Научно-технического прогресса

НАДЕЖНОСТЬ

ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА

 

 

Екатеринбург

 

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Уральский государственный университет путей сообщения

Кафедра «Электрическая тяга»

 

А. П. Буйносов

НАДЕЖНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО

ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

 

Методические рекомендации по изучению дисциплины

«Надежность электроподвижного состава»

для студентов всех форм обучения

 

 

 

 

Екатеринбург

УДК 629.424.01

Б37

 

Буйносов А.П. Надёжность электроподвижного состава: Методические рекомендации по изучению дисциплины «Надежность электроподвижного состава» для студентов всех форм обучения. – Екатеринбург, 2012. – 49 с.

 

Методические рекомендации предназначены для закрепления и углубления знаний студентов по основным разделам дисциплины «Надежность электроподвижного состава», в процессе самостоятельной работы.

Изложены вопросы надежности технических систем. Приведена краткая история развития, усложнения технических систем. Рассмотрены вопросы влияния низкого уровня надежности технических систем на экономику и безопасность эксплуатации железнодорожного транспорта.

Содержат материалы, базирующиеся на методах теории вероятности и математической статистики, позволяющие построить математическую модель процесса изнашивания технического объекта и определить числовые характеристики этого процесса.

Методические рекомендации оформлены в соответствии с ГОСТ 2.105–95 ЕСКД «Общие требования к текстовым документам», предназначено для студентов всех форм обучения и может быть использовано при выполнении дипломных проектов.

 

Автор:

А.П. Буйносов, к.т.н., доцент кафедры Электрической тяги, УрГУПС

 

 

Рецензент:

И.С. Цихалевский, к.т.н., доцент кафедры Электрической тяги, УрГУПС.

 

 

Ó Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС), 2012

 

Содержание

Введение....................................................................…….....................………..
1 Основные понятия теории надежности……………………………………..
2 Возрастание значения надежности в ходе научно-технического прогресса.………………………………………………………..………………
3 Надежность и экономика…………………………………………………….
4 Технико-экономические последствия низкой надежности техники……....
5 Надежность как составляющая качества технических объектов.................
6 Краткие сведения из истории развития науки о надежности……………..
7 Способы представления и систематизация информации об износе деталей ЭПС………………………………………….........................................
8 Расчет числовых характеристик закона распределения контролируемого параметра…………………………………………………..……………………
9 Определение зависимости числовых характеристик от пробега…............
10 Определение ресурса изнашиваемых деталей…………………….............
Заключение……………………………………………….………..……………
Список использованных источников………………...…………….………….

 

 

Введение

На сети железных дорог России круглосуточно обращаются по единому согласованному графику сотни тысяч локомотивов и вагонов, реализуется все возрастающий объем грузовых и пассажирских перевозок. Успешная работа железнодорожного конвейера обеспечивается непрерывной и интенсивной эксплуатацией огромного количества стационарных и передвижных технических устройств самых разнообразных типов, конструкций, различных назначений и принципов действия. Многие из них выполняют весьма ответственные функции, призваны обеспечивать безопасность движения поездов, функционируют в тяжелых эксплуатационных условиях, длительное время без осмотров и профилактики, к тому же в процессе движения доступ обслуживающего персонала к ним практически невозможен. Это относится в первую очередь к тяговому подвижному составу: электровозам, тепловозам, электро- и дизель- поездам.

Наиболее интенсивное использование характерно для ЭПС. На электрифицированных участках железных дорог средняя грузонапряженность превышает аналогичный показатель, средневзвешенный для сети дорог, в 2–2,5 раза.

Очевидна непосредственная взаимосвязь между технико-экономической эффективностью использования подвижного состава и уровнем его эксплуатационной надежности. Проведение правильной, научно-обоснованной технической политики в области надежности ЭПС состоит в удовлетворении требования наиболее эффективного использования ЭПС при минимальных затратах материальных, энергетических, трудовых ресурсов и максимальном обеспечении безопасности и бесперебойности движения поездов.

Проблема надежности ЭПС может быть успешно решена лишь на основе системного подхода, обеспечивающего всеохватность, обязательность и постепенность реализации составляющих мероприятий. Пока же ее решение зачастую носит характер временных кампаний, слабо организованных и почти не планируемых. Особенно наглядны проявления «кампанейщины» при освоении новой серии локомотивов, поступающей в эксплуатацию. Задача повышения надежности локомотивного парка решается разобщенными и эпизодическими мерами.

