Однако знание физической закономерности процесса в корне изменяет возмож-ности по оценке хода процесса по сравнению со случаем, когда этот процесс оценива-ется только на основе статистических наблюдений.

Функциональная зависимость, хотя и абстрагирует действительность и лишь с известной степенью приближения отражает физическую сущность процесса, но позво-ляет предсказывать возможный ход процесса при различных ситуациях.

Поэтому «физика отказов», которая изучает закономерности изменения свойств материалов в условиях их эксплуатации, является основой для изучения и оценки на-дежности машин.

Для решения инженерных задач надежности необходимо знать закономерности изменения выходных параметров системы и ее элементов во времени. Современная наука изучает закономерности изменения свойств и состояния материалов на следую-щих уровнях.

Субмикроскопический уровень, когда на основании рассмотрения строения ато-мов и молекул и образования из них кристаллических решеток твердых тел или иных структур выявляются закономерности, которые служат базой для объяснения свойств и поведения материалов в различных условиях.

Микроскопический уровень рассмотрения свойств материалов исходит из анали-за процессов, происходящих в небольшой области. Полученные при этом закономерно-сти в дальнейшем распространяются на весь объем тела.

Изучение влияния совместного действия силовых и физико-химических факто-ров на поведение твердых тел в процессе их эксплуатации привело к появлению нового направления - физико-химической механики материалов.

Макроскопический уровень рассматривает изменение начальных свойств или со-стояния материала всего тела (детали). Так теория упругости на основе закона Гука рассматривает деформации и напряжения в системах и деталях различной конфигура-ции, работающих на растяжение, кручение, изгиб и другие виды деформации.

Разнообразные закономерности и методы расчетов, применяемые при конструи-ровании и производстве машин, полученные общие физические законы и частные зави-симости могут быть использованы и при решении вопросов надежности. При этом, по-скольку главной задачей является оценка изменения свойств и состояния материала в функции времени, необходимо выявить, какие физические закономерности могут быть использованы и как проявляется фактор времени при оценке работоспособности изде-лия.

---

23

4.3.2. Законы состояния

Как физические законы, так и полученные на их основе частные зависимости, описывающие изменение свойств и состояния материалов, можно разделить на две ос-новные группы.

Во-первых, это закономерности, описывающие взаимосвязи обратимых процес-сов, когда после прекращения действия внешних факторов материал (и соответственно деталь) возвращается в исходное состояние. Эти зависимости называются законами со-стояния.

Во-вторых, имеются закономерности, которые описывают необратимые процес-сы и, следовательно, позволяют оценить те изменения начальных свойств материалов, которые происходят или могут происходить в процессе эксплуатации изделия. Эти за-висимости называются законами старения.

Законы состояния можно разделить на статические, когда в функциональную зависимость, описывающую связь между входными и выходными параметрами, фактор времени не входит, и на переходные процессы, где учитывается изменение выходных параметров во времени.

Типичными примерами статических законов состояния могут служить закон Гу-ка, закон теплового расширения твердых тел и др. На основании этих законов получе-ны расчетные зависимости для решения различных инженерных задач.

Статические законы, описывающие изменения состояния изделия, хотя и не включают фактор времени, но могут быть использованы для расчетов надежности, ес-ли известны изменения характеристик изделия в процессе эксплуатации.

Законы состояния, описывающие переходные процессы, например колебания упругих систем, процессы теплопередачи и другие, хотя и включают фактор времени, но также не учитывают изменений, происходящих при эксплуатации изделий. Обычно они относятся к категории быстропротекающих процессов или процессов средней ско-рости. Лишь при известном изменении уровня внешних воздействий их можно исполь-зовать для решения задач надежности.

---

4.3.3. Законы старения

Основное значение для оценки потери изделием работоспособности имеет изу-чение законов старения, которые раскрывают физическую сущность необратимых из-менений, происходящих в материалах изделия. Хотя законы старения всегда связаны с фактором времени, в некоторых из них время непосредственно не фигурирует, так как в полученных зависимостях отыскивается связь с другими факторами (например, энер-гией), которые, в свою очередь, проявляются во времени. Такие зависимости будем на-зывать законами превращения.

Типичным примером законов превращения могут служить зависимости, описы-вающие процессы коррозии. Вывести закономерности, непосредственно отражающие изменение величины коррозии во времени, трудно: во-первых, в результате поливари-антности коррозийных процессов, когда большое число факторов оказывает одновре-менно и часто противоположное действие на интенсивность повреждения, и во-вторых, коррозия может быть не только равномерно распределенной по поверхности металла

24

(например, в виде окисной пленки), но и носить локальный характер (местная корро-зия) или проявляться в виде межкристаллитной коррозии.

Для оценки возможности возникновения и интенсивности коррозионного про-цесса применяют законы химической термодинамики.

Применение физико-химических закономерностей для оценки интенсивности протекания процессов химической коррозии является типичным подходом к анализу сложных явлений старения и разрушения материалов.

Хотя для прогноза поведения изделия при эксплуатации и для выбора оптималь-ных решений желательно было бы иметь непосредственные зависимости протекания данного процесса старения во времени, сложность явления не позволяет на данном эта-пе получить эту закономерность.

Поэтому используются, физические и химические законы, отражающие наибо-лее существенные стороны процесса и показатели, по которым можно косвенно судить об интенсивности процесса.

