Краткие сведения из истории развития науки о надежности

 

Наука о надежности технических устройств является одной из самых молодых и бурно развивающихся прикладных инженерных наук, хотя проблема, являющаяся предметом этой науки, – проблема надежности – одна из самых древних. Несмотря на то, что вопросами обеспечения надежности человек занимается с момента создания первого орудия труда (охоты), в самостоятельную науку теория надежности выделилась совсем недавно – в начале научно-технической революции, т.е. в середине XX века. До этого времени проблема надежности решалась с использованием накопленного практического опыта, эмпирически, без научного анализа, обоснования, расчета. Как известно, до XVII–XVIII веков наука и производство развивались разрозненно, без взаимной связи и влияния, без взаимного использования научных результатов и практического опыта. Прикладные исследования, направленные на изучение существовавшей тогда техники, отсутствовали, как и многочисленные сегодня технические науки. В них тогда просто не было необходимости.

До наступления эпохи машинного производства инструмент, простейшие машины были не серийными, как сейчас, а единичными, изготовленными конкретным мастером, имевшим свой опыт, свои «секреты» изготовления качественных изделий.

Это не означает, что требования к надежности технических устройств и сооружений отсутствовали. Исторические свидетельства говорят о том, что еще в древности надежности сооружений, оружия уделялось достойное внимание. Почти 4000 лет назад в Вавилоне существовал закон, который гласил, что если построенный архитектором дом развалится и при этом погибнет его владелец, архитектор подлежит смертной казни. Если погибнут и члены семьи владельца дома, то казни подлежат и члены семьи архитектора (отголоском этого закона в наше время является традиция: при испытании построенного моста автор стоит под мостом).

Известен указ Петра I, показывающий, какое значение придавал он качеству изготовляемого оружия, его надежности. Этот указ гласил: «П.1. Повелеваю хозяина тульской оружейной фабрики Корнилу Белоглаза бить кнутом и сослать в работу в монастыри, понеже он, подлец, осмелился войску государеву продавать негодные пищали и фузеи. Старшину олдермана Фрола Фукса бить кнутом и сослать в Азов, пусть не ставит клейма на плохие ружья. П.2. Приказываю ружейной канцелярии из Петербурга переехать в Тулу и денно и нощно блюсти исправность ружей. Пусть дьяки и подъячие смотрят, как олдерман клейма ставит, буде сомнение возьмет, самим проверять и смотром и стрельбою. А два ружья каждый месяц стрелять, пока не испортятся».

Так более двухсот пятидесяти лет назад царским указом были установлены одни из первых испытаний оружия на надежность.

До выделения теории надежности в самостоятельную науку вопросы надежности решались разрозненно, эмпирически, интуитивно. Такое положение объяснялось тем, что некоторое игнорирование надежности изделий не сильно сказывалось на эффективности их применения и наносило не столь значительный ущерб экономике, тем более что существовавшие в то время ТО выполняли не столь ответственные, важные и сложные функции, как в наше время.

В последующее время в связи с началом научно-технического прогресса и, в особенности, нынешней научно-технической революции особую важность приобрели многочисленные вопросы технической и экономической эффективности различного рода технических устройств и систем. Резко возросли: количество ТО, их сложность, важность выполняемых ими функций, экономический эффект от использования и размер ущерба от отказов, влияние на безопасность людей и экологическое воздействие на природную среду.

В первую очередь это почувствовали в области военной техники, связи, кибернетики, автоматики, энергетики, космической техники. Для победы в сражениях второй мировой войны требовалось громадное количество мощной, качественной, высоконадежной военной техники – самолетов, артиллерии, танков, подводных и надводных кораблей, стрелкового оружия устройств связи и транспортных средств. Ускоренное развитие в послевоенные годы кибернетики, космической техники, механизации и автоматизации всех отраслей производства потребовало решения проблем качества и надежности всех элементов быстрорасширяющейся техносферы. Поэтому теория надежности зародилась после второй мировой войны в применении к указанным областям техники.

Произошедшие в последующие десятилетия аварии и катастрофы техногенного характера показали, к какому громадному ущербу приводит низкая надежность сложных технических систем (отказ энергетической системы в США, авария при запуске космического корабля «Шаттл», Чернобыльская катастрофа и др.). Для недопущения подобных трагедий потребовалась разработка научных методов анализа, расчета и обеспечения высокой надежности ТО и их элементов, т.е. теории надежности.

Справедливости ради следует отметить, что в нашей стране еще в 30-х гг. ХХ века по инициативе выдающегося советского академика С.А. Чаплыгина была создана комиссия при АН СССР по изучению надежности и долговечности машин (1934 г.) В ней, например, была разработана методика расчета долговечности подшипников, не потерявшая своей ценности и в наше время. Однако деятельность этой комиссии не получила должной оценки и поддержки, и вскоре комиссия была расформирована.

