологии, поскольку она не строится на реальных фактах и причинах, влияющих на надежность и безотказность машин, а использует в теории лишь сам Факт отказа и базируется на устаревшей терминологии. Академик В. Гнеденко справедливо отмечал, что математика является лишь средством исследования и расчета, это – инструмент, эффективность использования которого зависит от степени соответствия его возможностей поставленному заданию, он должен учитывать специфику возникновения и устранения отказов.
Критики математической теории приводят сложнооспоримые доводы того, что современная методология теоретических исследований в области надежности должна опираться на экспериментальные результаты и методы исследований (включающие физические и химические), практический опыт, затем физико-математический метод, обобщающий результаты двух предыдущих способов. А так же на Диалектический метод, который строго учитывает последовательность причинно-следственных связей и постепенность развития процессов.
Подходы к изучению надежности
Теоретический анализ явлений, процессов и функционирования технических систем и объектов основан на выборе определенных моделей или расчетных схем. При этом выделяют существенные факторы и отбрасывают несущественные, второстепенные.
Возможны два подхода к анализу:
— Детерминированный (причинно-следственный, диалектический)
— Схоластический (вероятностный, статистический)
При Детерминированном подходе все факторы, влияющие на поведение модели, считают вполне определенными. С помощью детерминированных методов можно проанализировать только те данные, которые имеются в распоряжении исследователя. Однако выводы, основанные на детерминистических моделях, могут расходиться с различными опытными наблюдениями, потому что поведение реальных систем в той или иной мере носит неоднозначный, случайный характер.
Схоластический подход К анализу явлений, в отличие от детерминистического подхода, учитывает случайные факторы и дает предсказания, содержащие вероятностные оценки.
Вероятностно-статистический подход
Первые шаги в области исследований надежности были связаны со сбором статистических данных о надежности радиоэлементов, а все усилия специалистов были направлены на определение причин ненадежности. Следующими шагами стали: развитие физической надежности (физики отказов) и развитие математических основ теории надежности, явившихся обязательным атрибутом разработки и проектирования сложных и ответственных технических систем.
Зависимость надежности машин от разных вероятностных факторов приводит к тому, что появление отказов машин имеет случайный характер. Но оценка надежности объекта с помощью математических методов на основании обобщения накопленной статистической информации о работе машин при реальных условиях эксплуатации дает возможность выявить вероятностные закономерности и соотношения между случайными функциями, которые по-разному влияют на показатели надежности машин.
Методы описания технических систем и обеспечения на их основе вероятностных выводов дает математическая дисциплина – теория вероятностей, в основе которой лежит понятие случайного события. Основными методами данной науки является опыт, наблюдение, эксперимент.
Применение вероятностных методов для решения проблем надежности встречает существенные технические и психологические трудности, особенно по отношению к надежности уникальных систем и малосерийных объектов.
Теория вероятности в значительной степени базируется на статистическом истолковании теории вероятности, применимой только к массовым событиям.
Существуют Два основных Этапа Анализа надежности технических систем, реализуемых Методами математической статистики по результатам наблюдений (ограниченного объема). При этом чаще всего предполагают, что результаты наблюдений являются случайными величинами, которые подчиняются определенному закону распределения с неизвестными параметрами.
Первый этап называется Априорным анализом Надежности и обычно проводится на стадии проектирования технических систем (ТС). Этот анализ – априори предполагает известными количественные характеристики надежности всех используемых элементов системы. Для элементов (особенно новых), у которых еще нет достаточных количественных характеристик надежности, их задают по аналогии с характеристиками применяющихся аналогичных элементов.
Таким образом, Априорный анализ базируется на априорных (вероятностных) характеристиках надежности, которые лишь приблизительно отражают действительные процессы в аппаратуре ТС.
Тем не менее, этот анализ позволяет на стадии проектирования выявить слабые с точки зрения надежности места в конструкции, принять необходимые меры к их устранению, а так же отвернуть неудовлетворительные варианты построения ТС. Поэтому априорный анализ (или расчет) надежности имеет существенное значение в практике проектирования ТС и составляет неотъемлемую часть технических проектов.
