МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИУКРАЇНИ

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ГІРНИЧИЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА ОХОРОНИ ПРАЦІ ТА АЕРОЛОГІЇ

Костюченко М.П.

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

нормативної навчальної дисципліни циклу професійної

та практичної підготовки

БЕЗПЕКА ТА НАДІЙНІСТЬ ТЕХНОЛОГІЧНИХ

ПРОЦЕСІВ У ГІРНИЧОМУ ВИРОБНИЦТВІ

__________________________________________________________________© Укладач, к.т.н., доц. М.П.Костюченко, квітень 2013 р.

Репродукування (копіювання) даного матеріалу без згоди автора забороняється (закон України про авторське право)

РОЗГЛЯНУТО

Протокол засідання кафедри

охорони праці та аерології

від «____» ________2013 р.

Завідувач кафедрою

д.т.н., професор

______________Ю.Ф. Булгаков

Донецьк, 2013 р.

Тема 1. Основні поняття й терміни теорії надійності

__________________________________________________________________

Основні програмні питання теми. Сутність та значення навчальної дисципліни БНТПГВ. Мета та завдання дисципліни БНТПГВ. Основні поняття й терміни теорії надійності: технічний об’єкт (ТО), технічна система, технологічна система та її рівні. Основні характеристики технічної системи (ТС). Параметри ТС. Математична модель властивостей та поведінки ТС. Показники ТС. Показник безпеки. Якість ТС (виробу, продукції, процесу). Міра якості в функціонально-кібернетичній концепції.

Надійність ТС як комплексна властивість, яка характеризується безвідмовністю, довговічністю, ремонтопридатністю та збережуваністю. Функція надійності. Живучість ТС. Принцип дії ТС. Спосіб дії ТС. Режим функціонування (роботи) ТС. Безвідмовність, довговічність, ремонтопридатність, збереженість, справний, працездатний і граничний стани ТС. Відмова та непрацездатний стан ТС. Переходи між станами ТС.

__________________________________________________________________

Теорія надійності – наука, що вивчає закономірності розподілу відмов технічних пристроїв, причини і моделі їх виникнення, а також вивчає методи забезпечення стабільності роботи об'єктів (виробів, пристроїв, систем тощо) в процесі проектування, виробництва, приймання, експлуатації та зберігання, встановлює і вивчає кількісні показники надійності, досліджує зв'язок між показниками ефективності і надійності.

Базою математичного апарату теорії надійності є: теорія ймовірностей, математична статистика, математична логіка, теорія випадкових процесів, теорія масового обслуговування, теорія графів, теорія оптимізації.

Теорія надійності в техніці викликала до життя такі нові наукові напрямки, як фізика відмов, статистична теорія міцності,технічна діагностика, інженерна психологія, дослідження операцій, планування експерименту.

Основні поняття і визначення теорії надійності технічних пристроїв сформульовані в ГОСТ 27,002 89 «Надійність в техніці. Основні поняття. Терміни та визначення», а також ДСТУ 2470-94. «Надійність техніки. Системи технологічні. Терміни та визначення».

Розглянемо основні терміни теорії надійності.

Технічний об’єкт (ТО) – створений людиною або автоматом реально існуючий пристрій, призначений для задоволення певної потреби. До ТО можна віднести окремі машини, апарати, прилади, ручні знаряддя праці, будинки, споруди, одяг і т.п. пристрої, що виконують певну функцію (операцію) з перетворення речовини (об’єктів живої та неживої природи), енергії або інформаційних сигналів. До ТО будемо також відносити будь-який з елементів (агрегат, блок, вузол, деталь), із яких складаються машини, апарати, прилади тощо, а також будь-який з комплексів взаємопов’язаних машин, апаратів, приладів. Це може бути технологічна лінія, цех, завод і т.п.

Зазначимо, що як синонім поняття «технічний об’єкт» в літературі часто використовують поняття «технічна система».

Елементом ТО може бути частина деталі, деталь, вузол, блок, агрегат, технічна система (ТС), комплекс ТС.