Конечно, высокие требования к безотказности и долговечности предъявляются и в других областях техники, в том числе на транспорте, так как последствия отказов транспортной техники (влияние на безопасность движения, экологический ущерб) весьма велики. Академик А.И. Бэр писал, что «было бы неправильно ограничивать значение проблемы надежности лишь одними средствами электронной автоматики и электроники. По мере развития и усложнения всех видов техники проблема надежности приобретает общее значение».

Академик Б.В. Гнеденко дает следующее определение теории надежности как прикладной науки: «Общая научная дисциплина, изучающая общие методы и приемы, которых следует придерживаться при проектировании, изготовлении, приемке, транспортировке и эксплуатации изделий для обеспечения максимальной их эффективности в процессе использования, а также разрабатывающая общие методы расчета качества устройств по известным качествам составляющих их частей, получила название теории надежности». Таким образом, теория надежности технических объектов устанавливает закономерности возникновения отказов ТО и методы их прогнозирования; изыскивает способы повышения надежности изделий при конструировании и последующем изготовлении, а также приемы поддержания надежности при эксплуатации и во время хранения; разрабатывает методы проверки надежности изделий и способы контроля надежности при приемке больших партий продукции; вводит в рассмотрение количественные показатели качества техники.

Предмет изучения теории надежности не является чем-то принципиально новым. Она рассматривает вопросы, которые были поставлены и в какой-то мере решались давно, но решает их более системно и комплексно, применяя при этом количественные показатели, определяемые с использованием эффективных вероятностно-статистических методов.

Учитывая сказанное выше, можно сказать, что теория надежности является методологической основой, определяющей целевую направленность общеинженерных и специальных технических дисциплин при решении задачи обеспечения качества промышленной продукции.

Первые работы, посвященные анализу и повышению надежности технических средств железнодорожного транспорта, в частности, тягового подвижного состава, появились в начале 60-х гг. ХХ века, т. е. время их выполнения совпало с переходом железных дорог на новые, более совершенные, эффективные виды тяги – электрическую и тепловозную. Прошедший сорокалетний период работы ученых и производственников по решению проблемы надежности локомотивов, у истоков которой были профессора А.М. Дядьков (УЭМИИТ), И.П. Исаев (МИИТ) и Е.С. Павлович (ОмИИТ) можно разделить на четыре этапа.

На первом этапе для принципиально новых, не изученных в эксплуатации локомотивов потребовалось проанализировать повреждаемость, изнашивание узлов и деталей в конкретных условиях работы, для чего необходимо было разработать соответствующие научные методы. К этой работе вскоре подключились локомотивные кафедры и остальных вузов МПС, а также соответствующие лаборатории ВНИИЖТа и ВНИТИ. Этому способствовала активная поддержка нового научного направления локомотивным главком МПС в лице главного инженера ЦТ МПС Б.Д. Никифорова. Среди многих мероприятий этого этапа по решению проблемы надежности можно назвать основные:

– разработка рабочей группой из сотрудников УЭМИИТа, МИИТа, ОмИИТа, ТашИИТа, ВНИИЖТа и ВНИИТИ первого отраслевого стандарта «Надежность тягового подвижного состава. Основные понятия и термины»;

– издание сборников научных трудов по проблеме надежности тягового подвижного состава, методических материалов по определению количественных показателей надежности узлов, деталей и локомотивов в целом;

– разработка учебных программ, курсов лекций и методических пособий для ведения занятий по проблеме надежности локомотивов со студентами и слушателями ФПК инженерно-технических работников железных дорог;

– создание на сети железных дорог системы сбора и анализа статистических данных о надежности локомотивов в виде групп надежности в депо, локомотивных службах дорог и в ЦТ МПС.

Таким образом, на первом этапе были разработаны математические, методические и организационные основы анализа надежности локомотивов, определения количественных показателей надежности и влияющих на нее факторов. Результаты этой работы были обсуждены в 1969 г. на первой межвузовской научно-технической конференции по надежности подвижного состава.

На втором этапе (с 1970 г.) целью научных исследований явилось обеспечение надежности локомотивов и их узлов путем совершенствования системы их технического обслуживания и ремонта (СТОР) и разработки технологических процессов для восстановления теряемой в эксплуатации работоспособности. Анализ количественных показателей надежности локомотивов, выполненный многими научными коллективами с помощью групп надежности в депо на различных дорогах, показал, что они изменяются в зависимости от климатических условий, интенсивности эксплуатации и режимов работы, качества изготовления и ремонта, квалификации локомотивных бригад и других факторов. Отсюда сделан вывод о том, что система ТОР, предназначенная для восстановления работоспособности локомотивов, должна соответствовать уровню их надежности в конкретных условиях эксплуатации. На основе этого были сформулированы основные направления совершенствования системы ТОР локомотивов путем оптимизации таких ее параметров, как величина межремонтных периодов для основных узлов, агрегатов и деталей, набора видов технических обслуживаний и ремонтов, их чередования в ремонтном цикле. При этом в качестве критериев оптимальности были приняты минимум суммарных затрат на плановые и неплановые ремонты с учетом ущерба от отказов локомотивов на линии и обеспечение заданного уровня безотказности узлов, влияющих на безопасность движения.