Системный подход предполагает комплексное решение проблемы с многосторонним учетом реальных факторов, воздействующих на состояние надежности технического объекта (локомотив, либо его узел, деталь), с планомерным объединением усилий причастных лиц и организаций (проектные и конструкторские бюро, заводы-изготовители, ремонтные заводы, локомотивные депо), с учетом влияния человеческого фактора.

Существенная черта системного подхода – целенаправленное сквозное решение проблемы надежности на трех стадиях создания и функционирования объекта от обоснования идеи его технической разработки до списания из эксплуатации:

– стадия проектирования включает в себя поисковые исследовательские разработки, техническое задание, эскизный и рабочий проекты, опытно-конструкторские разработки (ОКР), создание макетов и опытных образцов. На этой стадии надежность объекта закладывается за счет подбора комплектующих элементов, применения прогрессивных материалов, перспективных схемных и конструктивных решений, способов защиты от вредных влияний окружающей среды (герметизация, амортизация и т. п.). На этом этапе производят анализ информации о надежности объектов-прототипов проектируемому, расчет нормируемых показателей надежности, выбор методов и средств контроля технического состояния объекта;

– стадия изготовления характеризуется переходом от опытного образца к установочной партии и далее – к серийному производству; здесь надежность объекта обеспечивается за счет разработки и строгого соблюдения технологии обработки и монтажа узлов и деталей объекта, методов входного, пооперационного и выходного контроля, усовершенствованных способов испытаний в процессе производства;

– на стадии эксплуатации надежность объекта реализуется.

При этом надежностный ресурс постоянно расходуется и может быть поддержан на приемлемом уровне за счет системы технического обслуживания и текущих ремонтов (ТО и ТР). На уровень эксплуатационной надежности влияют как режимы и условия эксплуатации (токовые и тепловые нагрузки электрического оборудования, уровень динамических воздействий на экипажную часть, стабильность напряжения в системе электроснабжения, режимы ведения поезда на различных участках пути, климатические условия полигона), так и структура и эффективность действующей системы ТО и ТР (нормы межремонтных пробегов и временных интервалов, объем ремонтных операций на каждом их виде).

Здесь обосновывают ремонтные допуски и регулировки, применение технического диагностирования, обеспечение запасными деталями, пути совершенствования ремонтной базы, рекомендуют способы сбора и последующего анализа информации об эксплуатационной надежности.

Выработанные на всех этих стадиях рекомендации составляют единую систему управления качеством электрического подвижного состава.

 

Основные понятия теории надежности

Как и любая отрасль науки, теория надежности имеет ряд основополагающих понятий, которые зафиксированы в общегосударственном стандарте ГОСТ Р 53480–2009 «Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения». Аналогичное содержание имеет отраслевой стандарт ЦТ и ЦТР ОАО «РЖД» ОСТ 24.040.03–2008 «Тяговый подвижной состав. Надежность. Термины и определения».

Базовыми понятиями теории надежности являются «надежность» и «отказ».

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

Надежность тесно связана с временем функционирования объекта и характеризует, как изменяются во времени первоначальные свойства объекта.

Иными словами, надежность определяет динамику изменения качества технического объекта. Под качеством понимают совокупность свойств, характеризующих степень пригодности для использования по назначению.

Качество – более широкое, более обобщающее понятие, чем «надежность».

Согласно определению, надежным считается не только объект, подвергшийся разрушению, но и тот объект, характеристики которого вышли за допустимые пределы, установленные для него.

Надежность – комплексное понятие, состоящее в общем случае из безотказности, ремонтопригодности, сохраняемости и долговечности.

Для объектов, которые являются потенциальным источником опасности, немаловажным считается понятие «безопасность»: свойство объекта при изготовлении и эксплуатации, а также в случае нарушения работоспособного состояния не создавать угрозу для жизни и здоровья людей и для окружающей среды.

Перейдем к составляющим надежности.

Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторой наработки.

Работоспособное состояние (работоспособность) – состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической документации.

Под наработкой понимают продолжительность или объем работы объекта, причем она может быть величиной непрерывной (время работы в часах, километраж пробега) либо целочисленной (количество рабочих циклов).

Нормативно-технические документы различаются между собой, в первую очередь, по масштабам применяемости и значимости.

