Отказы изделий, их классификация.

В теории надежности понятие отказа является основным. Понимание физической сущности отказов – важнейшее условие успешной деятельности специалиста по обеспечению надежности.

Для поиска отказа необходимо знать его последствия, а для устранения – причины отказа.

Причина отказа – явления, процессы, события и состояния, вызвавшие возникновения отказа объекта.

Причинами отказов могут быть:

· ошибки, допущенные при проектировании (конструировании), производстве и ремонте;

· естественные процессы износа и старения;

· нарушения правил и условий эксплуатации;

Причины отказов, обусловленные процессами износа и старения, могут быть обусловлены следующими факторами:

· разрушения усталостного характера, вызванныепостоянным действием расчетных эксплуатационных нагрузок (вибрации и перегрузки транспортирования, суточные и сезонные колебания температур, атмосферные осадки, радиационное воздействие Солнца и др.);

· разрушения и необратимые деформации, вызванные действием экстремальных эксплуатационных нагрузок: акустическое и тепловое воздействие на РКН при пуске, в полете и др.;

· изменение свойств рабочих жидкостей и смазок, используемых в КСр: вязкости, плотности, химического состава, однородности;

· разрушение защитных и лакокрасочных покрытий;

· коррозия металлических конструкционных материалов и др.

К эксплуатационным причинам отказов относятся повреждения всех видов, вызванные небрежностью, неподготовленностью личного состава, а также нарушения условий эксплуатации.

Последствия отказа – явления, процессы, события и состояния, возникшие при отказе изделия и находящиеся в непосредственной причинной связи с ним.

Последствия отказов, наиболее вероятные отказы, соответствующие данным последствиям, а также способы их устранения приводятся в эксплуатационной документации на агрегат (систему) технологического оборудования СК.

Для удобства рассмотрения классификация отказов по видам отказов и определения самих видов отказов приведены в таблице 1.

Применительно к содержанию этой таблицы сделаем несколько дополнительных замечаний и пояснений, необходимость которых проистекает от известной условности всякой классификации. Так, при разделении отказов на внезапные и постепенные необходимо учитывать, что "постепенность" или "внезапность" отказа может определяться не только истинным механизмом его развития, но и частотой наблюдений за состоянием изделий. Понятно, что при частом, тем более непрерывном контроле параметров состояния какого-то узла имеется возможность фиксировать малейшие их изменения и при необходимости принимать соответствующие, например профилактические, меры. Тем самым исключается скачкообразный выброс параметра за поле допуска, а может быть, и появление самого отказа по этому параметру. При отсутствии же наблюдений даже весьма характерный "постепенный" отказ может представляться как внезапный. Сказанное следует учитывать при обработке статистических данных об отказах.

Например, в электрической лампе отказ возникает внезапно, так как визуально контролируется только ее свечение при подаче напряжения. Если бы процесс изменения электрического сопротивления нити накаливания лампы в результате испарения металла контролировался более глубоко, то наступление отказа могло быть предсказано по изменению контролируемого параметра.

По существу, внезапные отказы характеризуют незнание сущности процесса, невозможность или нецелесообразность его контроля.

Далее, деление отказов на зависимые и независимые также не абсолютно, поскольку наши возможности по выявлению взаимовлияния в работе элементов изделия в достаточной степени ограниченны. Тем не менее вопрос этот очень важен при построении той или иной модели надежности, так как учет зависимости отказов серьезно усложняет создаваемую модель со всеми вытекающими последствиями.

Чрезвычайно актуальным являемся разделение отказов по причинам, хотя это и далеко не всегда возможно В тех случаях, когда это удается сделать, проводятся мероприятия, направленные на предотвращение подобных отказов в будущем, в том числе доработки техники, технологических процессов и т.д. Если оказывается, что доработка эффективна, то в последующем при анализе статистики такой отказ относят к незачетным и он не подлежит учету при оценке надежности.

