Что такое надежность? показатели надежности: определение и характеристика

Надежность нематериальных понятий

Выше мы рассказали вам о том, что изучает теория надежности, когда речь идет о материальных предметах: вещах, приборах, механизмах, кораблях, самолетах и т.д. Но могут ли хоть какие-то из этих понятий использоваться в более приземленном представлении? Как, к примеру, узнать надежность банков? Ведь у них нет производителя, который бы рекомендовал забрать свой вклад после наступления некоего предельного срока!?

В принципе, решение есть и в этом случае, хотя определение надежности производится по несколько иным показателям

Давайте перечислим, на какие критерии следует обращать внимание прежде всего:

Структура финансового учреждения, резюме его основателей.
Состав комиссии учредителей.
Отзывы, мнения клиентов, причем давностью не менее двух-трех лет. На более свежие сведения лучше внимания не обращать в принципе.
Основной процент как по вкладам, так и по кредитам.
Обеспечение банковских гарантий.

Вот так определяется надежность банков. Если хотя бы один пункт из представленного выше перечня вызывает у вас настороженность и неуверенность, настоятельно не советуем пользоваться услугами именно этого финансового учреждения.

Что это?

Сохранность представляет собой свойство любого оборудования пребывать в исправном состоянии во время его хранения. Как и другие показатели надежности систем, она предусматривает возможность изделия поддерживать свои основные технические характеристики в установленных пределах. Если подразумевать, что хранение представляет собой неотъемлемую часть эксплуатации, то сохранность — это надежность в условиях хранения.

Можно сказать, что данный параметр является достаточно сложным, и его довольно трудно будет оценить какой-то определенной характеристикой, так как критериями сохранности могут выступать любые показатели надежности изделий.

Главной особенностью данного понятия является то, что здесь преобладают постоянные отказы из-за снижения установленных характеристик комплектующих, что происходит по причине их старения

Сохранность представляет собой достаточно важное техническое понятие, и в комплексе с надежностью позволяет определить надежность того или иного оборудования в разных состояниях. Это является тем более важным по той причине, что у большого количества оборудования присутствуют какие-то определенные сроки хранения, которые равны или даже превышают установленный рабочий срок

Определение показателей надежности работы технических систем включает в себя еще очень большое количество других факторов, которые различаются по своей природе.

О восстанавливаемых объектах

Как и в предыдущей ситуации, предел наступает в том случае, если дальнейшая эксплуатация становится попросту невозможной или крайне нецелесообразной. В последнем варианте следует учитывать совокупность сразу нескольких факторов:

Поддержание объекта на минимально безопасном и/или работоспособном уровне становится невозможным или слишком затратным.
В результате износа прибор или машина пришли в такое состояние, что проще и дешевле купить аналогичный объект.

Следует помнить, что в процессе эксплуатации предмет может иметь и другие состояния, о которых мы сейчас и поговорим.

Литература

Вентцель Е. С. Теория вероятностей. -М.:1969.
Маликов И. М., Половко А. М., Романов Н. А., Чукреев П. А. Основы теории и расчёта надёжности. — Л.:Судпромгиз, 1959.
Маликов И. М., Половко А. М., Романов Н. А., Чукреев П. А. Основы теории и расчёта надёжности. Изд. 2-е, доп. — Л.:Судпромгиз, 1960. — 144с.
Надежность технических систем/ Под ред. И. А. Ушакова. -М.:1985.
Надежность и эффективность в технике: Справочник. В 10 т. -М.: Машиностроение, 1990.
Половко А. М. Основы теории надёжности. — М.:Наука, 1964. — 446с.
Половко А. М., Гуров С. В. Основы теории надёжности. — СПб.:БХВ-Петербург, 2006. — 702с.
Половко А. М., Гуров С. В. Основы теории надёжности. Практикум. — СПб.:БХВ-Петербург, 2006. — 560с.
Рябинин И. А. Надежность и безопасность структурно-сложных систем. СПб.: Издательство Санкт-Петербургского университета, 2007 г., 278 с.
Рябинин И. А. «История возникновения, становления и развития логико-вероятностного анализа в мире» в сборнике «Моделирование и Анализ Безопасности и Риска в Сложных Системах: Труды Международной научной школы МА БР — 2011»
Рябинин И. А., Струков А. В. — «Кратко аннотированный список публикаций зарубежный периодический изданий по вопросам оценивания надежности структурно-сложных систем» в сборнике «Моделирование и Анализ Безопасности и Риска в Сложных Системах: Труды Международной научной школы МА БР — 2011».
Струков А. В. «Анализ международных и российских стандартов в области надежности, риска и безопасности».
A.Avizienis, J.-C. Laprie and B. Randell «Fundamental Concepts of Dependability». Research Report No 1145, LAAS-CNRS, April 2001
Nelson W. Accelerated Testing: Statistical Models, Test Plans, and Data Analysis.- New York: J.Wiley and Sons, (1990).
Meeker W.Q., Escobar, L.A. Statistical Methods for Reliability Data.- New York: J.Wiley and Sons, (1998).
Singpurvalla N. Survival in Dynamic Environments. «Statistical Science», (1995), v.1, 10, p. 86-103.
Bagdonavicius V.B., Nikulin, M.S. Accelerated Life Models: Modeling and Statistical Analysis.- Boca Raton: Chapman&Hall/CRC, 2002.
Антонов А. В., Никулин М. С. Статистические модели в теории надежности. М.: Абрис: 2012.
Черкесов Г. Н. Надежность аппаратно-программных комплексов.— СПб.: Питер, 2005. — 479 с. — ISBN 5-469-00102-4

