ВВЕДЕНИЕ В ТЕОРИЮ НАДЕЖНОСТИ

В.1. ЗНАЧЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ПРЕДМЕТ НАУКИ О НАДЕЖНОСТИ

В нашей стране уделяется большое внимание решению актуальных проблем ускорения научно-технического прогресса, повышения эффек­тивности машин и систем, совершенствования методов управления и планирования народного хозяйства. Научно-техническая революция способствовала бурному росту сложности машин и систем, что особен­но характерно для современных летательных аппаратов, нефтехимиче­ских и металлургических комплексов, ядерных энергетических устано­вок (ЯЭУ). Это привело к тому, что проблема обеспечения их надежности стала ключевой проблемой современной техники. Совре­менные сложные системы (СС) отличаются большой разветвленностью технологических подсистем, большим числом и разнотипностью обору­дования, сложностью алгоритмов управления.

Научно-технический прогресс приводит к появлению все более сложных конструктивно и чрезвычайно опасных для обслуживающего персонала и окружающей среды уникальных систем. Тяжелая авария на II блоке АЭС TMJ (США) в марте 1979 г., утечка ядовитых газов на хи­мическом комбинате в Бхопале (Индия, 1984), взрыв многоразовых кос­мических аппаратов «Челленджер» (1986) и «Колумбия» (2003), разру­шение 4-го блока на Чернобыльской АЭС (1986), гибель атомной подводной лодки «Курск» (2001) показали, что проблема обеспечения безопасной и эффективной эксплуатации СС еще далека от своего ре­шения. Человеческие жертвы, радиоактивное заражение больших участ­ков местности, огромные экономические потери — вот характерные ре­зультаты отказов СС. Здесь также необходимо учитывать моральные, психологические и политические аспекты ненадежности СС.

Особо следует подчеркнуть значение проблемы надежности в атом­ной энергетике. Размещение атомных станций в густонаселенных рай­онах, разработка новых видов ЯЭУ ставит новые задачи по обеспече­нию высокой эффективности, безопасности и надежности оборудова­ния атомной энергетики. Простой по вине отказов оборудования таких гигантов энергетики, какими являются энергоблоки-миллион-ники, приводит к огромным экономическим потерям. Последст­вия от ненадежной работы элементов ЯЭУ и оперативного персонала могут привести к тяжелым отрицательным воздействиям на окружаю­щую среду. Об этом красноречиво свидетельствуют результаты аварий на АЭС TMJ-2, общий ущерб которой оценивается по различным ис­точникам от 2 до 4—5 млрд. долл., и Чернобыльской АЭС. Поэтому дальнейшее повышение надежности СС является задачей государствен­ной важности.

Теория надежности как научная дисциплина изучает закономерно­сти возникновения и устранения отказов объектов. В Большой Совет­ской Энциклопедии (т. 17, с.602) теория надежности определяется так: «научная дисциплина, в которой разрабатываются и изучаются методы обеспечения эффективности работы объектов в процессе эксплуата­ции». Теория надежности изучает:

• критерии и характеристики надежности;

• методы анализа надежности;

• методы синтеза СС по критериям надежности;

• методы повышения надежности;

• методы испытаний объектов на надежность;

• методы эксплуатации объектов с учетом их надежности. Теория надежности является прикладной технической наукой. Она

изучает общие закономерности, которых следует придерживаться при проектировании, изготовлении, испытаниях и эксплуатации объектов для получения максимальной эффективности и безопасности их испо­льзования.

В теории надежности исследуются закономерности возникновения отказов объектов, восстановления их работоспособности, рассматрива­ется влияние внешних и внутренних воздействий на процессы, проис­ходящие в объектах, разрабатываются методы расчета систем на надеж­ность, прогнозирования отказов, изыскиваются способы повышения надежности при проектировании и эксплуатации объектов, а также спо­собы сохранения надежности при эксплуатации, определяются методы сбора, учета и анализа статистических данных, характеризующих на­дежность.

В теории надежности вводятся показатели надежности объектов, устанавливается связь между ними и экономической эффективностью и безопасностью, обосновываются требования к надежности с учетом раз­личных факторов, разрабатываются рекомендации по обеспечению за­данных требований на этапах проектирования, изготовления, испыта­ний, хранения и эксплуатации, решаются эксплуатационные задачи надежности: обоснование сроков и объема профилактических меропри­ятий и ремонтов, обеспечение запасными элементами, узлами, инстру­ментом и материалами, диагностический контроль и отыскание неисп­равностей и т.д.