У будь-якого ТО існує надсистема, роль якої може відігравати:

а) інший ТО, в який даний ТО функціонально включається або входить як окремий елемент;

б) зовнішнє середовище (повітря, вода, плазма тощо).

Технологічна система – сукупність функціонально взаємозв'язаних засобів технологічного оснащення, предметів виробництва та виконавців для здійснення в регламентованих умовах виробництва заданих технологічних процесів чи операцій

Примітка 1. До предметів виробництва відносяться: матеріал, заготовка, на­півфабрикат та виріб, що перебувають відповідно до виконуваного технологіч­ного процесу в стадії зберігання, транспортування, формотворення, оброб­лення, складання, ремонту, контролю та випробування.

Примітка 2. До регламентованих умов виробництва відносяться: регулярність надходження предметів виробництва, параметри енергопостачання, параметри навколишнього середовища тощо.

Примітка 3. Розрізняють чотири ієрархічні рівні технологічних систем: опе­рацій, процесів, виробничих підрозділів і підприємств.

Розглянуті вище технічні об’єкти уявляться й аналізується як технічні системи, які мають певні якості, властивості, параметри, показники, характеристики та інші атрибути (істотні ознаки, невід’ємні властивості). Здійснимо спробу їх описати та пояснити.

Почнемо з характеристики, тобто з відмітної властивості ТО. Зокрема, в електробезпеці розглядають такі класи характеристик електротехнічних виробів:

• фізична характеристика (механічна, теплова, електрична, електромагнітна);

• ергономічна характеристика (конструкторська, фізіологічна, естетична, екологічна, безпека людини);

• технічна характеристика (технічні властивості, технічні характеристики, технічні параметри, технічні показники);

• процесна характеристика (принцип дії, спосіб дії, фізична операція);

• функціональна характеристика (продуктивність, швидкодія, точність, режими функціонування);

• характеристика якості (якість вихідних матеріалів, ефективність, надійність, живучість, ремонтопридатність);

• часова характеристика (безвідмовність, доступність);

• економічна характеристика (затрати матеріалів, затрати енергії, затрати на підготовку та отримання інформації, габаритні розміри технічного об’єкта);

• характеристика простежуваності (змога простежити ретроспективу створення та вдосконалення технічного об’єкта, сферу застосування або місцезнаходження).

Термін “параметр” означає ознаку виробу, яка кількісно характеризує будь-які її властивості або стани. Можна говорити про параметри силового кабелю (кабелю, призначеного для передачі електричної енергії струмами промислової частоти) або про параметри режиму короткого замикання (КЗ) електротехнічного пристрою, які характеризують його роботу в даному режимі. Наприклад, до параметрів електродвигуна відносяться геометричні розміри, споживана потужність, частота обертання ротора, характеристики вхідного енергетичного потоку (напруженість електричного поля, напруга, сила струму, частота струму).

В системотехніці розрізняють внутрішні параметри x₁, x₂, …, x_n технічної системи, які задаються вектором

X = (x₁, x₂, …, x_n). (1.1)

Вихідні параметри, які характеризують дію системи на зовнішнє середовище, задаються вектором

Y = (y₁, y₂, …, y_k), (1.2)

де y₁, y₂, …, y_k – вихідні параметри системи.

Управління з боку керуючої системи (управлінські дії з боку людини-оператора) задаються вектором

Q = (q₁, q₂, …, q_m), (1.3)

де q₁, q₂, …, q_m – параметри управління (для системи “людина-машина”) або параметри керування (для автоматизованих і автоматичних систем).

Збурення з боку зовнішнього середовища, задається вектором

G = (g₁, g₂, …, g_r). (1.4)

де g₁, g₂, …, g_r – параметри збурення системи.

Функція системи полягає в перетворенні входів Q у виходи Y, тобто

Q  Y, (1.5)

а властивості та поведінка системи залежить від внутрішніх і зовнішніх параметрів. Поведінка відносно простої технічної системи описується математичною моделлю виду:

Y = F ( X , Q, G), (1.6)

де F – оператор, тобто закон відповідності внутрішніх, керуючих і збурювальних параметрів параметрам виходу Y технічної системи (рис.1.1).

