42

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

________________________________

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ЮЖНО–РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙУНИВЕРСИТЕТ (НОВОЧЕРКАССИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ)

Центр переподготовки и повышения квалификации преподавателей высших и средних специальных учебных заведений

КУРС ЛЕКЦИЙ

по дисциплине:

«НАДЕЖНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ И ТЕХНОГЕННЫЙ РИСК

Новочеркасск, 2003

СОДЕРЖАНИЕ

1 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ЗАВИСИМОСТИ НАДЕЖНОСТИ 4

1.1 Понятия надежности 4

1.2 Показатели надежности 7

1.3 Случайные величины и их характеристики 9

1.4. Общие зависимости 11

1.5 Надежность в период нормальной эксплуатации 13

1.6. Надежность в период постепенных отказов 14

1.7 Совместное действие внезапных и постепенных отказов 20

1.8. Особенности надежности восстанавливаемых изделий 20

2 НАДЕЖНОСТЬ СИСТЕМ 22

2.1. Общие сведения 22

2.2. Надежность последовательной системы при нормальном распределении нагрузки по системам 24

2.3. Надежность систем с резервированием 24

2.4. Надежности сложных систем. 29

3 надежность систем человек-машина 31

3.1. Система человек – машина 31

3.2. Возможности человека-оператора 35

3.3. Понятие о надежности работы человека при взаимодействии с техническими системами 37

3.4. Критерии оценки деятельности оператора 38

3.5. Оценка надежности системы «человек — машина» 40

4. основные положения теории риска 43

4.1. Ключевые термины и определения 43

4.2. Причины и последствия 45

4.3. Аксиома о потенциальной опасности деятельности 45

4.4. Основы теории риска 45

4.5. Квантификация риска 48

4.6. Концепция приемлемого риска 48

4.7. Методы оценки риска 49

4.8 Оценка вероятности неблагоприятных событий 50

4.9 Метод деревьев отказов 56

4.10. Методы индексов опасности 60

4.11.Оценка ущерба 63

4.12. Интегральная оценка риска 65

4.13. Интегральные характеристики риска 66

4.14. Статистические распределения ущерба. 66

4.15. Статистическое представление средних и предельных характеристик риска 69

4.16.Построение полей риска 70

5. Промышленная безопасность и стратегия управления промышленными рисками 71

5.1. Основные нормативные документы в области промышленной безопасности 73

5.2. Декларация промышленной безопасности 74

5.3. Организация мероприятий по управлению риском на промышленном предприятии 78

5.4. Построение стратегии управления рисками промышленного предприятия 80

1 Основные положения и зависимости надежности

1.1 Понятия надежности

Надежность (общая) – это свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах все параметры, обеспечивающие выполнение требуемых функций в заданных условиях эксплуатации.

Первостепенное значение надежности в технике связано с тем, что уровень надежности в значительной степени определяет уровень разви­тия техники.

Современные технические средства состоят из множества взаимодействующих механизмов, аппаратов и приборов. В современных промышленных комплексах насчитывается более миллиона деталей, современные системы радиоуправления ракетами имеют десятки миллионов элементов. Отказ в работе хотя бы одного ответственного элемента сложной системы без резервирования может привести к нарушению работы всей системы.

В 1965 г., в США произошла исключительная по масштабам авария, оставившая огромную часть территории страны с населением 40 млн. человек без электрической энергии на 14 ч. Причиной аварии был выход из строя одного реле на распределительном щите Ниагарской гидроэлектростанции.

Недостаточная надежность оборудования приводит к огромным затратам на ремонт, простою оборудования, прекращению снаб­жения электроэнергией, водой, газом, транспортными средствами, иногда к авариям, связанным с большими экономическими потерями, разрушениями крупных объектов и с человеческими жертвами.

В 1984 г. на ремонт израсходовано 35 млрд. руб. и почти пятая часть черных металлов, в ремонтных цехах заняты четвертая часть станочного парка страны и 6 млн. работников. При недостаточной долговечности машины изготовляют в большем, чем нужно, коли­честве, что ведет к перерасходу металла, излишкам производствен­ных мощностей, завышению расходов на ремонт и эксплуатацию, Физический срок службы машин в среднем существенно меньше срока морального износа.

Быстрое развитие науки о надежности в период научно-техниче­ской революции связано: а) с автоматизацией, многократным усложнением машин и их соединением в крупные комплексы; б) с задачами безлюдной технологии; в) с непрерывным форсированием машин, уменьшением их металлоемкости, повышением их силовой, тепло­вой, электрической напряженности.

Теория надежности является комплексной дисциплиной и состоит из таких разделов, как математическая теория надежности, надежность по отдельным критериям отказов («физика отказов»), расчет и прогнозирование надежности, мероприятия по повышению надежности, контроль надежности (испытания, стати­стический контроль, организация наблюдений) и техническая диагностика, теория восстановления, экономика надежности.

В теории надежности рассматриваются следующие обобщенные объекты:

изделие – единица продукции, выпускаемая данным пред­приятием, цехом и т. д., например подшипник, ремень, станок, автомобиль;

элемент– простейшая при данном рассмотрении составная часть изделия, в задачах надежности может состоять из многих деталей;

система – совокупность совместно действующих элементов, предназначенная для самостоятельного выполнения заданных функций.

Изделия делят на: невосстанавливаемые, которые не могут быть восстановлены потребителем и подлежат замене, например электрические и электронные лампы, подшипники каче­ния и т. д., восстанавливаемые, которые могут быть восстановлены потребителем, например станок, автомобиль, радиоприемник.

