1.5. Анализ млк как объекта отработки на надежность в процессе испытаний

На этапах проектирования МЛК, наполненных экспериментальными исследованиями, при отработке конструкции создаваемого МЛК на стендах, макетах и опытных образцах, ведущим элементом процесса создания становятся испытания МЛК, проводимые с целью отработки конструкции и подтверждения достигнутого с требуемой гарантией качества комплекса. Поэтому вводят коррективы в представление моделей работоспособности и отказа, согласовав их как с оцениваемым объектом, так и с особенностями входной информации, используемой для оценки надёжности, и обосновывают методы, обеспечивающие проведение эффективной оценки показателей надежности (ПН) МЛК в изменившихся информационных условиях, согласно схеме на рисунке 11.

Рисунок 11. Структурно-логическая схема процесса отработки МЛК

Задачи анализа и оценки ПН МЛК на завершающих проектных этапах, когда основными составляющими процесса создания становятся отработка конструкции и испытания, решаются с помощью информационных и методических средств, отражающих изменившиеся условия проектирования. При этом, поскольку принципиальное изменение состоит в «натурализации» объекта оценки ПН, прежде всего, необходимо перевести теоретико-множественное представление структуры надёжности проектируемого МЛК, данное в виде множества работоспособного состояния и декомпозиции функциональной и конструктивной схем МЛК в виде структурно-логической схемы надежности (СЛСН) в плоскость наблюдаемых и контролируемых данных. «Натурализация» объекта оценки ПН заключается в появлении с определённого проектного момента в создании МЛК не только образа в виде математической модели и чертежа, но и конструкции в физическом воплощении (образец изделия, подсистема, агрегат, механизм, деталь). С этого момента осуществляется одновременное параллельное движение в создании конструкторской документации – рабочих чертежей МЛК и физического образца конструкции МЛК (стендового, макетного, полигонного, опытного). Соответственно теоретическая модель работоспособности R перестраивается на новые информационные возможности, связанные с появлением данных наблюдений поведения конструкции МЛК в опытах, испытаниях. При этом «практическое видение» в испытаниях отличается от сугубо теоретических представлений о создаваемом образце МЛК. Вместо только теоретических распределений параметров моделей появляются фактические статистические наблюдения тех же параметров и суждения об исходах испытаний. Нужно отметить, что за произошедшие информационные изменения приходится «расплачиваться» определёнными информационными потерями. Это связано с ограниченностью практического видения по отношению к теоретическому анализу. Так, многие параметры работоспособности, составляющие теоретически построенное множество R, непосредственно в опытах наблюдаться не могут и поэтому определяются по наблюдаемым явлениям и эффектам лишь косвенно характеризующим интересующие величины. Некоторые информационные потери связаны и с необходимостью обращения к экспертизе в процессе испытаний конструкции МЛК. Экспертиза необходима при классификации исходов опытов (успешный, неуспешный), состояний изделия (работоспособное, исправное, неисправное, неработоспособное), изменений в конструкции (отказ, повреждение). Определяемые по результатам статистического моделирования условия или в задачах испытаний конструкции МЛК (за исключением ситуации, когда ведутся измерения значений параметров работоспособности МЛК) требуют неформального анализа результатов наблюдений, полученных в виде данных о накапливаемых отступлениях от требований конструкторской документации (КД). Такие отступления идентифицируются как отказ или неисправность конструкции. Для обеспечения достоверной идентификации исходов испытаний разработчик должен в регламентирующей документации (чертёж, технические условия (ТУ) на сборку, ТУ на приёмку, ТУ на эксплуатацию и пр.) установить для каждой функциональной подсистемы МЛК (механизма, узла, агрегата) значения таких изменений «выходных параметров», при которых подсистема считается неисправной или отказавшей. Для каждой детали (элемента) конструкции установить предельные изменения геометрических параметров, физико-механических характеристик и т.п., при которых деталь (элемент) считается неисправной или отказавшей.

Помимо рассмотренных особенностей анализа структуры надёжности МЛК, необходимо учитывать также проявление в процессе отработки и испытаний МЛК свойства восстанавливаемости конструкции. В связи с этим в состав объекта отработки и испытаний входят не только собственно конструкция МЛК, но и стратегия обслуживания и восстановления МЛК и ЗИП. Поэтому объектом отработки являются, наряду с КД и технической документацией (ТД), также и эксплуатационная документация (ЭД). Цели испытаний многообразны, вследствие чего испытываемый образец МЛК оказывается объектом переменной структуры.