Организация работ по надёжности

Системы любой сложности разрабатываются организациями, такими, как коммерческие компании или государственные учреждения. Организация работ по надёжности (инжиниринг надёжности) должна быть согласована со структурой компаний или учреждений. Для небольших компаний работы по надёжности могут быть неформальными. С ростом сложности задач возникает необходимость формализации функций по обеспечению надёжности. Так как надёжность важна для заказчика, заказчик должен видеть некоторые аспекты организации этих работ.

Существует несколько типов организации работ по надёжности. Менеджер проекта или главный инженер проекта может иметь в непосредственном подчинении одного или более инженеров по надёжности. В более крупных организациях обычно образуется отдельное структурное подразделение, которое занимается анализом надёжности, ремонтопригодности, качества, безопасности, человеческого фактора, логистикой. Так как работа по обеспечению надёжности особенно важна на этапе проектирования, часто инженеры по надёжности или соответствующие структуры интегрированы с проектными подразделениями.

В отдельных случаях компания создаёт независимую структуру, которая занимается организацией работ по надёжности.

Теория надёжности

Теория надёжности является основой инженерной практики в области надёжности технических изделий.
Часто безотказность определяют как вероятность того, что изделие будет выполнять свои функции на определённом периоде времени при заданных условиях. Математически это можно записать следующим образом:

R(t)=Pr{T>t}=∫t∞f(x)dx{\displaystyle R(t)=\Pr\{T>t\}=\int _{t}^{\infty }f(x)\,dx},

где f(x){\displaystyle f(x)} — функция плотности времени наработки до отказа, а t{\displaystyle t} — продолжительность периода времени функционирования изделия, в предположении, что изделие начинает работать в момент времени t={\displaystyle t=0}.

Теория надёжности предполагает следующие четыре основных допущения:

Отказ рассматривается как случайное событие. Причины отказов, соотношения между отказами (за исключением того, что вероятность отказа есть функция времени) задаются функцией распределения. Инженерный подход к надёжности рассматривает вероятность безотказной работы как оценку на определённом статистическом доверительном уровне.
Надёжность системы тесно связана с понятием «заданная функция системы». В основном, рассматривается режим работы без отказов. Однако, если в отдельных частях системы нет отказов, но система в целом не выполняет заданных функций, то это относится к техническим требованиям к системе, а не к показателям надёжности.
Надёжность системы может рассматриваться на определённом отрезке времени. На практике это означает, что система имеет шанс (вероятность) функционировать это время без отказов. Характеристики (показатели) надёжности гарантируют, что компоненты и материалы будут соответствовать требованиям на заданном отрезке времени. Поэтому иногда надёжность в широком смысле слова означает свойство «гарантоспособности»[источник не указан 218 дней]. В общем случае надёжность относится к понятию «наработка», которое в зависимости от назначения системы и условий её применения определяет продолжительность или объём работы. Наработка может быть как непрерывной величиной (продолжительность работы в часах, километраж пробега в милях или километрах и т. п.), так и целочисленной величиной (число рабочих циклов, запусков, выстрелов оружия и т. п.).
Согласно определению, надёжность рассматривается относительно заданных режимов и условий применения. Это ограничение необходимо, так как невозможно создать систему, которая способна работать в любых условиях. Внешние условия функционирования системы должны быть известны на этапе проектирования. Например, Марсоход создавался совершенно для других условий эксплуатации, чем семейный автомобиль.

Как обеспечивается надежность оборудования в процессе производства?

