Надёжность, её физический смысл и значение.

Характерной чертой современного развития общества являются быстрые, все ускоряющиеся темпы научно-технического прогресса. Огромные достижения науки и техники, появление и развитие их новых отраслей обеспечи­вают возможность постоянного совершенствования разраба­тываемых и изготовляемых изделий, неуклонного повышения всех их технических характеристик. Непрерывно растут пока­затели мощности, скорости, точности и других важнейших свойств современных технических устройств и сооружений.

 

Требования.

 

К каждому стан­ку предъявляются требования точности обработки изготовляемых деталей и чистоты их поверхности при высо­кой производительности работы. Требования к точ­ности непрерывно растут. Когда-то Ползунов, проверял зазоры екатерининским пятаком, делая первую паровую машину, толщина которого составляла 6 миллиметров. Совре­менные станки обрабатывают детали с точностью до микрона и даже долей микрона. К примеру, точность геометрических форм отверстий и валов часто бывает в пределах 0,5—2 микрон, а неконцентричность, неперпендикулярность и непараллельность поверхностей ряда дета­лей соблюдается в пределах 0,6—3 микрон.

Быстро совершенствуются и остальные харак­теристики современных станков, других обрабатывающих устройств равно как и трубопроводной арматуры, в частности стальных задвижек. Однако да­же самые совершенные начальные технические характеристи­ки станка — это необходимое, но еще недостаточное условие его высокого качества.

Действительно, все начальные, номи­нальные параметры станка показывают по существу лишь его технические возможности. Эти возможности могут быть использованы лишь в процессе эксплуатации, в ходе его работы. Следовательно, любой станок должен иметь не только высокие начальные характеристики, но и обладать способностью сохранять их в течение всей эксплуатации (поэтому такие характеристики и называются эксплуатационными).

Способность любого изделия сохранять характеристики в процессе использования во времени и определяется его надежностью.

Так же требованием, является точность обработки изготовляемых деталей (задвижек и клапанов).  Многие станки, выпускаемые на­шими заводами, обладают исключительно высокой точностью. Так, например, станки-автоматы продольно-фасонного сече­ния, изготовленные несколько лет тому назад станкостроитель­ным объединением им. Свердлова по заказу Первого часового завода, не уступали по своей точности лучшим мировым образ­цам, в частности, аналогичным станкам известной швейцар­ской фирмы «Торнас». Но в ходе эксплуатации этих станков выяснилось, что если станки фирмы «Торнас» теряют за два года трехсменной работы только 2 микрона точности, наши станки уже через год снижали точность вдвое.

Наша промышленность выпускает сейчас много видов обо­рудования, которые не только не уступает лучшим зарубежным образ­цам, но часто и превосходят их. Убедительным доказательст­вом этому являются высокие премии, присужденные многим нашим разработкам на различных международных выставках. Но наряду с этим наше оборудование иногда уступает загранич­ному по своей надежности. «По данным Оргстанкинпрома время, в течение которого отечественное оборудование сохра­няет точность на чистовых операциях, не превышает 60% от аналогичного параметра заграничного оборудования».

Многие технические характеристики изделия бывают не связаны друг с другом, часто не зависят одна от другой. Например, станок может обладать высокой степенью авто­матизации, большой производительностью, но иметь низкую точность; автомобиль может иметь высокую скорость, хоро­шую проходимость, но в то же время чрезмерно большой расход горючего и т. д.

В отличие от этого надежность связана со всеми осталь­ными свойствами изделия, она характеризует проявление всех показателей качества машины в процессе ее эксплуата­ции. Действительно, если станок обладает низкой надежно­стью, часто выходит из строя и больше находится в ремонте, чем в работе, ни его высокая точность, ни большая произво­дительность, как и ни один из любых других показателей его качества, не могут быть практически эффективно использо­ваны.

Следовательно, надежность — это комплексное свойство, обусловливающие качество любого технического продукта, любой машины, арматуры, аппарата, прибора. По мере развития и совершенствования техники, усложнения и повы­шения ответственности выполняемых ею функций значение ее надежности все более возрастает. Это вполне естественно и закономерно.