Второй этап называется Апостериорным анализом надежности. Его проводят на основании статистической обработки экспериментальных данных о работоспособности и восстанавливаемости ТС, полученных в процессе их отработки, испытаний и эксплуатации. Целью таких испытаний является получение оценок показателей надежности ТС и ее элементов.
Методология математической теории надежности опирается на морально устаревшую терминологию и не использует в своих расчетах (теории) богатый экспериментальный (физический) материал и результаты практического опыта. В основу этой методологии положены математические методы исследования, базирующиеся на результатах отказов техники без учета причин их вызывающих. При этом данная теория вытекает из следующего методологического построения:
На основе экспериментального материала от науки и практической деятельностью человека (опыта), создается цикл научных разработок по управлению производством → С учетом накопленного производственного опыта и научных данных, создается реальное производство, которое и выпускает различного рода машины → Произведенные машины вступают в эксплуатацию и в процессе работы по мере физического износа могут в различные промежутки времени находиться в состоянии отказа или безотказности.
В свою очередь, существующая наука о надежности саму Безотказность трактует как физическую надежность машин, считая, что надежность – это и есть их безотказность. С другой стороны, Математическая теория Надежности, положившая в качестве основного своего постулата Надежность — это безотказность, построила Весь свой математический аппарат и Методологию Не на безотказности, а На отказе, на предсказании вероятности наступления отказа с помощью теории вероятности, Использующей богатый статистический материал.
Детерминированный подход
Существующие модели, основанные на вероятностном подходе, далеки от практики производства. При этом многие ученые начинают понимать, что существующая математическая теория надежности, которая активно развивалась 45 лет во всех странах мира, оказалась не способной активно влиять на процесс повышения надежности, качества изделия на стадии проектирования и изготовления. Она только может оценить уже готовый результат конструкторской и технологической деятельности путем вероятностно-статистической обработки отказов эксплуатируемой техники.
Большинство из них сходятся во мнении, что В основе исследований должна быть инженерная проблема, и для ее решения следует привлекать научный аппарат, который больше всего отвечает природе изделия, которое изучается.
Главным является изучение тех процессов, которые приводят к изменению начальных показателей качества машин и их элементов. Эти процессы, подчиняясь определенным физическим закономерностям, имеют Стохастическую природу, вступают в разнообразные взаимодействия и выявляют сложную связь с изменением исходных параметров изделия.
Любая техническая система или технический объект, выполняя определенные функции, находится во взаимодействии и со средой, и с человеком, который руководит либо тем, либо иным. При этом Возникают разнообразные причинно-следственные связи как форма выявления общей универсальной связи явлений в природе. Накопление качества разнообразного действия на машину приводит к эволюции ее качественных показателей и, согласно с Законами диалектики, к возможности перехода в другое качественное состояние. Поэтому изменения, которые происходят в машине во время ее эксплуатации, являются закономерным проявлением важного неотъемлемого свойства всех материальных объектов движения в его философском понимании, потому что ничего неизменного в природе нет.
Диалектический метод, который строго учитывает последовательность причинно-следственных связей и постепенность развития процессов, и взят в основу физической теории надежности.
Многочисленные исследования как у нас в стране, так и за рубежом, говорят о том, что В основе обеспечения надежности лежат физико-химические процессы, протекающие в материалах на стадии изготовления и последующей их эксплуатации в узлах и агрегатах различного рода машин и сооружений. Следовательно, Надежность является физической категорией познания различного рода механизмов и систем и должна подчиняться физическим законам. Поскольку все физические явления в природе описываются физическими теориями, на базе которых затем строятся математические модели, то и надежность как процесс потери или сохранения работоспособности объекта за счет изменения внутреннего состояния материалов должна описываться физической теорией, а затем уже возможно создание на её основе математической теории.
На снижение надежности машин при их изготовлении, а затем и поддержания этой надежности на достаточном уровне в период эксплуатации, огромное влияние оказывают процессы старения, усталости и разрушения металлов и сплавов.