Чтобы обеспечивались высокие показатели надежности и долговечности различных изделий, нужно правильно соблюдать технологии изготовления и монтажа любой системы. Анализ статистической информации свидетельствует о том, что в преимущественном большинстве случаев аварийные остановки специализированного оборудования являются причиной соответствующих технологических дефектов, поэтому современные производители стараются использовать целый ряд специализированных мероприятий, которые позволяют еще на стадии изготовления и установки минимизировать риски возникновения неполадок в различных системах.

Вне зависимости от того, какие основные показатели надежности старается обеспечить производитель, им должна проводиться работа в следующих направлениях:

Увеличение степени заводской готовности посредством выпуска оборудования в надежном исполнении. К примеру, трубопроводы, турбины, котлы и специализированное оборудование для водоподготовки может поставляться укрупненными блоками, при этом преимущественное большинство сборочно-сварочных работ переносится с первоначальной монтажной площадки в заводской цех, так как в подобных условиях гораздо проще добиться предельно высокого качества работы.
Широкое использование самых современных технологий обеспечения контроля качества на каждой отдельной стадии производства, начиная от входного контроля различных полуфабрикатов и исходных материалов до обеспечения контроля финишных процедур, натурных или же стендовых тестирований. Целесообразность проведения входного контроля была неоднократно подтверждена статистикой дефектов, которые были обнаружены в ходе проведения специализированного контроля различных изделий.
Использование прогрессивных технологических производственных устройств с программным управлением, которые позволяют максимально детально обрабатывать комплектующие и изготавливать изделие с максимальной точностью.
Механизация и автоматизация сложных процедур, расширение использования прогрессивных технологий.

Практикой уже неоднократно было доказано, что использование современного оборудования в процессе производства, а также полноценное соблюдение установленных режимов работы позволяет в значительной мере определить надежность конечного изделия. При этом нужно правильно понимать особенности производства того или иного оборудования или каких-либо изделий, а также основные факторы риска, чтобы использовать все необходимые меры для их устранения или минимизации. Благодаря этому оценка показателей надежности всегда будет высокой вне зависимости от того, в какой именно сфере ведется работа.

Основные понятия теории надежности: объект, элемент и система

Таким образом, под системой понимается совокупность объектов, соединенных некой общей функцией, которую она должна осуществлять. Элементом же, как можно догадаться, называется мелкая, составная часть объекта, имеющая определенные функции. От каждого элемента в отдельности зависит работоспособность и техническая надежность всей системы в общем.

Все эти понятия довольно относительны, так как их можно рассматривать посредством друг друга. Так, объект при каком-то исследовании может считаться системой (так как сам является совокупностью элементов), а может быть и самостоятельным элементом, если рассматривается с точки зрения большого и удаленного рабочего комплекса.

Проще говоря, все зависит от масштаба, что обязательно следует учитывать при исследованиях. Именно об этом говорит теория надежности, которая в настоящее время давно выделилась в самостоятельную и очень важную научную отрасль.

Высчитываем частоту отказов

Для этого нужно воспользоваться следующим уравнением:

l(i)=n(t)/(Nt*Dt)

l(t) – общее количество отказов.
Nt – среднее количество элементов в системе.
n(t) – количество отказов за определенный промежуток времени.
Dt – принятый за аксиому отрезок времени, в который вы фиксируете общее число проблем с системой.

Важно! Показатель абсолютного значения отказов берется из специализированной справочной литературы. В каждой отрасли он совершенно разный, так что привести гигантский список на страницах этого материала мы физически не в состоянии

Вычислив коэффициент надежности, вы легко сможете узнать о том, чего стоит ждать от объекта. Чем показатель ниже, тем более надежным следует признать прибор, машину или дом.

Предельное состояние надежности

Когда обсуждается надежность технических систем, огромное значение приобретает понятие предельного состояния. Если вкратце, так называется ситуация, при которой дальнейшая эксплуатация машины или прибора становится недопустимой и/или невозможной. Подобное состояние наступает в результате поломки или же возникновения каких-то серьезных дефектов, напряженности материала. При этом любая попытка эксплуатации может закончиться плачевно, так как прибор, вполне вероятно, даст сбой и разрушится.

Признаки предельного состояния устанавливает производитель, причем сведения должны быть отражены в прилагаемой к объекту технической характеристике. С каждым годом наблюдается общее повышение надежности за счет большей технологичности процессов производства, но все эти данные производитель должен представлять по запросу потребителя.