Основные результаты исследований этого этапа были обсуждены с широким участием работников депо, служб локомотивного хозяйства дорог, локомотивного главка МПС, локомотивостроительных и локомотиворемонтных заводов, ученых вузов МПС, ВНИИЖТа, ВНИИТИ, ЦНИДИ на двух представительных совещаниях, сетевой научно-технической конференции «Динамика и меры повышения эксплуатационной надежности локомотивов в условиях железных дорог Урала и Сибири» (октябрь 1972 г.) и сетевом научно-техническом совещании «Повышение надежности локомотивов и система их ремонта» (февраль 1975 г.).

В принятом решении совещания были одобрены основные направления совершенствования системы технического обслуживания и ремонта тягового подвижного состава, в частности, дифференциация межремонтных периодов в соответствии с уровнем надежности локомотивов на различных полигонах эксплуатации и фактическим техническим состоянием каждого локомотива, определяемым путем диагностирования. Рекомендации этого совещания использованы при подготовке приказа МПС № 22/Ц от 31 июля 1975 г. «О дальнейшем совершенствовании системы технического обслуживания и ремонта электровозов, тепловозов и мотор-вагонного подвижного состава».

Уже тогда, в 70-х гг. ХХ века сотрудниками кафедры «Электрическая тяга» УЭМИИТа и других вузов МПС была начата разработка методов и технических средств диагностирования узлов локомотивов как основного направления повышения надежности и совершенствования системы ТОР тягового подвижного состава, сформулированы теоретические и методические основы перехода к более гибкой и дифференцированной системе ТОР от жесткой планово-предупредительной. И это явилось основным содержанием научных работ, выполненных на третьем этапе сотрудниками локомотивных кафедр совместно с работниками железных дорог. Обсуждению этой проблемы была посвящена всесоюзная научно-техническая конференция «Методы и средства диагностирования технических средств железнодорожного транспорта», проведенная в 1989 г. в УЭМИИТе.

В этот же период была включена в учебный план для студентов – локомотивщиков учебная дисциплина «Надежность и диагностика локомотивов».

Министерством путей сообщения Российской Федерации принято решение о переходе на систему ремонта с учетом технического состояния каждого локомотива (указание МПС № 2185у от 30 сентября 1999 г.), а оно определяется количественными показателями надежности и результатами диагностирования узлов и систем конкретного тепловоза, электровоза. Поэтому не теряет остроты проблема сбора объективной информации об отказах локомотивов, износе, старении деталей и их материалов, об изменении рабочих параметров узлов, а также оперативной обработки, анализа огромных массивов статистической информации. Это можно обеспечить лишь с помощью современной вычислительной техники. В соответствии с упомянутым указанием МПС «Об организации работ для перехода на ремонт по техническому состоянию локомотивов и МВС», например, на Свердловской дороге издан приказ № 9/Н от 14 января 2000 г., где были определены базовые депо, лучше других оснащенные диагностическими комплексами, имеющие определенный опыт их работы, утверждена согласованная с департаментом локомотивного хозяйства МПС России новая цикличность, т.е. межремонтные пробеги.

Таким образом, предлагается плановая постановка локомотивов на ремонт с широким использованием средств диагностики для определения объема ремонта в зависимости от технического состояния с обязательным увеличением межремонтных пробегов и снижением трудоемкости.

С целью оперативного и грамотного влияния службы на эти процессы на дорогах созданы лаборатории:

– по внедрению новых технологий ремонта ТПС;

– по внедрению автоматических систем управления в локомотивном хозяйстве;

– неразрушающего контроля.

На технико-экономическом совете Департамента локомотивного хозяйства ОАО «Российские железные дороги» было принято решение – в каждом депо должны быть специализированные, высокомеханизированные стойла для проведения диагностики локомотивов в полном объеме, где будет обеспечиваться входной и выходной контроль с определением фактического объема работ. Эта программа уже реализуется. Идет наработка и реализация программ внедрения передовых технологий. Руководством дорог утверждены программы перехода на ремонт по состоянию всех локомотивных депо до 2010 г. Безусловно, руководящим документом в решении этой непростой задачи являются разработанные технические регламенты для всех локомотивных депо.

На нынешнем, четвертом этапе решения проблемы надежности локомотивов нужно создавать автоматизированные комплексы и автоматизированные рабочие места, необходимые для реализации системы технического обслуживания и ремонта каждого локомотива с учетом его фактического состояния.

Проблема обеспечения надежной работы тягового подвижного состава остается по-прежнему одной из главных, надежностью необходимо управлять, а для этого нужно постоянно контролировать и изучать состояние подвижного состава в эксплуатации. Для этого кроме дорожных лабораторий диагностики в каждом депо нужно иметь группу специалистов по анализу надежности и осуществлению диагностирования, как это было сделано в 70-х гг. ХХ века.