Так, государственный стандарт (ГОСТ) обязателен к применению на всей территории страны в любой народнохозяйственной отрасли, отраслевой стандарт (ОСТ) действует в пределах данной отрасли, например, ЦТР ОАО «РЖД». На следующей ступени располагаются стандарты предприятий (СтПр): производственных объединений, отдельных предприятий. Технические условия (ТУ), инструкции по эксплуатации составляются на отдельные серии изделий. В конструкторскую (проектную) документацию, как правило, входят рабочие чертежи и схемы, расчетные записки, ведомости изготавливаемых и комплектующих узлов, руководство по монтажу и испытаниям выпускаемых изделий.

Ремонтопригодность – свойство объекта, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонтов.

Это понятие включает в себя обслуживаемость (приспособленность к техническому обслуживанию), контролепригодность (приспособленность к контролю технического состояния, к диагностированию), а также приспособленность к предупреждению и обнаружению отказов и повреждений и вызывающих их причин.

По отношению к наличию указанного свойства объекты делят на две категории: невосстанавливаемые (неремонтируемые), которые можно эксплуатировать по прямому назначению только до первого и единственного отказа, после чего они безвозвратно теряют работоспособность, и восстанавливаемые (ремонтируемые), которые подлежат неоднократному восстановлению работоспособности после отказов в процессе эксплуатации.

Сохраняемость – свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способность объекта выполнять требуемые функции в течение и после хранения и транспортировки.

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

Предельное состояние – состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна, либо восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно.

Основные его причины: неустранимое нарушение требований безопасности и безотказности эксплуатации; ремонт требует недопустимо больших затрат либо не обеспечивает нужной степени восстановления работоспособности и исправности.

Отказ – событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта. Под критерием отказа понимают совокупность признаков, которая установлена в нормативно-технической и конструкторской документации на данный объект.

Критичность отказа – совокупность признаков, характеризующих последствия отказа.

Отказы принято классифицировать по нескольким критериям и характеру возникновения:

– внезапные (мгновенные, катастрофические) являются следствием резкого, скачкообразного изменения значений одного или нескольких параметров объекта; как правило, они возникают при резкой концентрации нагрузок, электрических и механических напряжений в материале объекта;

‑ постепенные (параметрические) возникают в результате постепенного, относительно плавного изменения значений одного или нескольких параметров объекта; их физическая природа – чаще всего изнашивание и старение материала.

Необходимо отметить, что принципиальных отличий между этими разновидностями отказов не существует. Любым, на первый взгляд, мгновенным изменениям практически всегда предшествуют скрытые, почти незаметные отклонения (микротрещины, концентрации напряжений, наличие посторонних включений в толще электрической изоляции и т. п.). Дифференциация отказов по этому критерию в значительной мере зависит от глубины информации об анализируемом объекте, наличия достоверных данных о его диагностических параметрах.

По мере совершенствования расчетных методов и средств контрольно-измерительной техники, позволяющих своевременно обнаруживать источники возможных отказов и прогнозировать их развитие во времени, все большее количество отказов станет относиться к категории постепенных. Можно считать, что граница между понятиями «внезапный отказ» и «постепенный отказ» достаточно условна и имеет, с методической точки зрения, прикладной смысл. Мероприятия по повышению безотказности применительно к износовым, сравнительно медленно развивающимся отказам и резко прогрессирующим во времени внезапным отказам с разрушительными последствиями, отличаются между собою.

Немаловажным свойством постепенного отказа является контролируемое изменение подверженных деградации параметров объекта, что облегчает задачу прогнозирования отказа и позволяет произвести профилактическую замену изнашиваемого элемента до перехода объекта в неработоспособное состояние.

В зарубежной нормативной литературе получило распространение следующее определение внезапного отказа:

– отказ, наступление которого не может быть предсказано предварительным контролем или диагностированием.

По взаимосвязи между ними:

– независимый отказ – отказ, не обусловленный другими отказами;

– зависимый отказ – отказ, обусловленный другими отказами, когда он появляется из-за отказа другого элемента, либо повлиял на возникновение отказа другого элемента.

По признакам проявления:

– явный отказ, обнаруживаемый визуально или инструментами, методами и средствами контроля и диагностирования при подготовке объекта к применению или в процессе его применения по назначению;

– скрытый отказ, выявляемый при проведении технического обслуживания или специальными методами диагностики.

