Увеличивающаяся сложность технических устройств; возрастающая ответственность функций, которые выполняют технические устройства; повышение требований к качеству изделий и условиям их работы; возросшая роль автоматизации, которая сокращает возможность непрерывного наблюдения за состоянием устройства, — основные факторы, определившие главное направления в развитии науки о Н. Технические средства и условия их работы становятся всё более сложными. Количество элементов в отдельных видах устройств исчисляется сотнями тысяч. Если не принимать специальных мер по обеспечению Н., то любое современное сложное устройство практически будет неработоспособным. Так, например, в современной ЭВМ средней производительности за 1 сек происходит около 5 млн. смен состояний в результате переключений её двоичных элементов, число которых достигает нескольких десятков тыс. За 5 ч непрерывной работы ЭВМ, требуемых на решение типовой задачи, происходит свыше 1012 —1014 смен состояний машины. Вероятность возникновения хотя бы одного отказа при этом становится достаточно большой, а следовательно, необходимы специальные меры, обеспечивающие работоспособность ЭВМ.
Техническим средствам отводят всё более ответственные функции на производстве и в сфере управления. Отказ технического устройства зачастую может привести к катастрофическим последствиям. Н. в эпоху научно-технической революции стала важнейшей проблемой.
Количественные показатели надёжности . Н. изделий определяется набором показателей; для каждого из типов изделий существуют рекомендации по выбору показателей Н. Для оценки Н. изделий, которые могут находиться в двух возможных состояниях — работоспособном и отказовом, применяются следующие показатели: среднее время работы до возникновения отказа Тср — наработка до первого отказа; среднее время работы, приходящееся на один отказ, Т — наработка на отказ ; интенсивность отказов l(t ); параметр потока отказов w(t ); среднее время восстановления работоспособного состояния tв ; вероятность безотказной работы за время t [Р (t )]; готовности коэффициент Kr .
Закон распределения наработки до отказа определяет количественные показатели Н. невосстанавливаемых изделий. Закон распределения записывается либо в дифференциальной форме плотности вероятности f (t ), либо в интегральной форме F (t ). Существуют следующие соотношения между показателями Н. и законом распределения:
Для восстанавливаемых изделий вероятность появления n отказов за время t в случае простейшего потока отказов определяется законом Пуассона:
Из него следует, что вероятность отсутствия отказов за время t равна Р (t ) = exp(-lt ) (экспоненциальный закон надёжности).
Технические системы, состоящие из конструктивно независимых узлов, обладающие способностью перестраивать свою структуру для сохранения работоспособности при отказе отдельных частей, в теории Н. принято называть сложными техническими системами (в отличие от сложных кибернетических систем, называются также большими системами ). Число работоспособных состоянии таких систем — два и более. Каждое из работоспособных состояний характеризуется своей эффективностью работы, которая может измеряться производительностью, вероятностью выполнения поставленной задачи и т.д. Показателем Н. сложной системы может быть суммарная вероятность работоспособности системы — сумма вероятностей всех работоспособных состояний системы.
Способы определения количественных показателей надёжности. Показатели Н. определяются из расчётов, проведением испытаний и обработкой результатов (статистических данных) эксплуатации изделий, моделированием на ЭВМ, а также в результате анализа физико-химических процессов, обусловливающих Н. изделия. Расчёты Н. основаны на том, что при определенной структуре изделия и имеющемся законе распределения наработки до отказа изделий этого типа существуют вполне определенные зависимости между показателями Н. отдельных элементов и Н. изделия в целом. Для установления таких зависимостей используются следующие приемы: решение уравнении, составленных на основании структурной схемы Н. (использование последовательно-параллельных структур) или на основании логических связей между состояниями изделия (использование алгебры логики ); решение дифференциальных уравнений, описывающих процесс перехода изделия из одного состояния в другие (использование графов состояний); составление функций, описывающих состояния сложного изделия. Расчёты Н. производятся главным образом на этапе проектирования изделий с целью прогнозирования для данного варианта изделия ожидаемой Н. Это позволяет выбрать наиболее подходящий вариант конструкции и методы обеспечения Н., выявить «слабые места», обоснованно назначить рабочие режимы, форму и порядок обслуживания изделия.
Испытания на Н. производятся на этапах разработки опытного образца и серийного производства изделия. Существуют испытания на Н. определительные, в результате которых определяют показатели Н.; контрольные, имеющие целью контроль качества технологического процесса, обеспечивающего с некоторым риском Н. не ниже заданной; ускоренные, в ходе которых используют факторы, ускоряющие процесс возникновения отказов; неразрушающие, основанные на применении методов дефектоскопии и интроскопии , а также на изучении косвенных признаков (шумов, тепловых излучений и т.п.), сопутствующих возникновению отказов.
Моделирование на ЭВМ является наиболее эффективным средством анализа Н. сложных систем. Широко распространены два алгоритма моделирования: первый, основанный на моделировании физических процессов, происходящих в исследуемом объекте (оценка Н. при этом определяется по числу выходов параметров объекта за пределы допуска); второй, основанный на решении систем уравнений, описывающих состояния исследуемого объекта.
Анализ физико-химических процессов также позволяет получить оценку Н. исследуемого изделия, т.к. часто удаётся установить зависимость Н. от состояния и характера протекания физико-химических процессов (соотношение показателей прочности и нагрузки, износостойкость, наличие примесей в материалах, изменение электрических и магнитных характеристик, шумовые эффекты и т.д.). Наиболее часто анализ физико-химических процессов применяется при оценке Н. элементов радиоэлектронной аппаратуры.
Способы повышения надёжности . На стадии разработки изделий: использование новых материалов, обладающих улучшенными физико-химическими характеристиками, и новых элементов, обладающих повышенной Н. по сравнению с применявшимися ранее; принципиально новые конструктивные решения, например замена электровакуумных ламп полупроводниковыми приборами, а затем интегральными схемами; резервирование , в том числе аппаратурное (поэлементное), временно'е и информационное; разработка помехозащищённых программ и помехозащищённого кодирования информации; выбор оптимальных рабочих режимов и наиболее эффективной защиты от неблагоприятных внутренних и внешних воздействий; применение эффективного контроля, позволяющего не только констатировать техническое состояние изделия (простой контроль) и устанавливать причины возникновения отказового состояния (диагностический контроль), но и предсказывать будущее состояние изделия, с тем чтобы предупреждать возникновение отказов (прогнозирующий контроль).
В процессе производства: использование прогрессивной технологии обработки материалов и прогрессивных методов соединения деталей; применение эффективных методов контроля (в том числе автоматизированного и статистического) качества технологических операций и качества изделий; разработка рациональных способов тренировки изделий, выявляющих скрытые производственные дефекты; испытания на надёжность, исключающие приёмку ненадёжных изделий.