Таблица 1

Классификация отказов

Классификационный признак	Виды отказов	Определение отказа
– 1 –	– 2 –	– 3 –
По характеру изменения параметров	Внезапный	Отказ, характеризующийся скачкообразным изменением значений одного или нескольких параметров объекта
Постепенный	Отказ, возникающий в результате постепенного изменения значений одного или нескольких параметров объекта
По связи между отказами	Независимый	Отказ, не обусловленный другими отказами
Зависимый	Отказ, обусловленный другими отказами
По устойчивости	Сбой	Самоустраняющийся отказ или однократный отказ, устраняемый незначительным вмешательством
Перемежающийся	Многократно возникающий самоустраняющийся отказ одного и того же характера
По причине возникновения отказа	Конструктивный	Отказ, возникший по причине, связанной с несовершенством или нарушением установленных правил или норм проектирования или конструирования
Производственный	Отказ, возникший по причине, связанной с несовершенством или нарушением установленного процесса изготовления или ремонта, выполненного на ремонтном предприятии
Эксплуатационный	Отказ, возникший по причине, связанной с нарушением установленных правил или условий эксплуатации

 

Окончание таблицы 1

– 1 –	– 2 –	– 3 –
По периоду эксплуатации, на котором возникает отказ	Приработочный	Отказ периода приработки
Отказ периода нормальной эксплуатации	(Определение отказа содержится в названии вида отказа)
Деградационный	Отказ, обусловленный естественными процессами старения, изнашивания, коррозии и усталости при соблюдении всех установленных правил и норм проектирования, изготовления и эксплуатации
По способу обнаружения	Явный	Отказ, обнаруживаемый визуально или штатными методами и средствами контроля и диагностирования при подготовке объекта к применению или в процессе его применения по назначению
Скрытый	Отказ, не обнаруживаемый визуально или штатными методами и средствами контроля и диагностирования, но выявляемый специальными методами диагностирования

 

Однако, бывают случаи, когда причина известна, но доработки не проводятся, поскольку они себя не оправдывают в данной ситуации. В этом случае, а также при неэффективности доработки отказ относят к зачетным. Следует добавить, что исключительно актуальным и порой болезненным является установление причины отказа при рекламационной работе, связанной с выявлением виновных в возникновении отказа и взыскании с них материального ущерба.

Конструктивные отказы многократно проявляются в процессе эксплуатации, то есть становятся систематическими, так как ошибка в конструировании распространяется на всю совокупность
изготовленных изделий. Причина такого отказа может быть с определенной достоверностью установлена и устранена.

Производственные отказы также могут принимать систематический характер, если нарушения технологического процесса возникли при изготовлении и ремонте больших партий изделий.

Причины конструктивных и производственных отказов устраняются в процессе проведения доработок конструкции изделий, усовершенствования технологии изготовления и ремонта и корректировки документации.

Причинами эксплуатационных отказов могут быть ошибки в эксплуатационной документации, разработанной в эксплуатирующих организациях, недостаточная или неправильная подготовка личного состава, отсутствие штатных инструментов и приспособлений, невыполнение требований эксплуатационной документации, несоблюдение условий эксплуатации и др.

Следует отметить, что распределение отказов по причинам влечет за собою и распределение ответственности за отказы и за возмещение материальных затрат по их устранению.

Распределение отказов по причинам возникновения для РКК "Космос", "Циклон" и "Союз" космодрома Плесецк в 1994-1996 гг. представлено на рис.4 [16].

Говоря о причинах отказа, нельзя не взглянуть на внезапные, постепенные и деградационные отказы в несколько ином аспекте. Дело в том, что здесь о причинах следует говорить не в связи с какой-то "виновной" стороной (проектирование, производство, эксплуатация), а в связи с существованием объективных факторов, обусловливающих изменение физико-химических свойств в процессе эксплуатации.

Так, в начальном периоде эксплуатации могут иметь место отказы слабых, большей частью некондиционных элементов, а также отказы, вызванные дефектами сборки, монтажа и др. Такие элементы заменяют кондиционными, остальные элементы "притираются", "прирабатываются" друг к другу, так что свойства изделия в течение некоторого периода в среднем улучшаются. Такой период (если он есть) называют периодом приработки, "детским" периодом, а отказы этого периода – приработочными, ранними. Периода приработки может и не быть, особенно в тех случаях, когда еще на заводе-изготовителе до начала эксплуатации организовывают "тренировку" аппаратуры, технологический прогон оборудования, "выжигание" слабых элементов.

