Поскольку прогнозирование ресурса включает установление его зависимости от всех внешних и внутренних факторов, то разработка методов прогнозирования – одна из важнейших проблем обеспечения ресурса.

Дополнительный экономический эффект возможен при грамотном прогнозировании индивидуального ресурса на стадии эксплуатации, за счет:

– предупреждения возможных отказов;

– правильного планирования режимов эксплуатации (снижение нагрузок, увеличение частоты осмотров и обслуживания).

На стадии эксплуатации прогнозируется остаточный ресурс для конкретных объектов (мосты, крупные сооружения и т.п.). Увеличение индивидуального ресурса приводит в целом к увеличению среднего ресурса, т.к. уменьшает долю объектов преждевременно снимаемых с эксплуатации и для ремонта (транспортные средства, самолеты, оружие).

Проблема прогнозирования индивидуального ресурса является первоочередной для объектов двух групп: самолеты гражданской авиации и крупные энергетические установки. Впервые индивидуальный ресурс был применен для объектов гражданской авиации. В настоящее время для России наиболее актуальны (в связи с выработкой нормативного ресурса и отсутствием средств):

– стратегические вооружения;

– ядерные электростанции.

2. Прогнозирование ресурса и теория надежности

Задача прогнозирования ресурса является частью теории надежности машин и конструкций.

Надежность – это свойство объекта сохранять во времени и в установленных пределах значения всех параметров характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортировки.

Надежность – комплексное свойство, оценивается по четырем показателям или по их сочетанию:

1. Безотказность – свойство объекта сохранять работоспособ­ность непрерывно в течение некоторого времени или некоторой на­работки.

2. Долговечность – свойство объекта непрерывно сохранять рабо­тоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

В отличие от безотказности долговечность характеризуется про­должительностью работы объекта по суммарной наработке, преры­ваемой периодами для восстановления его работоспособности в плановых и неплановых ремонтах и при техническом обслужива­нии. Предельное состояние — состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна, либо восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно.

3. Ремонтопригодность — свойство объекта, заключающееся в его приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспо­собного состояния путем проведения технического обслуживания и ремонта.

4. Сохраняемость – свойство объекта сохранять в заданных пре­делах значения параметров, характеризующих способность объекта выполнять требуемые функции, в течение и после хранения и (или) транспортирования.

Основные понятия и термины теории надежности:

Объекты подразделяют на невосстанавливаемые, которые не мо­гут быть восстановлены потребителем и подлежат замене (например, электрические лампочки, подшипники, резисторы и т.д.), и восстанавливаемые, которые могут быть восстановлены по­требителем (например, телевизор, автомобиль, трактор, станок и т.д.).

Надежность объекта характеризуется следующими состояниями: исправное, неисправное, работоспособное, неработоспособное.

Исправное состояние — такое состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации. Исправное изделие обязательно работоспособно.

Неисправное состояние — такое состояние объекта, при котором он не соответствует хотя бы одному из требований нормативно­технической и (или) конструкторской (проектной) документации. Различают неисправности, не приводящие к отказам, и неисправ­ности, приводящие к отказам. Например, повреждение окраски ав­томобиля означает его неисправное состояние, но такой автомобиль работоспособен.

Работоспособным состоянием называют такое состояние объек­та, при котором он способен выполнять заданные функции, соот­ветствующие требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.

Неработоспособное изделие является одновременно неисправ­ным.

Отказ — событие, заключающееся в нарушении работоспособ­ного состояния объекта.

Отказы по характеру возникновения подразделяют на случайные и неслучайные (систематические).

Случайные отказы вызваны непредусмотренными нагрузками, скрытыми дефектами материалов, тнрешностями изготовления, ошибками обслуживающего персонала.

Неслучайные отказы — это закономерные явления, вызывающие постепенное накопление повреждений, связанные с влиянием среды, времени, температуры, облучения и т. п.

