Теория надёжности

Теория надёжности является комплексной научной дисциплиной, предмет которой включает изучение методов и приёмов, которых надлежит придерживаться в ходе проектирования, производства, приёмки, транспортировки, эксплуатации и хранения изделий и устройств для достижения максимальной эффективности и безопасности их использования, а также разработку методов, позволяющих рассчитывать количественные характеристики качества сложных технических систем на основе известных характеристик их составных частей. В частности, теория надёжности призвана устанавливать закономерности возникновения отказов устройств, прогнозировать появление отказов, находить способы повышения надёжности изделий при их проектировании, разрабатывать методы расчёта и проверки надёжности технических систем, изыскивать приёмы поддержания надёжности технических систем при их транспортировке, эксплуатации и хранении^[1][2][3].

В рамках теории надёжности сформулировано немало положений, справедливых для любых технических устройств. На этих общих принципах базируются применяемые к различным системам и объектам методы и способы обеспечения надёжности, но реализация данных методов зачастую носит специфичный характер применительно к системам и объектам определённого назначения. В результате на практике выделяют общую теорию надёжности, в которой изучают общие закономерности отказов и восстановлений технических систем и общие методы обеспечения надёжности, и частные разделы этой теории, которые ориентированы на отдельные классы устройств и их элементов и учитывают их специфику^[4].

Значительная часть вопросов, рассматриваемых в теории надёжности, носит по своему существу математический характер и для своего решения требует как применения уже известных математических средств, так и разработки новых. В теории надёжности нашли широкое применение методы теории вероятностей и математической статистики^[4][5].

В рамках теории надёжности вводят количественные показатели надёжности технических систем, выявляют связи между ними и экономической эффективностью и безопасностью, обосновывают требования к надёжности объектов с учётом влияния на происходящие в них процессы внешних и внутренних воздействий, разрабатывают методы синтеза элементов и технических систем с заданной надёжностью, методы испытания технических систем и их элементов на надёжность^[2][6].

Основные понятия и определения теории надёжности технических устройств сформулированы в ГОСТ 27.002—89 «Надёжность в технике. Основные понятия. Термины и определения»^[7].

В середине 30-х годов шведский инженер и математик В. Вейбулл, анализируя отказы, связанные с износом шарикоподшипников, предложил простую и удобную математическую модель для их описания, которая известна теперь как Распределение Вейбулла^[8]

В 1950 г. военно-воздушные силы США организовали группу для изучения проблем надёжности радиоэлектронного оборудования. Группа установила, что основная причина выхода из строя радиоэлектронной аппаратуры заключалась в низкой надёжности её элементов. Был собран богатый статистический материал, который и явился основой теории надёжности. Для математической обработки данного материала разрабатывались новые вероятностно-статистические математические подходы.

в 1958 г. состоялась Первая Всесоюзная конференция по надёжности, на которой председательствовал В.И. Сифоров^[9]. В 50-х годах ХХ-го века в СССР также были созданы первые группы надёжности в ВВА им. Н.Е. Жуковского и ЦНИИ 22 МО. В конце 50-х в НИИ МЭП была разработана первая отраслевая методика расчёта надёжности. В 1959 году в СССР вышла книга «Основы теории и расчёта надёжности».

Тогда же появилось математическое определение термина «надёжность»:

• Надёжность (reliability) есть вероятность того, что устройство выполняет свои функции в соответствии с предъявляемыми требованиями в течение заданного интервала времени.

Со временем появилось и другое определение: • Надёжность является интегральной функцией распределения вероятности безотказной работы от момента включения до первого отказа.

И наконец короткое определение, давшее начало следующему этапу разработки теории: "Надёжность — это вероятность безотказной работы.

Этап классической теории надёжности (1960 г. — 1970 г). В эти годы появляется космическая техника, требующая повышенной надёжности. С целью обеспечения требуемой надёжности исследуется надёжность при разработке, производстве и эксплуатации изделий. Разрабатывается теория диагностики сложных систем. Появляются новые стандарты по надёжности машин. В 1962 г. Б. Гнеденко и Я. Сорин организовали еженедельный Семинар по надёжности, который проходил в МГУ. В 1969 г. при журнале «Стандарты и качество» Я. Сорин создаёт приложение «Надёжность и контроль качества». В 1964 г. коллектив авторов, возглавлявшийся Н. Шишонком опубликовала монографию «Основы теории надёжности радиоэлектронной аппаратуры»^[9]

Этап системных методов надёжности (с 1970 г.). На этом этапе были разработаны новые требования к надёжности, заложившие основу современных систем и программ обеспечения надёжности. Были разработаны типовые методы обеспечения надёжности на всех стадиях жизненного цикла изделий: конструктивные (выбор материала, запас прочности и т. д.), технологические (ужесточение допусков, повышение чистоты поверхности и т. д.), эксплуатационные (стабилизация условий эксплуатации, совершенствование методов диагностики, ТО и ремонта и т. д.). В начале 60-х при Госстандарте создан НТС по проблемам надёжности. В середине 60-х на предприятиях оборонного комплекса были созданы службы надёжности. В 1969 году стал выходить журнал «Надёжность и контроль качества». В середине 70-х в журнале Известия АН СССР «Техническая кибернетика» открыт раздел «Теория надёжности». В конце 50-х, в начале 60-х годов в различных городах СССР зарождались научные школы надёжности (Москва, Ленинград, Киев, Иркутск, Минск и др.). В 1985 был издан справочник «Надёжность технических систем» под редакцией И. А. Ушакова с участием большого числа авторов не только из СССР, но и из США и других стран, обобщивший мировой опыт теоретических разработок и практических исследований надёжности.

В 90-х годах XX в. развитие теории надёжности в бывшем СССР приостановилось. И вновь началось после 2000 года.

Под руководством учёного Корнейчука В. И. на кафедре вычислительной техники НТУУ «КПИ» (Украина) были изданы многочисленные публикации, научные пособия и изобретения в области теории надёжности.

Математический аппарат современной теории надёжности основан на результатах следующих разделов математики:

• теория вероятностей;
• математическая статистика;
• теория случайных процессов;
• теория массового обслуживания;
• математическая логика;
• теория графов;
• теория оптимизации.

Развитие теории надёжности привело к появлению таких новых направлений прикладных научных исследований, как:

• физика отказов;
• статистическая теория прочности;
• техническая диагностика;
• инженерная психология;
• исследование операций;
• планирование эксперимента;
• надёжность конструкций;
• и др.