Надёжность на этапе проектирования

Надёжность на этапе проектирования является новой дисциплиной и относится к процессу разработки надёжных изделий. Этот процесс включает в себя несколько инструментов и практических рекомендаций и описывает порядок их применения, которыми должна владеть организация для обеспечения высокой надёжности и ремонтопригодности разрабатываемого продукта с целью достижения высоких показателей готовности, снижения затрат и максимального срока службы продукта. Как правило, первым шагом в этом направлении является нормирование показателей надёжности. Надёжность должна быть «спроектирована» в системе. При проектировании системы назначаются требования к надёжности верхнего уровня, затем они разделяются на определённые подсистемы разработчиками, конструкторами и инженерами по надёжности, работающими вместе. Проектирование надёжности начинается с разработки модели. При этом используют структурные схемы надёжности или деревья неисправностей, при помощи которых представляется взаимоотношение между различными частями (компонентами) системы.

Одной из наиболее важных технологий проектирования является введение избыточности или резервирование. Резервирование — это способ обеспечения надёжности изделия за счёт дополнительных средств и (или) возможностей, избыточных по отношению к минимально необходимым для выполнения требуемых функций (ГОСТ 27.002). Путём введения избыточности совместно с хорошо организованным мониторингом отказов, даже системы с низкой надёжностью по одному каналу могут в целом обладать высоким уровнем надёжности. Однако введение избыточности на высоком уровне в сложной системе (например, на уровне двигателя самолёта) очень сложно и дорого, что ограничивает такое резервирование. На более низком уровне системы резервирование реализуется быстро и просто, например, использование дополнительного соединения болтом.

Существует много методик анализа надёжности, специфических для отдельных отраслей промышленности и приложений. Наиболее общие из них следующие.

Анализ видов и последствий отказов (АВПО)
Имитационное моделирование надёжности
Анализ схем функциональной целостности (СФЦ)
Анализ опасностей (Hazard analysis)
Анализ структурных схем надёжности (RBD)
Анализ деревьев неисправностей
Ускоренные испытания
Анализ роста надёжности
Вейбулл-анализ (анализ эмпирических данных из испытаний и эксплуатации)
Анализ смеси распределений
Устранение критичных отказов
Планирование технического обслуживания, обеспечивающего надёжность (RCM)
Анализ диагностики отказов
Анализ ошибок человека-оператора

Инженерные исследования проводятся для определения оптимального баланса между надёжностью и другими требованиями и ограничениями.
Существенную помощь при инженерном анализе надёжности могут оказать программные комплексы для расчёта надёжности.

Надёжность и безопасность

Надёжность в инженерной практике отличается от безопасности отношением к видам опасностей, с которыми она имеет дело. Надёжность в технике главным образом связана с определением стоимостных показателей. Они относятся к тем опасностям в смысле надёжности, которые могут перерасти в аварии с частичной потерей доходов для компании или заказчика. Это может произойти из-за потери по причине неготовности системы, неожиданно высоких затрат на запасные части и ремонт, перерывов в нормальной работе и т. п. Безопасность относится к тем случаям проявления опасности, которые могут привести к потенциально тяжёлым авариям. Требования по безопасности функционально связаны с требованиями по надёжности, но характеризуются более высокой ответственностью. Безопасность имеет дело с нежелательными опасными событиями для жизни людей и окружающей среды в том же смысле, что и надёжность, но не связана напрямую со стоимостными показателями и не относится к действиям по восстановлению после отказов и аварий

У безопасности другой уровень важности отказов в обществе и контроля со стороны государства. Безопасность часто контролируется государством (например, атомная промышленность, космос, оборона, железные дороги и нефтегазовый сектор).

Основные определения

Безотказность — свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки.
Ремонтопригодность — свойство объекта, заключающееся в его приспособленности к восстановлению работоспособного состояния при отказе или повреждении объекта или его составных частей.
Долговечность — свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность от начала эксплуатации до наступления предельного состояния, то есть такого состояния, когда объект изымается из эксплуатации.
Сохраняемость — свойство объекта сохранять работоспособность в течение всего периода хранения и транспортировки.
Живучесть — свойство объекта сохранять работоспособность при отказе отдельных функциональных узлов.
Достоверность
Отказ — событие, заключающееся в полной или частичной утрате работоспособности.
Сбой — самоустраняющийся отказ или однократный отказ, устраняемый незначительным вмешательством оператора.
Наработка на отказ — величина, (время или объём работы) принятая для измерения продолжительности работы аппаратуры.
Ресурс — наработка от начала эксплуатации до наступления предельного состояния.
Срок службы — календарная продолжительность от начала эксплуатации до наступления предельного состояния.