В зависимости от возможности прогнозировать момент наступ­ления отказа все отказы подразделяют на внезапные (поломки, за­едания, отключения) и постепенные (износ, старение, коррозия).

По причинам возникновения отказы классифицируют на кон­структивные (вызванные недостатками конструкции), производ­ственные (вызванные нарушениями технологии изготовления) и эксплуатационные (вызванные неправильной эксплуатацией).

Рассмотрим пока один показатель – долговечность – подробнее, а именно показатели долговечности:

– ресурс;

– гамма – процентный ресурс;

– средний ресурс;

– срок службы;

– гамма – процентный срок службы.

Как видим, ресурс в теории является формально даже не основным показателем надежности, но по факту – один из важнейших в теории надежности механических систем, поэтому в дальнейшем ему будет уделено более пристальное внимание.

Теория надежности возникла в 50-е годы в применении к электронике и вычислительной технике в виде системной теория надежности и параметрической теория надежности.

Силовое и кинематическое взаимодействие машин и конструкций носит более сложный характер. Для предсказания их поведения необходимо рассмотреть процессы деформирования, износа и накопления повреждений при переменных нагрузках, температуре и других внешних воздействиях. В этом наиболее существенное отличие теории надежности машин и конструкций, как от системной, так и от параметрической теории надежности.

Чтобы судить о безотказности (одном из основных показателей надежности) и долговечности (ресурсе и сроке службы) объекта недостаточно знать только показатели отдельных элементов, в отличие от системной теории надежности. Многие конструкции и машины уникальны или малосерийны, их элементы сложны, громоздки и дороги, поэтому нет достаточной статической информации. В связи с этим для оценки показателей безотказности и долговечности механических систем используют в основном расчетно-теоретический метод, основанный на статических данных о свойствах материалов и нагрузках, а также возможных воздействиях.

Современное состояние механики материалов и конструкций (теория упругости, теория пластичности, строительная механика, механика разрушения), а также прикладные методы расчета машин и конструкций, позволяют с достаточной степенью достоверности предсказывать поведение систем, если известны свойства материалов.

В теории надежности механических систем свойства материалов и внешние воздействия случайны, поэтому поведение объектов носит также случайный характер.

Таким образом, основная задача теории надежности – оценка вероятности безотказности работы на заданном отрезке времени сводится к задаче о выбросах случайных процессов.

Соединение методов механики материалов и конструкций с теорией случайных процессов составляет основу теории надежности механических систем.

3. Прогнозирование ресурса и механика разрушения

Существует три основные причины выхода техники из строя:

– непредвиденные перегрузки, грубые ошибки персонала и их сочетание;

– накопление повреждений с последующим образование макро дефекта, и финальное разрушение от прохождения магистральной трещины;

– чрезмерный износ трущихся поверхностей.

Вторая причина является основной и составляет – 94% всех отказов. Из них:

– 24% - это усталостные трещины;

– 14% - коррозионные трещины;

– 29% - технологические трещины;

– 28% - причина возникновения трещины не установлена;

– 5% - трещины ползучести и другого типа.

60% отказов авиадвигателей имеют механическое происхождение. 80% из них – накопление усталостных трещин. Аналогичная картина наблюдается для атомных реакторов и теплообменников теплоэлектростанций.

Теоретической основой для прогнозирования ресурса в условиях накопления повреждений и развития трещин является механика разрушений.

Условно выделяют две стадии разрушения:

– накопление рассеянных повреждений (50-90% ресурса);

– возникновение и развитие макротрещины.

Существует два подхода в механике разрушения: структурный и феноменологический.

Преимущества феноменологического подхода: простота, наличие экспериментальных данных, возможность представления в аналитической форме. Недостатки: непригодность за пределами экспериментальных исследований, трудности при переносе результатов экспериментов с малыми образцами на натурные крупногабаритные конструкции.

Преимущества структурного подхода: более точное и детальное рассмотрение.

Недостатки структурного подхода: значительно сложнее, требует обработки большого объема информации.