 

Характеристики.

 

Мы говорили, что надежность характеризует способность изделия выполнять свое назначение, сохраняя в процессе эксплуатации свои начальные технические характеристики в заданных пределах. Чем выше и совершеннее технические характеристики изделия, тем большее значение приобретает их сохранение в процессе эксплуатации, чем ответственней функции, возлагаемые на данное изделие, тем важнее стано­вится обеспечение их нормального выполнения.

Еще недавно основным орудием труда в промышленности были простые, малосовершенные ручные станки. Их техничес­кие характеристики были низки, производительность мала, и поэтому убытки, вызываемые выходом из строя такого станка, были обычно сравнительно невелики. Сейчас быстры­ми темпами осуществляется автоматизация производства. Автоматизируются не только отдельные станки и технологи­ческие операции, но и целые цехи и даже предприятия, широ­ко осуществляется комплексная автоматизация производства. Создаются сложнейшие автоматические линии, состоящие из сотен различных станков, механизмов, агрегатов. Нужно ли говорить, к каким огромным потерям может приводить каж­дая вынужденная остановка такой линии, происходящая из-за ее недостаточной надежности.

Возьмем средства транспорта. Еще в прошлом веке основ­ным средством передвижения был конный транспорт. Если в пути ломалась телега или тарантас, едущие на них два-три человека в худшем случае отделывались простыми ушибами. Сейчас к нашим услугам высокоскоростные, комфортабель­ные воздушные лайнеры, способные вмещать сотни пассажи­ров. Их преимущества очевидны каждому. Но зато во сколь­ко же раз возрастает значение их надежности, как дорого мо­жет обойтись любое пренебрежение ею, могущее привести к аварии такого самолета.

 

Примени­тельно к военной технике, в книге С. Р. Калабро:

 

«Оружие в прежнее время было сравнительно простым. Сабля состояла в основном из одного куска зака­ленной стали, если она и ломалась в сражении, то это отража­лось только на славе одного воина. Но если в наши дни в нужный момент откажет управляемый снаряд, неудача мо­жет повлиять на исход всего боя …»

Однако с ускорением технического прогресса, с развитием и совершенствованием техники растет не только значение надежности, растет и трудность ее обеспечения. Надежность любого технического устройства зависит, как мы увидим да­лее, не только от качества используемых в нем узлов и дета­лей, но и от их количества. Чтобы не делать в последующем каждый раз соответствующей оговорки, условимся, что все вопросы в данной брошюре будут рассматриваться примени­тельно только к последовательному соединению узлов и дета­лей, как наиболее часто встречающемуся на практике.

 

Виды соединений.

 

С точки зрения надежности рассматриваются два вида соединения элементов—последовательное и параллельное.

• Последовательным называется такое соединение, при ко­тором отказ хотя бы одного элемента приводит к нарушению работоспособности всего устройства. Например, все радио­лампы в приемнике с точки зрения надежности можно счи­тать соединенными последовательно. Обычно достаточно бы­вает хотя бы одной из них выйти из строя, чтобы приемник перестал работать. Соединенными последовательно можно считать и все приводы станков. Если, например, в коробке скоростей станка выйдет из строя любая шестерня, подшип­ник, муфта, рычаг управления и т. д., то вся коробка переста­нет функционировать.
• Параллельным называется такое соединение, при котором устройство выйдет из строя только после отказа всех парал­лельно соединенных (дублирующих) элементов. Можно бы­ло бы привести много наглядных примеров параллельного соединения: применение резервных источников питания на крупных электростанциях, использование нескольких двига­телей на современных самолетах, позволяющее не только увеличить их суммарную мощность, но и продолжать полет в случае отказа одного из двигателей и т. д.

Применение параллельного соединения, или, как говорят, резервирования, является одним из важных средств повыше­ния надежности изделий, однако имеет и свои недостатки Рассмотрению различных видов резервирования и способов их применения посвящено много специальных работ.

 

Значение надежности.