В процессе отработки и испытаний конструкции МЛК информацией, используемой для оценки ПН, являются данные наблюдений за текущим состоянием изделия в опытах: замеры параметров, произошедшие повреждения и неисправности, сведения о задействованных в опыте «конфигурациях» конструкции, данные о наработках, режимах и условиях испытаний. При этом комплексная направленность отработки, разнообразие режимов и условий испытаний, отсутствие в штатной программе специальных испытаний на надёжность не препятствуют использованию результатов для оценки ПН. Поэтому они могут быть интерпретированы как успешные или неуспешные, возможен учёт наработки на отказ, могут быть выявлены и классифицированы причины отказов.

Для оценки ПН МЛК информация о поведении образца в процессе испытаний представляется либо в индикаторном (да-нет, успех-отказ) либо в параметрическом (замеры параметров) виде. В качестве индикаторной информации фиксируются отказы по факту свершения (их формирование, как правило, не наблюдается). Потоки индикаторной (данные об отказах в функции наработки) и параметрической (данные о значениях измеряемых параметров в функции наработки) информации «пересекаются» в случае, когда измеряемые параметры идентифицируются как параметры работоспособности и в опыте наблюдается факт выхода параметра за допусковую область: .

Анализ наблюдаемых отказов – узловой вопрос, поскольку по данным об отказах решают основные задачи испытаний и отработки: разрабатывают комплекс конструкторско-технологических мероприятий, направленных на совершенствование конструкции образца и его производства, количественно оценивают достигнутый уровень надёжности образца и отработанности документации.

Из классификационных признаков отказов, определяющими выбор метода оценки ПН и формирование исходных данных для оценки, являются признаки, идентифицирующие причины отказов, систематичность отказов, устранимость причин отказов.

Наряду с данными об отказах, исходную информацию для оценки ПН в процессе испытаний и отработки МЛК составляют сведения о доработках конструкции. Доработки, устраняя причины отказов и неисправностей, улучшают конструкцию, видоизменяют её. В связи с этим, учёт данных о доработках при оценке ПН имеет принципиальный характер, так как видоизменяемость объекта испытаний «искажает» однородность исходной информации и обязывает применять математические модели критичные к указанным обстоятельствам. Относительно доработок, направленных на изменение надёжности объекта испытаний, могут быть выдвинуты следующие гипотезы: доработка устранила i-ю причину отказа; уменьшила вероятность отказа по i-й причине; не увеличила вероятность отказа по i-й причине; не уменьшила вероятность отказа по i-й причине; изменила вероятность отказа по i-й причине. Доработки, вносимые в конструкцию разрабатываемого МЛК, обусловливают «скачки» значений ПН. Величина «скачков» определяется содержанием доработок, т.е. характером устраняемых отказов, количеством устраняемых причин отказов.

Существенным свойством доработки для устранения причин отказа является управляемость моментом её проведения относительно отказа. В общем случае доработка следует за отказом. После проявления отказа, в результате анализа его причин, принимается решение о доработке для устранения этих причин. Наряду с этим, в процессе испытаний фиксируют текущие значения контролируемых параметров, на основании анализа изменения (дрейфа) которых возможно принятие решения о проведении доработки до факта выхода параметра за установленные пределы.

Таким образом, конструкция МЛК на завершающих проектных этапах с точки зрения анализа надёжности представляет собой развивающуюся систему, подверженную со стороны разработчиков постоянным воздействиям – доработкам. Кроме того, конструкция МЛК как объект испытаний оказывается сложной системой, включающей в себя подсистемы, обеспечивающие проведение испытаний, обслуживание и восстановление; системой, видоизменяющей свою структуру в зависимости от целей испытаний, вследствие чего отдельные части конструкции характеризуются различными наработками в различных условиях и режимах испытаний. Указанные особенности прежде всего подлежат учёту при моделировании процесса отработки МЛК, обосновании методики оценки ПН отрабатываемого и испытываемого изделия.

Характер реальных траекторий результатов отработки МЛК на завершающих этапах их создания предопределяет невозможность использования традиционной биномиальной схемы обработки данных для оценки ПН. Траектория отработки представляет собой график зависимости количества отказов от наработки в виде ступенчатой функции с единичными скачками в точках, соответствующих порядковым номерам испытаний, в которых наблюдались отказы. Траектория отработки позволяет выявить степень однородности данных и установить, насколько правомерно использование традиционной биномиальной схемы обработки данных (опыты-циклы независимые, вероятность исхода опыта одинаковая в каждом опыте) для оценки ПН испытываемых МЛК. На рисунке 12 приведена типичная траектории результатов испытаний образца.