Законы старения, оценивающие степень повреждения материала в функции времени, являются основой для решения задач надежности. Они позволяют прогнози-ровать ход процесса старения, оценивать возможные его реализации и выявлять наибо-лее существенные факторы, влияющие на интенсивность процесса. Типичным приме-ром таких зависимостей являются законы износа материалов, которые на основе рас-крытия физической картины взаимодействия поверхностей дают методы для расчета интенсивности процесса изнашивания или величины износа в

---

функции времени и оце-нивают параметры, влияющие на ход процесса.

Многие временные закономерности физико-химических процессов могут быть получены на основе рассмотрения кинетики термоактивационных процессов. Измене-ние свойств твердых тел происходит в результате перемещений и перегруппировок элементарных частиц (атомов, молекул, электронов, протонов и др.), изменения их по-ложения в кристаллической решетке.

Это относится к той небольшой части элементарных частиц, энергия .которых превосходит некоторый уровень, который называется энергией активации Е_а. Скорость данного процесса тем больше, чем большее число частиц обладает энергией выше, чем энергия активации.

Любой процесс старения возникает и развивается лишь при определенных внеш-них условиях. Для оценки возможных видов повреждения материалов деталей машин необходимо установить область существования процесса старения и в первую очередь условия его возникновения. Для возникновения процесса обычно должен быть пре-взойден определенный уровень нагрузок, скоростей, температур или других парамет-ров, определяющих его протекание. Этот начальный уровень или порог чувствительно-сти особенно важно знать для быстропротекающих процессов старения, когда после возникновения процесса идет его интенсивное лавинообразное развитие. Часто порог чувствительности связывают с некоторым энергетическим уровнем, который определя-ет начало данного процесса. Например, энергия активации E_а определяет энергетиче-ский уровень, начиная с которого может идти процесс изменения свойств материала.

Энергетическая концепция лежит в основе теории возникновения трещин в ме-таллических конструкциях при средних напряжениях, остающихся ниже предела теку-чести.

25

4.4. Отказы, вызываемые общими причинами (множественные отказы)

Множественный отказ есть событие, при котором несколько элементов выходят из строя по одной и той же причине. К числу таких причин могут быть отнесены сле-дующие:

• 
  конструкторские недоработки оборудования (дефекты, не выявленные на ста-дии проектирования и приводящие к отказам вследствие взаимной зависимости между электрическими и механическими подсистемами или элементами избыточной систе-мы);
  
• 
  ошибки эксплуатации и технического обслуживания (неправильная регулиров-ка или калибровка, небрежность оператора, неправильное обращение и т. я.);
  
• 
  воздействие окружающей среды (пыль, грязь, температура, вибрация, а также экстремальные режимы нормальной эксплуатации);
  
• 
  внешнее катастрофическое воздействие (естественные внешние явления, та-кие, как наводнение, землетрясение, пожар, ураган);
  
• 
  общий изготовитель (резервируемое оборудование или его компоненты, по-ставляемые одним и тем же изготовителем, могут иметь общие конструктивные или производственные дефекты. Например, производственные дефекты могут быть вызва-ны неправильным выбором материала, ошибками в схемах монтажа, некачественной пайкой и т. п.);
  
• 
  общий внешний источник питания (общий источник питания для основного и резервного оборудования, резервируемых подсистем или элементов);
  
• 
  неправильное функционирование (неверно выбранный комплекс измерительных приборов или неудовлетворительно спланированные меры защиты).
  

---

Известен целый ряд примеров множественных отказов атомных электростанций. Так, некоторые параллельно соединенные пружинные реле выходили из строя одно-временно и их отказы были вызваны общей причиной; вследствие неправильного рас-цепления муфт при техническом обслуживании два клапана оказались установленными в неправильное положение; из-за разрушения паропровода имели место сразу несколь-ко отказов коммуникационного щита. В некоторых случаях общая причина вызывает не полный отказ резервированной системы {одновременный отказ нескольких узлов, т. е. предельный случай), а менее серьезное общее понижение надежности, что приводит к повышению вероятности совместного отказа узлов системы.

5. Основные характеристики надежности элементов и систем

5.1. Показатели надежности невосстанавливаемого элемента

Невосстанавливаемым называют такой элемент, который после работы до пер-вого отказа заменяют на такой же элемент, так как его восстановление в условиях экс-плуатации невозможно. В качестве примеров невосстанавливаемых элементов можно назвать диоды, конденсаторы, триоды, микросхемы, гидроклапаны, пиропатроны и т.п.

Пусть время работы невосстанавливаемого элемента представляет собой слу-чайную величину τ. В момент времени t = 0 элемент начинает работать, а в момент t= τ происходит его отказ, следовательно, τ является временем жизни элемента. Таким об-

26









28

---

Смотрите также файлы

• Написанию и оформлению индивидуального.docx

• Влияние использования steam технологии на познавательную потребность детей дошкольного возраста.docx

• Лабораторная работа 1 по курсу Инструменты бизнесаналитики исполнитель Богомолов Д. Н. Фио.docx

• Вопросы для экзамена по дисциплине Гражданский процесс.docx

• Цель влияние самооценки на профессиональное самоопределение в юношеском возрасте Объект исследования.docx