По причинам возникновения:

– конструктивный отказ – отказ, возникший по причине, связанной с несовершенством или нарушением установленных правил и норм проектирования и конструирования;

– производственный отказ – отказ, возникший по причине, связанной с несовершенством или нарушением установленного процесса изготовления или ремонта, выполняемого на ремонтном предприятии;

– эксплуатационный отказ – отказ, возникший по причине, связанной с нарушением установленных правил и условий эксплуатации;

– деградационный отказ – отказ, обусловленный естественными процессами старения, изнашивания, коррозии и усталости при соблюдении всех установленных правил и норм проектирования, изготовления и эксплуатации.

По степени влияния на работоспособность:

– полный, когда работоспособность объекта теряется полностью;

– частичный, когда работоспособное состояние сохраняется лишь частично; такое состояние характерно для сложных объектов, когда определение неработоспособности неоднозначно; так, например, при выходе из строя одного из тяговых двигателей локомотива появляется возможность продолжать движение на оставшихся моторах, но при реализации меньшей мощности, меньшей силы тяги: локомотив становится неработоспособным частично.

Специфические особенности конструкции и эксплуатации разнообразных технических устройств обуславливают введение в употребление дополнительных определений терминов надежности, отличающихся от общепринятых стандартизованных терминов. Так, ЦТ и ЦТР в отраслевом стандарте ОСТ 24.040.03–2008 устанавливают следующие определения отказа применительно к локомотиву.

Отказ – событие, заключающееся в нарушении работоспособности локомотива, имеющее любое из следующих последствий:

– невыполнение показателей (вес, скорость, время хода и стоянок), графика движения поездов (порча, остановка, опоздания и др.);

– восстановление работоспособности в пути следования без нарушения показателей и графика движения;

– неплановый ремонт;

– досрочная замена или регулировка оборудования (узла, детали);

– повышенный объем работ по отношению к установленным нормам планового ремонта.

При анализе эксплуатационной надежности ЭПС устанавливают различия между работоспособным и исправным состоянием объекта, отказом и неисправностью.

Неисправность – состояние объекта (локомотива либо его узла), при котором он не соответствует хотя бы одной из норм, установленной в нормативно-технической документации.

Если при этом локомотив или его узел не могут выполнять свои функции с заданными параметрами, то неисправность стала непосредственной причиной отказа.

Если же на способности функционировать с заданными параметрами это событие не отразилось, то оно считается повреждением, то есть произошло нарушение исправного состояния при сохранении работоспособности. Типичная причина повреждения состоит в появлении внешних воздействий, превышающих установленный уровень. Стало быть, неисправное состояние является более широким понятием, включающим в себя и отказ, и повреждение.

Исправное состояние объекта характеризуется соответствием всем требованиям, предъявляемым нормативно-технической документацией к объекту.

Для определения работоспособности локомотива либо его узла необходимо осуществить следующее:

– составить перечень технических параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции;

– установить для каждого из параметров минимальные и максимальные допустимые его значения, в том числе ремонтные и эксплуатационные;

– разработать методику и сконструировать аппаратуру для измерения значений каждого из параметров.

Анализируемый объект считается исправным, если замеренные значения всех параметров находятся в пределах установленных допусков.

Работоспособный объект может быть как исправным, так и неисправным, однако неисправность при этом не может быть существенной и не может нарушать нормальное функционирование.

 

2 Возрастание значения надежности в ходе

Технических объектов

Технологический процесс (цель)	Стадии развития ТО с нарастанием выполняемых функций
I (технологическая)	II (технологическая + энергетическая)	III (технологическая + энергетическая + управленческая)	IV (технологическая + энергетическая + управленческая + планирования)
Размалывание зерна	Каменные жернова с ручным приводом	Мельница с приводом от водяного колеса, паровой машины или ветряная	Мельница с системой автоматического правления (САУ)	Мельница с САУ, получающая задание автоматизированной системы планирования работы (АСПР)
Перемещение грузов	Тачка, колесная тележка, перемещаемые человеком	Экипаж с двигателем (паровоз, автомобиль)	Локомотив с автомашинистом, автомобиль с САУ	Электропоезда, метро с САУ, получающие информацию АСПР, осуществляющей сбор информации
Изготовление детали путем обработки резанием	Токарный станок с ручным или ножным приводом	Токарный станок с приводом от вод. колеса, пар. машины или эл. двигателя	Токарный станок с числовым программным обеспечением (ЧПУ)	Металлорежущие станки с ЧПУ, получающие задание от АСПР (автоматизированный цех, завод)