Рисунок 12. Типовая траектория результатов отработки МЛК:

1 – траектория результатов испытаний,

2 – линейная аппроксимация,

3 – экспоненциальная аппроксимация

Традиционная эффективная оценка ПН (вероятности безотказной работы за один цикл P=1–m/N), характеризуя лишь линейную аппроксимацию реальной траектории результатов испытаний, вызывает противоречие, неразрешимое в рамках рассматриваемой схемы. Действительно полная обработка данных (учтены все отказы и суммарная наработка образца) приводит к явно заниженной осреднённой оценке ПН и нарушает принцип применимости биномиальной схемы, требующей выполнения условия однородности обрабатываемых данных.

В практике обработки неоднородных данных выделяют два направления. Первое характеризуется разработкой устойчивых (робастных) методов, позволяющих исключить из обработки данные, имеющие существенно иную природу, чем основная выборка. В рамках этого направления наличие данных, принадлежащих другим («чужим») распределениям, рассматривается как вредное явление, искажающее статистические выводы. Поэтому оно направлено на создание эффективных процедур, позволяющих уменьшить это влияние. Второе направление включает работы по объединению неоднородных данных, получаемых из различных источников.

Подход, используемый в оценке МЛК, относится ко второму направлению. Он опирается на возможность переноса информации между неоднородными группами данных, имеющих общую основу. Основное отличие такого подхода к проблеме оценивания надёжности МЛК состоит в том, что наряду с классическими статистическими моделями, здесь используются модели, характеризующие структуру процесса отработки МЛК, особенности отрабатываемой конструкции, влияние условий и режимов работы на надёжность компонентов конструкции МЛК.

Информация, используемая для оценки ПН конструкции МЛК в процессе отработки: – число отказов, – замеры контролируемых параметров, N – наработки МЛК и его узлов, S – условия и режимы испытаний, Д – доработки конструкции МЛК, – число устранённых доработками причин отказов ( ; l – число этапов отработки). Эти данные представляют собой, как правило, статистические совокупности, плохо упорядоченные и ограниченные по объёму. Зависимость самой возможности проведения анализа достигнутого уровня надёжности отрабатываемой конструкции МЛК от объёма и содержания имеющейся информации предопределяет усилия в направлении как повышения информативности информационной базы, так и поиска эффективных моделей и методов обработки данных. Эффективных в том смысле, что они наилучшим образом используют всю имеющуюся разнородную информацию и при этом дают лучшие оценки, при равной по объёму и содержанию исходной информации.

В теории надёжности отсутствует универсальный и одновременно эффективный метод оценки ПН отрабатываемого изделия. Не закрыт вопрос и об определении областей эффективного применения различных методов и моделей. Из этого следует, что ни одной из моделей в отдельности недостаточно для точной и достоверной оценки ПН отрабатываемого МЛК. Очевидно, что перспективным в поиске эффективных методов оценки ПН отрабатываемого МЛК оказывается комплексный алгоритм оценки ПН, объединяющий сильные стороны известных методов: метода, использующего аппроксимирующую модель (модель роста надёжности – модель реализации процесса изменения надёжности объекта при отработке); метода, основывающегося на построении рекуррентных соотношений, включающих формулы полной вероятности; классический метод обработки результатов испытаний, проводимых по схеме Бернулли (биномиальных испытаний).

При анализе отказов выберем следующую схему:

- Определение для каждого параметрического отказа места (подсистема, элемент), периода и времени возникновения отказа, режимов и условий работы;

- Классификация и установление причин возникновения параметрических и функциональных, приводящих к немедленному прекращению функционирования МЛК, при возможности указывается физика отказов;

- Краткое описание и оценка эффективности принятых мероприятий по устранению отказов;

- Оценка временных (T_{Yi jзатр}.) и стоимостных (C_{Yi jзатр}.) затрат на устранение параметрических отказов при j доработке, включая время на поиск и установление причин отказа для каждого этапа жизненного цикла МЛК и по каждому Y_j выходному параметру;

- Оценка временных (T_{Yi jзатр}.) и стоимостных (C_{Yi jзатр}.) затрат на устранение функциональных (так называемых внезапных) отказов в процессе испытаний, в том числе поправки в процессе разработки и сдачи опытного образца при возможности выделить конструктивные, технологические и эксплуатационные отказы;

- Проведение (в том числе поэтапного) сравнительного анализа трудозатрат на устранение параметрических и функциональных отказов;