 

Рис.4. Распределение долей (в %) отказов по видам для РКК

Космодрома Плесецк

 

С окончанием периода приработки свойства изделия стабилизируются и в течение некоторою периода остаются практически неизменными, заметного накопления повреждений в связи с износом и старением, деградацией еще не происходит. Такой период называют нормальным периодом эксплуатации. Причинами отказов в этом периоде могут быть внезапные концентрации ("пики") нагрузок, случайные неблагоприятные сочетания нагрузок и условий функционирования элементов и т.д. Как правило, параметры элементов в этом случае меняются скачкообразно, и поэтому отказы периода нормальной эксплуатации обычно относят к внезапным. Это не исключает появления в нормальном периоде эксплуатации постепенных отказов, не связанных или мало связанных с утратой элементами своих первоначальных физико-химических свойств. Так, сюда могут относиться отказы типа "разрегулировка", "уход параметра за поле допуска", "увеличение зазоров" (скажем, от вибраций, особенно при слабом крепеже) и др. В среднем по множеству всех факторов отказы в период нормальной эксплуатации возникают с примерно постоянной частотой, т.е. за равные промежутки времени появляется примерно одинаковое число отказов.

С течением времени к причинам, вызывающим внезапные отказы, добавляются еще и такие, как естественное старение и износ, деградация. Свойства элементов ухудшаются, отказы становятся чаще, особенно за счет деградационных. Этот последний период эксплуатации именуют обычно периодом износа. К сожалению, этот период не является исключением и для РКК, хотя при наличии соответствующих средств его желательно избегать до наступления периода износа.

В связи с этими рассуждениями прокомментируем такой вид отказа, как ресурсный отказ. Под ним понимают отказ, в результате которого изделие достигает предельного состояния. Критерием предельного состояния является признак или совокупность признаков предельного состояния изделия, установленные нормативно - технической и конструкторской документацией. При этом для одного и того же изделия в зависимости от условий эксплуатации могут быть установлены несколько критериев предельного состояния.

В заключение этого вопроса остановимся более подробно на разделении отказов по их критичности. Этот вид классификации производится по согласованию с заказчиком на основании технико-экономических соображений и соображений безопасности. Актуальность этого вопроса объясняется следующим. Современные технические системы являются сложными, содержат большое количество элементов. В этих условиях обеспечить требуемую надежность системы путем улучшения качества одновременно всех элементов не всегда возможно или целесообразно. Однако ясно, что различные элементы в системе играют далеко не одинаковые роли, отказы разных элементов могут приводить к разным по степени влияния на состояние системы последствиям. Возникает вопрос, нельзя ли в первую очередь сосредоточить усилия на совершенствовании тех элементов, которые играют в обеспечении надежности наиболее важную роль. Особенно важно выявление так называемых критичных элементов системы. т.е. элементов, отказ которых может быть критическим. Помимо данного в табл. 1 определения критического отказа, при анализе критичности отказов их дополнительно подразделяют на различные категории критичности, вводя и вычисляя показатели критичности с учетом вероятности отказа и тяжести вызываемых им последствий [10,14,28]. К последствиям отказов (повреждений) относят явления, процессы, события и состояния, обусловленные возникновением отказа (повреждения) изделия. Например, выключение двигателей, короткое замыкание в цепи, авария, катастрофа и др. Некоторые последствия отказа (повреждения) могут одновременно служить и его признаком.

Помимо указанных видов отказов в [14] и [28], по признаку повторяемости однотипных отказов они подразделяются на одиночные и повторяющиеся, а по возможности восстановления работоспособности изделия после отказа – на устранимые и неустранимые. Там же анализируется и разделение отказов по способам обнаружения, по внешним проявлениям, по механизмам отказов, способам восстановления и т.д.

Подводя итог обзору разновидностей отказов, нельзя не отметить, что в практической деятельности довольно часто возникают затруднения в оценке событий, которые одним представляются отказом, а другим – нет. Почему это происходит, что здесь объективно, а что субъективно?

Одна из основных причин состоит в том, что всякое изделие как объект при исследовании можно описать различными способами. Одним из способов описания является составление конечной совокупности конкретных требований, которым должно удовлетворять данное изделие. И уже в зависимости от того, насколько изделие удовлетворяет этим требованиям, судят о его состоянии. Составление совокупности указанных требований к изделию связано с деятельностью определенных лиц и, следовательно, является субъективным актом, зависящим от полноты знаний об изделии, опыта и ряда других факторов. Эти требования могут меняться с течением времени, т.е. они динамичны.

Но важно то, что, несмотря на всю относительность полноты требований к изделию и субъективный характер их установления, в любой момент времени должна быть выделена и зафиксирована какая-то определенная совокупность этих требований, по которой можно достаточно объективно судить о работоспособности изделия.