 

С течением времени росли не только количественные показатели «техносферы» (число видов ТО различного назначения и их модификаций, серийность или объем партий одноименных инструментов, машин, аппаратов, систем, сложность или число элементов в них), но и качественные показатели, характеризующие функциональные параметры, влияющие на производительность и эффективность оборудования (мощность, скорость, точность и др.), а также определяющие интенсивность влияния нагрузок и эксплуатируемых машин на их детали (механические и электромагнитные нагрузки, температура и т. п.).

Первые паровые машины, как и первые двигатели внутреннего сгорания (ДВС), имели мощность в несколько лошадиных сил. В начале века мы гордились первенцем советской энергетики – Волховской ГЭС, имевшей мощность 66 тыс. кВт. Построенные через 30–50 лет ГЭС (Красноярская, Саяно-Шушенская и др.) оборудованы большим количеством гидротурбин, каждая из которых превосходит по мощности Волховскую ГЭС более чем в десять раз. В нашей стране освоен выпуск гидротурбин для ГЭС, паровых турбин для ТЭС, АЭС мощностью свыше 1 млн кВт. Мощность двигателей современных космических ракет достигает фантастических величин – сотен миллионов киловатт. За семь, восемь десятилетий развития локомотивов и их мощность возросла в 10–15 раз. Например, рост мощности тепловозов с 1924 г. характеризуется так: ТЭ1 – 1000 л.с., ТЭ2 – 2000, 2ТЭ3 – 4000, 2ТЭ10 – 6000, 2ТЭ121 – 8000, 2ТЭ136 – 12000 л.с.

Весьма показателен рост удельной мощности ДВС, приходящейся на единицу массы двигателей различных годов выпуска (см. табл. 5).

 

Таблица 5 – Удельная мощность ДВС

Годы выпуска							Современный авиационный поршневой	Современный авиационный реактивный
Удельная мощность, л.с./кг	0,004	0,007	0,016	0,033	0,100	0,330	0,7–1,2	2,0–3,5

 

Данные табл. 5 показывают, что за 80–90 лет удельная мощность поршневых ДВС возросла в 300 раз, соответственно возросли нагрузки на детали и, конечно, снизился удельный расход металлов.

Важнейшими требованиями к современному технологическому оборудованию являются точность обработки деталей и чистота поверхности. Когда-то Джеймс Уатт с гордостью сообщал, что в его машине между поршнем и цилиндром «нельзя просунуть даже маленький палец». А российский изобретатель И.И. Ползунов, делая первую паровую машину, проверял зазоры в ней екатерининским пятаком, толщина которого достигала 6 мм. В своем наказе тульским оружейникам в 1706 г. Петр I требовал точности производства до «сотых дольнигов» (дюймов). Современные же станки позволяют обрабатывать детали с точностью до микрометров и даже их долей. Так, например, точность геометрических форм отверстий и валов нередко колеблется в пределах 0,5–2,0 мкм, а неконцентричность, непараллельность и неперпендикулярность поверхностей ряда деталей требуется выдержать в пределах 0,6–3,0 мкм.

В топливных насосах высокого давления тепловозных дизелей зазор между втулкой и плунжером измеряется в долях микрометра.

Поразительные результаты достигнуты в отношении точности попадания. Точность попадания ракет в цель измеряется несколькими метрами при дальности стрельбы в десятки и сотни километров. Корабль «Вояжер-2» за 12 лет полета к Нептуну, пройдя на расстоянии 5 тыс. км от него, накопил следующие ошибки от расчетных параметров: 30 км расстояния и 1,4 с времени (это при пройденном пути в 4,5 млрд км).

Новые принципы и методы регистрации светового излучения интенсивностью до одного кванта в секунду предложили белорусские ученые. Созданные ими приборы нашли применение в астрофизике, ядерной физике, оптике, электронике, технологии производства микросистем и многих других отраслях науки и техники. В современных приборах, в генной инженерии, в квартовой механике атом вещества стал реальным объектом, который не только изучается, но и перемещается на нужное место по желанию исследователя (речь идет о расстояниях, измеряемых в нанометрах – 10^-9 м). В принципе современный силовой атомный микроскоп обладает достаточной чувствительностью для детектирования единичного электрона.