G

X

Q Y

Рис. 1.1. Формальна модель системи, яка керована зовні

Зауважимо, що при функціонуванні, а тим більше, при розвитку системи, деякі вихідні параметри y_і, ( ), приймають різні числові значення, тобто залежать від часу y_і(t), тому вони називаються фазовими змінними стану системи.

Наступний термін “показник” раціонально розглядати під кутом зору кваліметрії – галузі науки, яка узагальнює існуючі теорії вимірювання та оцінювання якості в різних галузях знань.

Якщо ₁, ₂,…,_k – параметри системи (процесу), то показник  є функцією від параметрів (факторів), тобто має місце

 =  (₁, ₂,…,_k). (1.7)

У даному випадку “показник” – кількісна характеристика будь-якої властивості системи або цілеспрямованого процесу, яка є результатом вимірювання або розрахунку.

Можна навести приклади показників:

• показник якості виробу – кількісна характеристика однієї чи декількох властивостей виробу, які складають його якість, що розглядається відповідно до визначеним умов його створення й експлуатації або споживання;

• показник стійкості до зовнішніх впливів – показник якості, який характеризує здатність виробу зберігати працездатність при діяннях сполучних й інших об’єктів, а також природного середовища;

• надійності – кількісної характеристики одного або декількох властивостей, які складають надійність виробу (технічного об’єкта);

• показник живучості – показник якості, який характеризує здатність виробу (технічного об’єкта) виконувати свої функції при пошкодженнях й аварійних ситуаціях;

• показник якості праці працівника – сукупність властивостей процесу трудової діяльності, які обумовлені здатністю та намаганням працівника виконати певне завдання у відповідності з установленими вимогами;

• показник безпеки – показник якості виробу, який забезпечує безпеку людини при монтажі, експлуатації, обслуговуванні, ремонті, зберіганні та транспортуванні виробу від механічних, теплових, електричних, хімічних, віброшумових діянь і впливів, а також від електромагнітних й іонізуючих випромінювань.

Переважна більшість вищеозначених показників відносяться до показників якості. Якість – це сукупність, система властивостей (функцій) і одночасно складна властивість (функція), адекватна цій сукупності. Як показано в кваліметрії, якість Q (від анг. quality) в атрибутивній концепції відображає взаємодію в системі відношень суб’єкт – об’єкт (властивість виступає як результат пізнання певної ознаки, яка належить даному об’єкту. Синонімами властивості в цій концепції є атрибут, риса, особливість тощо. Дійсно, характеристика якості – це власна характеристика продукції, процесу або системи, пов’язаної з вимогою, тобто з сформульованою потребою або очікуванням.

У функціонально-кібернетичній концепції якість визначає властивість через взаємодію в системі об’єкт – об’єкт або об’єкт – середовище. Це відноситься до якості електротехнічних виробів. Синонімами властивості в цій концепції виступають здатність, можливість, функція, реакція, поведінка та ін. Властивість у функціонально-кібернетичній інтерпретації являється динамічним елементом якості, як функція часу.

Мірою якості µ_s називається відображення якості Q або її підмножини (окремих властивостей чи їх груп {q_i}  Q) на множину дійсних чисел Rе, тобто:

µ_s: Q  Rе або µ_s: {q_i}  Rе (1.8)

Якість функціонування технічної системи оцінюється, використовуючи такі поняття, як “ефективність” , “надійність”, “живучість”.

Ефективність системи – числовий показник, який характеризує якість роботи системи в заданих умовах застосування. Це головна інтегральна техніко-економічна характеристика технічних систем, яка визначає ступінь досконалості системи, якість її функціонування й умови експлуатації. Можна вважати, що ефективність є ступенем відповідності технічної системи своєму призначенню.

Якщо W_i – ефективність ідеалізованої системи, а W – ефективність системи в реальних умовах застосування, то коефіцієнт ефективності k визначається за формулою:

k = W / W_i . (1.9)

До показників ефективності відносяться такі техніко-економічні параметри, як потужність, продуктивність, коефіцієнт корисної дії (ККД), напрацювання на відмову та ін.