В. 2. Краткая историческая справка и математический аппарат теории надежности

В большинстве учебников, учебных пособий и монографий считает­ся, что теория надежности — это сравнительно молодая наука, возник­шая из потребностей практики в связи с бурным научно-техническим прогрессом и, в первую очередь, из-за появления сложных систем управления с большим числом элементов электроники и автоматики.

Однако это исторически не совсем точно. В Советском Союзе основы науки о надежности зародились гораздо раньше, чем в других странах, и задолго до того, как проблему надежности начали решать в радиоэлект­ронике и во всем мире стали признавать важнейшей для технического прогресса.

Первые работы в области надежности относятся к теории надежно­сти механических систем и принадлежат Н.Ф.Хоциалову (СССР) и Г. Майеру (Германия). Эти работы появились в 1929—1931 гг. и были посвящены применению теоретико-вероятностных методов к расчету прочности объектов. В 30—40 гг. Н.С. Стрелецким и А.Р. Ржаницыным разработаны статистические методы строительной механики. Было по­казано, что вследствие вероятностного характера свойств материалов и внешних нагрузок расчеты элементов конструкций на прочность имеют статистический характер.

В развитии современной теории надежности можно выделить три периода. Первый период — период становления (конец 40-х — начало 60-х годов) — характеризуется оценкой надежности по числу зафикси­рованных отказов. Расчет надежности производился по интенсивностям отказов, входящих в систему элементов, полученных по статистике от-: казов. Такой подход развивался в связи с решением проблемы надежно­сти в радиоэлектронике и автоматике. В этом направлении первые ра­боты по вопросам надежности в нашей стране были выполнены A.M. Бергом, Н.Г. Бруевичем, В.И. Сифоровым, A.M. Половко, Г.В. Дружининым, Н.А. Шишонком и др. Начиная с начала 60-х годов интенсивно развивались математические вопросы теории надежности (Б.В. Гнеденко, Ю.К. Беляев, А.Д. Соловьев). За рубежом в развитие методов теории надежности большой вклад внесли Дж. Нейман, К. Шеннон, А. Пирс.

На втором периоде — периоде бурного развития теории надежности (60-е годы) — при оценке надежности объектов стали учитывать влия­ние функциональных связей между элементами системы, влияние ре­жимов работы (внутренних факторов) и факторов окружающей среды — : температуры, влажности, давления, вибраций, излучений и т.п. (внеш­них факторов). В этот период расчеты и оптимизация надежности объ­ектов получили распространение во всех отраслях техники (Я.К. Бар-лоу, С. Прошан, В.В. Болотин и др.). Многие вопросы надежности были стандартизованы. Большое внимание было уделено физике отка­зов (Б.С. Сотсков).

Со второй половины 70-х годов наблюдается рост числа исследова­ний, связанных с решением задач прогнозирования надежности объек­тов и оценки надежности сложных систем. Этот третий период разра­ботки теории надежности характерен дальнейшим углубленным изучением физико-химических и статистических закономерностей по­явления отказов как в простых, так и в сложных системах.

К настоящему времени в ряде городов нашей страны (Москве, Санкт-Петербурге, Нижнем Новгороде, Перми, Обнинске, Сургуте и др.) сформировались научные школы, разрабатывающие различные направления в теории и практике надежности. При этом большое внимание уделяется решению проблемы надежности в приборостроении, машиностроении, энергетике и других отраслях техники.

Математическим аппаратом теории надежности являются теория ве­роятности, математическая статистика, теория случайных процессов, теория массового обслуживания, теория информации, математическая логика, теория планирования эксперимента и другие математические дисциплины.

В. 3. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ «ТЕОРИЯ НАДЕЖНОСТИ»

Цель курса: обучение основам теории надежности элементов и сис­тем на всех этапах их проектирования, изготовления, монтажа, наладки и эксплуатации.

В результате изучения курса студенты должны ЗНАТЬ:

• основные понятия теории надежности;

• математические методы, используемые в теории надежности;

• методы выбора и обоснования количественных показателей на­дежности;

• научные основы и практические методы использования теории надежности при проектировании, изготовлении и эксплуатации элементов и систем;

• методы расчета систем на надежность;

УМЕТЬ ИСПОЛЬЗОВАТЬ:

• этапы расчета надежности при решении практических вопросов исследования систем;

-• характеристики надежности при расчете показателей эффектив­ности, экономичности, безопасности и живучести систем;

• методы испытаний элементов и систем на надежность;

ИМЕТЬ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О:

• причинах появления теории надежности;

• этапах становления теории надежности;

существующих и перспективных методах повышения надежности объектов.