В распоряжении наших ученых и инженеров имеются приборы, измеряющие вес с точностью до двух миллионных долей грамма, температуру – до одной стотысячной доли градуса, регистрирующие отклонения силы тока в миллиардные доли ампера, происходящие на протяжении миллионных долей секунды, и столь же быстрые колебания напряжения в стотриллионные доли вольта. Какова же должна быть точность деталей этих приборов? И что получится, если хоть одна деталь не будет удовлетворять крайне жестким требованиям точности? Такой прибор не сможет правильно контролировать технологический процесс. А в результате отказ одной ненадежной детали может привести к выпуску крупной партии негодной продукции или к аварии крупной технической системы.

Скорость является основным функциональным показателем многих современных машин, предназначенных не только для транспортировки грузов и пассажиров, но и для переработки (обработки) материалов, энергии или информации. И этот показатель ТО в ходе научно-технического прогресса постоянно повышался, особенно в период научно-технической революции XX веке.

Так, за период развития авиации скорость самолетов увеличилась более чем в 100 раз: первые летательные аппараты обладали скоростью не более 40 км/час, а скорость космических кораблей и ракет достигла уже 40 тыс. км/час, что в 1000 раз превышает скорость первых самолетов. Увеличивается скорость движения и подвижного состава наземного транспорта: на отечественных железных дорогах скорость движения грузовых поездов – до 100 км/ч., пассажирских – до 160 км/ч., на скоростных участках – до 200–250 км/ч., на зарубежных высокоскоростных железнодорожных линиях – до 450 км/ч.; для грузовых автомобилей – до 100–120 км/ч., легковых – до 200–250 км/ч.

Высокие скорости широко используются и в производстве. Конструктивное и технологическое совершенствование станков позволяет, например, довести число оборотов шпинделя внутришлифовального станка до 120–150 тыс. об/мин. Роторы газотурбинных двигателей имеют частоту вращения до 40–60 тыс. об/мин.

Огромные скорости достигнуты в области переработки информации путем автоматизации этого сложного процесса с помощью компьютеров. Английскому математику Шенксу потребовалось 15 лет, чтобы узнать число «пи» с точностью до 707-го знака. Электронная вычислительная машина (еще образца 60-х гг. ХХ века) менее чем за одни сутки «выдала» это число с 2048 знаками после запятой, попутно исправив ошибки Шенкса. Проведенные в Институте кибернетики Академии наук Украины исследования показали, что при ручном методе проектирования железной дороги длиной в несколько сотен километров, проходящей по горной местности, решение с нужной точностью лишь одной из частей этой задачи – оптимального профилирования – потребует не менее 50 лет. Вычислительная машина решает эту задачу за несколько часов.

Комплексная автоматизация производственных процессов позволяет достигнуть таких быстроты, точности, постоянства параметров, экономии, которых человек обеспечить не может. В табл. 6 и 7 приведены данные о быстроте реакции человека на различные раздражители и об ошибках считывания показаний прибора при различных формах шкал. Автоматы могут улавливать то, что недоступно человеку, – невидимый свет, неслышимые звуки и многое другое. И, разумеется, они могут это сделать лишь в том случае, если работают надежно, безотказно.

 

Таблица 6 – Время реакции человека на различные раздражители

Раздражитель	Время, мс
Зрительный	150–225
Слуховой	120–182
Температурный	150–240
Болевой	400–1000

 

Таблица 7 – Ошибки считывания оператором показаний прибора

при различных формах шкал

Форма шкалы	Ошибка, %
Вертикальная линейка	35,5
Горизонтальная линейка	27,5
Полукруглая	16,6
Круглая	10,9
Окно	0,5

 

Автоматика является основой дальнейшего научно-технического прогресса. Однако чем сложнее и многограннее становятся ее задачи, тем большие требования предъявляются к ее надежности. Уже сейчас внедрение автоматизации в раде случаев тормозится не отсутствием необходимых приборов и устройств, а их недостаточной надежностью. Еще в начале XX века проблема надежности технических устройств была не такой острой, как сейчас; основной задачей технического прогресса являлось повышение эффективности и производительности машин. В настоящее время, в век небывалой технической революции, перед человечеством открываются возможности почти безграничного развития и совершенствования техники. Поэтому сейчас решающим условием технического прогресса становится проблема обеспечения высокой надежности машин и оборудования, всех технических объектов.