Електротехнічні вироби, як й інші технічні об’єкти, характеризуються надійністю. Ця властивість істотно важлива для засобів захисту від ураження електричним струмом. Зазначимо, що властивість – це форма існування ознаки (якісної визначеності) технічного об’єкта, за допомогою якого встановлюється схожість або відмінність з іншими об’єктами.

Надійність – властивість об’єкта зберігати у часі в певних межах значення всіх параметрів, які характеризують здатність виконувати потрібні функції в заданих режимах й умовах застосування, технічного обслуговування, ремонтів, зберігання та транспортування. Іншими словами, надійність – здатність системи виконувати задані функції, зберігаючи в установлених межах свої основні характеристики.

В теорії надійності обґрунтовується, що надійність є складною властивістю і складається з сполучення властивостей: безвідмовності, довговічності, ремонтопридатності та збереженості.

Функція надійності – функція  (t), яка визначає ймовірність безвідмовної роботи технічної системи або елемента системи за проміжок часу t.

Нехай технічна система починає функціонувати в момент часу t₀ = 0, а в момент часу t відбувається відмова. Якщо тривалість часу безвідмовної роботи системи позначити через Т, а інтенсивність відмов (середнє число відмов в одну одиницю часу) – через  , то тривалість часу безвідмовної роботи системи звично має показниковий розподіл. Інтегральна функція розподілу F (t) визначає ймовірність p відмови системи (елемента) за проміжок часу t:

F (t) = p ( Т  t ) = 1 – еxp (– t),   0. (1.10)

Друга складова інтегральної функції називається функцією надійності  (t) – функція, яка визначає ймовірність безвідмовної роботи системи за час, який має тривалість t :

 (t) = еxp (– t). (1.11)

Живучість – властивість складної системи, що полягає в її здатності зберігати штатний режим функціонування і виключати можливість аварії або катастрофи в прогнозованих і не прогнозованих умовах впливу дестабілізуючих, неруйнівних факторів ризику. Іншими словами, це здатність системи зберігати властивості, необхідні для виконання потрібних функцій, при наявності діянь та впливів, не передбачених умовами нормальної експлуатації.

Зазначимо, що живучість і надійність є якісними характеристиками виробничих систем і оцінюються за допомогою методу експертних оцінок.

Функціональний аспект опису технічної системи пов'язаний з відображенням принципів її функціонування і способів дії, характеру фізичних й інформаційних процесів, які протікають в системі, і знаходять відображення в принципіальних, структурних, функціональних і кінематичних схемах та супровідних документах.

Принцип дії розглядається як основна процесна характеристика технічної системи, яка вказує на її функціональну структуру, а також на закони природи, які виражені фізичними явищами й ефектами, законами фізики та хімії, та які визначають хід процесу та його основні особливості. З “принципом дії” пов’язана характеристика процесу, який здійснюється в технічному об’єкті та основні дії, які об’єкт здатний зробити.

Наприклад, в класі “асинхронні двигуни” реалізується один і той же принцип дії, який базований на законах Біо-Савара-Лапласа, Ампера, електромагнітної індукції Фарадея і динаміки обертального руху. Дійсно, при протіканні трифазного змінного струму по обмотках статора в електродвигуні створюється обертальне магнітне поле, яке наводить ЕРС і струм індукції в обмотках ротора, а взаємодія струму ротора з магнітним полем статора викликає момент сил, що обертає ротор з кутовою швидкістю, яка менше швидкості поля.

Для опису фізичного принципу дії (ФПД) визначеного технічного об’єкта використовується віртуальний фонд природничо-наукових і науково-технічних ефектів (ПН і НТЕ), який створений російськими науковцями (започаткував О.І.Половінкін) і реалізований на основі Інтернет-технологій (див. http // www.effects.ru/ ). Зокрема, проектування нових пристроїв захисту від ураження електричним струмом не уможливлюється без розв’язання складної задачі пошуку нових ФПД, шляхом автоматизованого чи автоматичного синтезу на базі ЕОМ з використанням віртуального фонду ПН і НТЕ. Можна показали, що принцип дії класу “асинхронні двигуни” одночасно реалізує декілька ПН і НТЕ.