Успешное решение этих задач лежит, во-первых, в разработке новой технологии, методологии, физической теории старения, усталости и разрушения материалов взамен морально устаревшей. Во-вторых, в обобщении разрозненных экспериментальных данных по механизму старения и усталости с целью создания общей физической теории «старения-усталости-разрушения» различного рода материалов от начала их изготовления до полного разрушения. А затем поиск и разработка новых технологий изготовления деталей, снижающих уровень старения и усталости материалов на стадии их обработки.
Методологическое построение физической теории надежности следующее:
На основе богатого научного и практического опыта создается наука по управлению производством, включающая в себя управление надежностью и качеством. (В свою очередь наука об управлении надежностью и качеством базируется на вновь созданной физической теории надежности и качества) → С учетом накопленного практического опыта и научных разработок по теории управления создается реальное производство. (Созданные в процессе производства машины, вступая в эксплуатацию, обладают определенной надежностью, которая в начальный момент времени является максимальной) → В процессе всех видов старения и износа машины могут переходить из состояния надежности в состояние отказа или безотказности. (Поскольку в физической теории Надежность трактуется как Сохраняемость исходных свойств объекта в пределах, необходимых и достаточных для обеспечения его работоспособности, То состояние отказа или безотказности будет определяться только величиной этих исходных свойств) → Достаточность или недостаточность этил свойств и причины их убывания изучаются и анализируется → Получаемые данные используются для корреляции физической теории надежности и построения экспериментальных исследований. (А это в свою очередь к уточнению общей науки по управлению производством, надежностью и качеством).
Вывод
Уже само «разветвление» науки о надежности на два направления, а соответственно и два подхода к изучению проблемы надежности, говорит о тупиковости дальнейшего развития данной науки без коренного изменения ситуации. Основным препятствием к развитию математической теории является то, что ее методология строится не на реальных фактах и причинах, влияющих на надежность и безотказность машин, а использует лишь сам факт отказа и базируется на устаревшей терминологии.
Следовательно, на смену разрозненному подходу в изучении надежности и качества, включающего в себя отдельно терминологию, теорию, физику процессов старения, усталости и разрушения должен прийти Системный подход. Только комплекс изучаемых и тесно связанных между собой вопросов может дать полную и достоверную картину исследуемого явления. Этот комплекс должен включать в себя Методологию, на её основе созданную Терминологию, затем Банк данных о физике процессов, протекающих в материалах в различных условиях, Теорию «старения-усталости-разрушения». После чего на фундаменте этих знаний — Физическую теорию технологических процессов и, как следствие, Разработку технологических приёмов повышения надежности машин.
Современная методология надежности как наука о методах ее изучения должна включать в себя целый комплекс методов, расположенных в следующей последовательности:
Диалектический метод изучения всего объекта исследования → Терминология как фундамент любой науки → Используется вся гамма экспериментальных данных, практический опыт и методы его изучения → Полученные экспериментальные данные и результаты практического опыта подвергаются физико-математической обработке → Накопленная информация подвергается анализу и синтезу → С помощью методов индукции и дедукции, позволяющих от частных фактов, положений, переходить к общим выводам, делаются теоретические выкладки, являющиеся основой теории надежности.
Литература
1. В. Ван-Желен. Физическая теория надежности. – Симферополь: 1998
2. Канарчук В. Е., Полянський С. К., Дмитрієв М. М. Надійність машин. – К.: 2003 – 424 с.
3. Матвеевский В. Р. Надежность технических систем. Учебное пособие –Московский государственный институт электроники и математики. – М.: 2002 – 113 с.
4. Ермолов Л. С., Кряжков В. М., Черкун В. Е. Основы надежности сельскохозяйственной техники. – М.: 1974 – 223 с.
5. Четвергов В. А., Овчаренко С. М. Научно-технический прогресс и проблема надежности техники: Конспект лекций по дисциплине «Надежность и диагностика локомотивов». – Омск: 2002 – 33 с.