Прежде чем излагать инженерную сущность проблемы надежности техники и пути ее решения, нужно взять несколько уроков у природы. Она хороший учитель, ей во многом человек обязан каждым своим достижением. Создатели первых кораблей и подводных лодок изучали строение организма рыб. Н.Е. Жуковский при разработке теории воздухоплавания изучал полет птиц. И современным создателям машин невредно поучиться у природы – создательницы живых организмов, посмотреть, как решается проблема надежности в природе.

Посмотрим с этих позиций на человеческий мозг. Можно смело сказать, что сегодня среди всех творений человеческих рук, среди всех чудес техники нет ничего, что хотя бы приближалось к нему по сложности, экономичности, а главное – по надежности и гибкости работы. Мозг человека состоит примерно из 14 млрд нервных клеток – нейронов (а по последним данным – немного больше), которые целеустремленно управляют 100 трлн клеток организма. Тело человека имеет 639 мускулов, 206 костей скелета, его костные «шарниры» обладают 105 степенями свободы – и всем этим автоматически управляет наш мозг.

Каждый нейрон, как известно, может находиться либо в возбужденном, либо в заторможенном состоянии, упрощенно его можно уподобить по функциям двухпозиционному реле электромеханического, лампового, транзисторного или другого тока.

Предположим, что необходимо создать электронную машину с количеством элементов релейного действия, соответствующим количеству нейронов, имеющихся в мозге человека. Если бы в качестве таких элементов использовали триггеры на полупроводниковых приборах объемом в 1 см³ каждый и разместили бы их вплотную один к другому, объем такой машины был бы равен примерно новому зданию Московского государственного университета. Для питания такой машины потребовалась бы электростанция мощностью в несколько десятков киловатт, а для ее охлаждения – мощная река. А человеческий мозг свободно умещается в черепной коробке, занимая лишь около 1,5 дм³, потребляет всего несколько ватт и при всем этом выполняет свои сложнейшие функции с поразительной надежностью, которой может позавидовать самое совершенное в мире техническое устройство.

За счет чего же достигается надежность работы человеческого мозга? Может быть, за счет очень высокой надежности каждого нейрона? Оказывается, нет. Отдельно взятый нейрон представляет собой элемент, значительно менее надежный, чем, например, электромеханическое реле или транзистор. Благодаря исключительно целесообразной организации, выражающейся в множественности резервных элементов и связей между ними, надежность работы человеческого организма оказывается значительно выше, чем надежность каждого из его органов. Таким образом, живые организмы представляют собой яркий пример высоконадежных систем, состоящих из огромного количества менее надежных, а порой и крайне ненадежных взаимодействующих элементов.

Высокая надежность характерна не только для мозга человека. Мы часто жалуемся на свое сердце, сетуем на то, что к старости оно начинает пошаливать, но задумываемся ли мы над тем, какую гигантскую работу в течение жизни человека выполняет сердце? Наше сердце сокращается 60–70 раз в минуту и при каждом сокращении выбрасывает в сосуды 60–70 см³ крови. Это значит, что за час сердце перекачивает около 300 л крови, за сутки – свыше 7 тыс. л, за год – 2 млн 500 тыс. л, за 70 лет – 175 млн л, или 175 тыс. м³. За 70 лет жизни человека сердце сокращается почти три миллиарда раз. Можно ли назвать хоть одно техническое устройство, которое могло бы выдержать хотя бы сотую часть такого количества включений и выключений? Все это показывает, насколько далека еще надежность самых совершенных технических устройств и систем от надежности работы живых организмов.

Великий русский ученый И.П. Павлов писал: «Человек есть, конечно, система (грубее говоря – машина), как и всякая другая в природе, подчиняющаяся неизбежным и единым для всей природы законам; но система, в горизонте нашего современного видения, единственная по высочайшему саморегулированию». Именно эта саморегулируемая и благодаря этому исключительно надежная система может во многом служить примером для создания сложнейших технических систем. Проблема создания высоконадежных и эффективных технических устройств с использованием принципов биологических систем легла в основу новой науки – бионики («бион» по-гречески – «ячейка жизни»). Бионика занимается изучением живых организмов с целью использования полученных знаний при решении инженерных задач создания принципиально новых и совершенствования существующих технических систем.