Термін “спосіб дії ” означає спосіб реалізації певного ФПД, який здійснюється в певному класі технічних об’єктів, а також конструктивне оформлення ФПД, один із варіантів технічних рішень, який відповідає підкласу об’єктів. Варіантами технічних рішень можуть бути асинхронні двигуни, які мають різноманітні структури ротора: короткозамкнута обмотка типу “біляча клітка”, фазний ротор, масивний ротор, порожнистий ротор тощо.

Традиційні технічні системи, які удосконалюються, або спроектовані нові системи піддаються експлуатаційним випробуванням на процеси функціонування в різних режимах.

Під “режимом функціонування” (“режимом роботи”) електротехнічного пристрою (виробу) розуміється сукупність умов роботи за певний інтервал часу з врахуванням їх тривалості, послідовності, а також значень і характеру навантаження. Вказаним умовам роботи відповідають певні значення експлуатаційних параметрів. Тому в теорії надійності вказаний термін означає сукупність значень експлуатаційних параметрів виробу при використанні його за призначенням. До вказаних параметрів відносяться потужність, швидкість, циклічність роботи, тривалість неперервної роботи тощо.

Розглянемо основні властивості та стани технічної системи. Зазначимо, що стан технічного об’єкта – це множина його суттєвих властивостей в у певний момент часу. При цьому можна говорити про стан входів Q і стан виходів Y системи (рис. 1).

Безвідмовність – властивість об’єкта безперервно зберігати працездатний стан на протязі деякого часу або напрацювання.

Довговічність – властивість об’єкта зберігати працездатний стан до настання граничного стану при встановленій системі технічного обслуговування та ремонту.

Ремонтопридатність – властивість об’єкта, яке полягає в пристосовуванні до підтримання і відновлення працездатного стану шляхом технічного обслуговування та ремонту.

Збережність – властивість об’єкта зберігати в заданих межах значення параметрів, які характеризують здатності об’єкта виконувати потрібні функції на протязі та після збереження і (або) транспортування.

Справний стан – стан об’єкта, при якому він відповідає всім вимогам нормативно-технічної документації.

Несправний стан – стан об’єкта, при якому він не відповідає хоча б одному із вимог нормативно-технічної документації.

Працездатний стан – стан об’єкта, при якому значення всіх параметрів, які характеризують здатність виконувати задані функції, відповідають вимогам нормативно-технічної документації.

Пошкодження – подія, що полягає в порушенні справного стану об’єкта при збереженні працездатного стану.

Відмова – ймовірнісна подія, що пов’язана з припиненням функціонування об’єкта.

Непрацездатний стан – стан об’єкта, при якому значення хоча б одного параметра, які характеризують здатність виконувати задані функції, не відповідають вимогам нормативно-технічної документації.

Ремонт – комплекс операцій з відновлення несправності або працездатності виробів і відновлення ресурсів виробів або їх складових частин.

Ресурс (технічний ресурс) – напрацювання об’єкта від початку його експлуатації або його поновлювання після ремонту певного виду до переходу в граничний стан. Для ремонтованих об’єктів розрізняють доремонтний, міжремонтний, післяремонтний і повний (до списання) ресурс.

Граничний стан – стан об’єкта, при якому його подальша експлуатація неприпустима або недоцільна, або відновлення його працездатного стану неможливо або недоцільно.

Списання – документальне оформлення встановленому порядку та зняття виробу з обліку.

Між справним (працездатним) станом технічного об’єкта (ТО) і непрацездатним станом, що включає списання, існує зв'язок, який зображений на рис. 1.2.

Справний стан ТО

1

Працездатний стан ТО

Непрацездатний стан ТО

2

4

2

Граничний стан ТО

3 5

3

Списання ТО

Рис. 1.2. Схема основних станів технічного об’єкта, де:

1 – пошкодження; 2 – відмова; 3 – перехід ТО в граничний стан;

4 – відновлення; 5 – ремонт