Ряд изделий, относимых к невосстанавливаемым, например подшипники качения, иногда восстанавливаются, но не потребителями, а на специализированных предприятиях. Сложные изделия, состоящие из многих элементов, как правило, восстанавливают, так как отказы обычно связаны с повреждением одного или немногих элементов, в то время как другие остаются работоспособными. Простые элементы, особенно покупаемые со стороны и изготовляемые методом массового производства, часто не восстанавливаются.

Основные понятия и термины надежности стандартизованы. Надежность характеризуется состояниями и событиями:

Работоспособность – состояние изделия, при котором оно способно нормально выполнять заданные функции (с параметрами, установленными техническими требованиями). Работоспо­собность не касается требований, не влияющих на эксплуатационные показатели, например повреждение окраски и т. д.

Исправность – состояние изделия, при котором оно удовлетворяет всем основным и вспомогательным требованиям. Исправное изделие обязательно работоспособно.

Неисправность – состояние изделия, при котором оно не соответствует хотя бы одному из требований технических требований. Различают неисправности, не приводящие к отказам, и неисправности, приводящие к отказам.

Отказ – событие, заключающееся в полной или частичной утрате работоспособности. Отказы делят на отказы, функционирования, при которых выполнение своих функций рассматриваемым элементом или объектом прекращается (например, поломка зубьев шестерни), и отказы параметрические, при которых некоторые параметры объекта изменяются в недопустимых пределах (например, потеря точности станка).

Причины отказов делятся на случайные и систематические.

Случайные причины – это непредусмотренные факторы и явления перегрузки, дефекты материала и погрешности изготовления, ошибки обслуживающего персонала или сбои системы управления. Случайные факторы преимущественно вызывают отказы при действиях в неблагоприятных сочетаниях.

Систематические причины – это закономерные явления, вызывающие постепенное накопление повреждений: влияние среды, времени, температуры, облучения – коррозия, старение, нагрузки и работа трения – усталость, ползучесть, износ, функциональные воздействия – засорения, залипания, утечки.

В соответствии с характером развития и про­явления отказы делят на внезапные (поломки от перегрузок, заеданий), постепенные по развитию и внезапные по проявлению (усталостные разрушения, перегорание ламп, короткие замыкания из-за старения изоляции) и постепенные (износ, старение, коррозия, залипание). Внезапные отказы вследствие своей неожиданности более опасны, чем постепенные. Постепенные отказы представляют собой выходы параметров за границы допуска в процессе эксплуатации или хранения.

По причинам возникновения отказы можно также разделить на конструкционные, вызванные недостатками конструкции, технологические, вызванные несовершенством или нарушением технологии, и эксплуатационные, вызванные неправильной эксплуатацией.

Отказы в соответствии со своей физической природой бывают связаны с разрушением деталей или их поверхностей (поломки, выкрашивание, износ, коррозия, старение) или не связаны с разрушением (засорение каналов подачи топлива, смазки или подачи рабочей жидкости в гидроприводах, ослабление соединений, загрязнение или ослабление электроконтактов). В соответствии с этим отказы устраняют: а) заменой деталей, б) регулированием или очисткой.

По своим последствиям отказы могут быть легкими – легкоустранимыми, средними, не вызывающими разрушений других узлов, и тяжелыми, вызывающими тяжелые вторичные разрушения, а иногда и человеческие жертвы.

По возможности дальнейшего использования изделия отказы разделяют на полные, исключающие возможность работы изделия до их устранения, и частичные, при которых изделие может частично использоваться, например, с неполной мощностью или на пониженной скорости.

По сложности устранения различают отказы, устранимые в порядке технического обслуживания, в порядке среднего или капитального ремонта и по месту устранения – отказы, устранимые в эксплуатационных и стационарных условиях, что особенно существенно для транспортных машин, в частности для автомобилей.

Встречаются также самоустраняющиеся отказы.

По времени возникновения отказы делят на: приработочные, возникающие в первый период эксплуатации, связанные с отсутствием приработки и с попаданием на сборку дефектных элементов, не отбракованных контролем, при нормальной эксплуатации (за период до проявления износных отказов), износовые.

Проводя некоторую аналогию между изделиями и человеком с позиций надежности, приработочные отказы сопоставляют с детскими болезнями, отказы при нормальной эксплуатации – со случайными болезнями окрепшего организма взрослого человека, износовые – со старческими болезнями.

Рассмотрим свойства изделий в аспекте проблемы надежности.

Надежность изделий обусловливается их безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью и сохраняемостью. Таким образом, надежность характеризуется свойствами, которые проявляются в эксплуатации и позволяют судить о том, насколько изделие оправдает надежды его изготовителей и потребителей.

Безотказность (или надежность в узком смысле слова) – свойство непрерывно сохранять работоспособность в течение задан­ного времени или наработки. Это свойство особенно важно для машин, отказ в работе которых связан с опасностью для жизни людей или с перерывом в работе большого комплекса машин, с остановкой автоматизированного производства или с существенным ущербом производства.

Долговечность – свойство изделия длительно сохранять работоспособность до предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов. Предельное состояние изделия характеризуется невозможностью его дальнейшей эксплуатации, снижением эффективности или безопасности. Для невосстанавливаемых изделий понятия долговечности и безотказности практически совпадают.

Ремонтопригодность – приспособленность изделия к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений и поддержанию и восстановлению работоспособности путем технического обслуживания и ремонтов.

Сохраняемость – свойство объекта сохранять значение показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности после хранения и транспортирования. Практическая роль этого свойства особенно велика для приборов. Так, по американским источникам во время второй мировой войны около 50 % радиоэлектронного оборудования для военных нужд и запасных частей к нему вышло из строя в процессе хранения.