 

Многим памятна беспрецедентная авария в системе электроснабжения, происшедшая в США в ноябре 1965 года. В течение 10 часов огромная территория страны с населением почти 40 миллионов человек оставалась без света. Останови­лись поезда, замерло движение городского транспорта, пере­стала работать связь. Что же послужило причиной аварии? Согласно появившимся в печати сведениям, причиной этой не­бывалой аварии явилась поломка реле на распределительном щите гидроэлектростанции «Сэр Бэк Плант № 2», входящей в Ниагарский комплекс. Так, ненадежность одного реле привела к тому, что в течение 10 часов лихорадило огромную страну!

До сравнительно недавнего времени надежность в боль­шинстве случаев была лишь молчаливо подразумеваемым, но не поддающимся количественному расчету параметром технических изделий. Конструктор и технолог, создавая новые машины, аппараты, приборы, конечно, думали и о их надеж­ности и принимали те или иные меры для ее обеспечения. Однако делали они это обычно интуитивно, не производя не­обходимых предварительных расчетов, и поэтому узнавали о действительной надежности создаваемых ими изделий лишь после поступления их в эксплуатацию, т. е. тогда, когда изменить что-либо было уже поздно.

Поскольку в технических условиях на каждое разрабаты­ваемое изделие точно оговаривались его основные техничес­кие характеристики, но, как правило, не указывался требуе­мый уровень надежности, конструкторы в погоне за получе­нием необходимых технических параметров иногда созна­тельно ставили отдельные узлы и детали в более жесткие режимы работы, увеличивая тем самым возможность отказов и уменьшая надежность изделия.

Сейчас становится общепризнанным, что надежность раз­рабатываемого изделия должна задаваться наряду с осталь­ными его техническими характеристиками, что конструктор должен одновременно решать две задачи: спроектировать изделие с заданными техническими параметрами и обеспечить его требуемую надежность, т. е. способность изделия сохра­нять эти параметры в течение требуемого периода эксплуата­ции.

Естественно, что конструктор начинает с решения вопроса об обеспечении заданных технических характеристик изделия, ибо если эти характеристики не могут быть получены, нет смысла решать остальные задачи проектирования. Однако, рассматривая различные возможные варианты решения, конструктор должен одновременно оценивать их и с точки зрения соответствия требованиям надежности, т. е. чтобы выбранный им оптимальный вариант конструкции обеспечи­вал не просто возможность выполнения изделием заданных функций, но и выполнение их в течение требуемого проме­жутка времени.

Но оценить надежность разрабатываемого образца зна­чительно сложнее, чем его соответствие остальным техничес­ким характеристикам. Она зависит от значительно большего числа факторов, чем любая другая требуемая техническая ха­рактеристика изделия. Так, например, если мощность радио­передатчика зависит от относительно небольшого числа его элементов, его надежность в той или иной степени зависит от работы почти всех механических и электрических частей передатчика.

Проверка большинства технических параметров изделия не представляет в большинстве случаев сколько-нибудь серь­езных трудностей. Для проверки каждого из этих параметров существуют соответствующие измерительные приборы, для измерения мощности используются ваттметры, для про­верки числа оборотов двигателя—тахометры и т.д. Чтобы оце­нить соответствие каждого технического параметра изделия требованиям технических условий, достаточно обычно провер­ки их мгновенных значений.

Иное положение при оценке надежности изделия. Каких-либо приборов-«надеждомеров», которые позволили бы измерять надежность так же, как, скажем, измеряется мощность или точность, не существует. Для оценки надежнос­ти изделия недостаточно проверки мгновенных значений его технических характеристик. Здесь появляется дополнительный параметр—время, в течение которого, эти характеристики мо­гут сохраняться в процессе эксплуатации. Следовательно, ис­пытания на надежность неизбежно становятся более сложны­ми, длительными и часто связаны с полным разрушением ис­пытываемого образца.

В этих условиях достижение высокого уровня надежности всех современных технических устройств и изделий возможно только при условии, что вопросы надежности будут постоянно находиться в центре внимания всех конструкторов, техноло­гов, всего производственного и обслуживающего персонала, что надежность будет обеспечиваться и поддерживаться на всех этапах жизни изделия (в частности запорной и трубопроводной арматуры)  — при его проектировании, произ­водстве и эксплуатации.