Пример

В качестве примера можно рассмотреть надежность работы паротурбинного энергоблока, которая включает в себя:

качество материалов, использующихся в процессе производства;
совершенство разработанной конструкции;
используемую технологию изготовления;
применяемую технологию перевозки и монтажа оборудования;
качество применяемого топлива;
условия эксплуатации и обслуживания устройств.

И это только краткий список того, что включает в себя характеристика показателей надежности. Создание и применение новых, непрерывно усложняющихся установок предусматривает необходимость в постоянном обеспечении их все более и более высокой степени надежности. Именно поэтому была разработана специализированная «теория надежности», которая в последнее время стала пользоваться довольно широким распространением.

Некоторые дополнения

В зависимости от назначения объекта надежность – синоним безотказности, ремонтопригодности, долговечности. Следует четко понимать, что это качество воспринимается только с учетом характеристик самого объекта. К примеру, если взять невосстанавливаемый датчик в герметичном корпусе, то для него надежностью будет способность к сохранению своей работоспособности в заданном промежутке времени. Проще говоря, если этот прибор без отказов проработает 12 месяцев при годовой гарантии, то его следует признать достаточно надежным.

Впрочем, есть и определенные исключения из столь жестких правил. Помните, как мы говорили об автомобиле, который находится на консервации? В этом случае надежность – синоним не слова «безотказность», которое подразумевает немедленный запуск двигателя, а «долговечность» и «ремонтопригодность». Никто не может гарантировать, что движок сразу же запустится, и без проблем будет работать.

Надежная силовая установка гарантированно выдержит хранение (при более-менее подходящих условиях) и сможет функционировать после проведения каких-то мероприятий по техническому обслуживанию. Таким образом, обеспечение надежности – это перечень необходимых мероприятий, которые направлены на повышение вероятности безотказного, бесперебойного функционирования оборудования, целых систем и производственных комплексов.

В большинстве случаев чрезвычайно важной является способность прибора дослужить до своего предельного срока эксплуатации без серьезных поломок и необходимости технического обслуживания. Особенно это относится к тем предметам, которые должны эксплуатироваться в предельно сложных условиях

Надежность на этапе проектирования

Надежность на этапе проектирования является новой дисциплиной и относится к процессу разработки надежных изделий. Этот процесс включает в себя несколько инструментов и практических рекомендаций и описывает порядок их применения, которыми должна владеть организация для обеспечения высокой надежности и ремонтопригодности разрабатываемого продукта с целью достижения высоких показателей готовности, снижения затрат и максимального срока службы продукта. Как правило, первым шагом в этом направлении является нормирование показателей надежности. Надежность должна быть «спроектирована» в системе. При проектировании системы назначаются требования к надежности верхнего уровня, затем они разделяются на определенные подсистемы разработчиками, конструкторами и инженерами по надежности, работающими вместе. Проектирование надежности начинается с разработки модели. При этом используют структурные схемы надежности или деревья неисправностей, при помощи которых представляется взаимоотношение между различными частями (компонентами) системы.

Одной из наиболее важных технологий проектирования является введение избыточности или резервирование. Резервирование — это способ обеспечения надежности изделия за счет дополнительных средств и (или) возможностей, избыточных по отношению к минимально необходимым для выполнения требуемых функций (ГОСТ 27.002). Путём введения избыточности совместно с хорошо организованным мониторингом отказов, даже системы с низкой надежностью по одному каналу могут в целом обладать высоким уровнем надежности. Однако введение избыточности на высоком уровне в сложной системе (например, на уровне двигателя самолета) очень сложно и дорого, что ограничивает такое резервирование. На более низком уровне системы резервирование реализуется быстро и просто, например, использование дополнительного соединения болтом.

Существует много методик анализа надежности, специфических для отдельных отраслей промышленности и приложений. Наиболее общие из них следующие.

Анализ видов и последствий отказов (АВПО)
Имитационное моделирование надежности
Анализ схем функциональной целостности (СФЦ)
Анализ опасностей (Hazard analysis)
Анализ структурных схем надежности (RBD)
Анализ деревьев неисправностей
Ускоренные испытания
Анализ роста надежности
Вейбулл-анализ (анализ эмпирических данных из испытаний и эксплуатации)
Анализ смеси распределений
Устранение критичных отказов
Планирование технического обслуживания, обеспечивающего надёжность (RCM)
Анализ диагностики отказов
Анализ ошибок человека-оператора

Инженерные исследования проводятся для определения оптимального баланса между надежностью и другими требованиями и ограничениями.
Существенную помощь при инженерном анализе надежности могут оказать программные комплексы для расчета надежности.