Надежность технических систем и техногенный риск. Часть 1. Надежность

данных, и, следовательно, все показатели надежности – это числовые характеристики случайных величин. Поэтому в теории надежности важнейшее место занимают методы теории вероятностей и теории случайных величин, а также теории случайных процессов.

Для изучения теории надежности необходимо предварительно основательно изучить основы теории вероятностей и теории случайных величин. Важнейшие понятия – вероятность события, случайная величина, закон распределения. Для оценки надежности необходимо знать важнейшие понятия теории вероятностей, а также законы распределения дискретных и непрерывных случайных величин и их числовые характеристики, в том числе математическое ожидание и дисперсию. Подавляющее большинство числовых показателей необходимо уметь оценить по опытным данным, поэтому необходимо знать, что такое статистические оценки случайных величин и как их вычислять. Кроме того, необходимо уметь строить эмпирические функции распределения и по ним с помощью критериев согласия подбирать соответствующие теоретические законы распределения вероятностей случайных величин.

1.2. Основные термины теории надежности

Отказ – основополагающее понятие теории надежности, неразрывно связанное с понятиями работоспособности и предельного состояния объекта. Классификация отказов помогает разобраться в их причинах и тем самым способствует повышению надежности.

Надежность систем возрастает, если имеется возможность ремонта (восстановления) неработоспособных элементов, а также в случае использования резервных элементов.

1.2.1.Исправность. Работоспособность. Предельное состояние. Отказ

Исправность – состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям, установленным нормативно-технической документацией (НТД).

11

Работоспособность – состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции.

В работоспособном состоянии объекта значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и конструкторской документации. Событие, состоящее в нарушении исправного состояния объекта, но сохраняющего его работоспособность, называется повреждением (дефектом).

Предельное состояние объекта – это состояние, при котором его применение по назначению недопустимо или нецелесообразно. Применение объекта по назначению прекращается, если:

–невозможно устранитьнарушениятребований безопасности;

–отклонения величин заданных параметров недопустимы

инеустранимы;

–эксплуатационныерасходы превысили допустимые пределы. Понятие исправности шире, чем понятие работоспособности.

Если объект неработоспособен, то он неисправен. Но если объект неисправен, то это не означает, что он неработоспособен, так как работоспособный объект должен соответствовать лишь тем требованиям НТД, которые обеспечивают возможность выполнения объектом его функций. Например, поцарапанный молоток неисправен, но им можно забивать гвозди.

Отказ – это событие, в результате которого объект становится неработоспособным. В основе отказа – выход основных характеристик (параметров) технического объекта, определяющих его способность выполнять заданные функции в течение заданного промежутка времени, за допустимые НТД пределы.

Понятие отказа лежит в основе понятия «надежность» технической системы.

1.2.2. Классификация отказов

Отказы можно классифицировать по различным признакам классификации: по типу проявления, природе, характеру или причинам возникновения, а также по последствиям отказов.

12

1. По типу проявления отказы подразделяются:

–на функциональные, при которых прекращается выполнение объектом основных функций (например, поломка зубьев шестерни);

–параметрические, при которых параметры объекта выходят за допустимые пределы (например, потеря точности измерения).

2. По возможности дальнейшего использования отказы могут быть полными или частичными, а также устранимыми и неустранимыми.

Полный отказ – событие, в результате которого происходит полная утрата работоспособности объекта. Если отказ частичный, то объект может частично использоваться. Например, если в будильнике испорчен звонок, но он продолжает идти и верно показывать время, то его можно использовать как обычные часы.

Устранимый отказ – отказ, причины которого могут быть полностью устранены, что исключает их возникновение при дальнейшей эксплуатации. Неустранимый отказ – отказ, в результате которого работоспособность объекта не может быть восстановлена (например, не могут быть устранены причины отказа).

3. По причине возникновения различают отказы конструктивные, производственные и эксплуатационные.

Конструктивный отказ появляется в результате недостатков

инеудачной конструкции объекта. Производственный отказ связан с ошибками при изготовлении объекта по причине несовершенства или нарушения технологии, в том числе при замене материалов. Эксплуатационный отказ вызывается нарушением правил эксплуатации объекта.

4. По своей природе отказы подразделяются:

–на случайные, которые вызываются непредусмотренными перегрузками, дефектами материала, ошибками персонала, сбоями системы управления и т.п.;

–систематические, которые обусловлены закономерными явлениями, вызывающими постепенное накопление повреждений. Усталость материалов, их износ, старение, коррозия и другие процессы приводят к систематическим отказам.

13

5.По характеру возникновения бывают внезапные, постепенные и перемежающиеся отказы.

Внезапный отказ проявляется в резком (мгновенном) изменении характеристик объекта. Внезапные отказы обычно проявляются

ввиде повреждений элементов (поломки, пробои изоляции, обрывы и т.п.) и не сопровождаются предварительными видимыми признаками их приближения. Внезапный отказ характеризуется независимостью момента наступления от времени предыдущей работы.

Постепенный отказ – отказ, происходящий в результате медленного, постепенного ухудшения характеристик объекта из-за износа и старения материалов, а также из-за разрегулировки (нарушения связей) элементов.

Перемежающийся – это отказ самоустраняющийся (возникающий/исчезающий). Типичным примером перемежающегося отказа является сбой компьютера.

6.По времени возникновения различают приработочные и деградационные отказы, связанные со старением объекта.

Приработочный отказ – это отказ, появившийся в период приработки, на ранних стадиях эксплуатации объекта, при проявлении действия скрытых дефектов, не обнаруженных или не устраненных в процессе изготовления, испытаний и приемочного контроля. Деградационный отказ вызывается процессами старения, изнашивания, коррозии и усталости при условии соблюдения правил и норм проектирования, изготовления и эксплуатации объекта. Такой отказ происходит на поздней стадии эксплуатации объекта, когда вследствие естественных процессов объект или его составные части приближаются к предельному состоянию по условиям физического износа. Деградационные отказ бывают как постепенными, так и внезапными, наступающими вследствие кумулятивных эффектов и преодоления критических порогов изменения параметров.

Различают также явные (очевидные) и скрытые (латентные) отказы. Латентный отказ опасен тем, что его наступление труднее зафиксировать и выявить своевременно.

14

Тип и причины отказа иногда очевидны, но иногда их своевременное выявление бывает затруднительным и даже не всегда возможным. Необходимы критерии, на основании которых можно утверждать, что отказ имеет место.

Критерий отказа – отличительный признак или совокупность признаков, согласно которым устанавливается факт возникновения отказа.

1.2.3. Наработка, срок службы, ресурс

Созданный технический объект имеет определенный ресурс эксплуатации, который постепенно расходуется в процессе наработки. Различают разные типы наработок и ресурсов.

Наработка – объем работы, измеряемый единицами времени, числом циклов нагружения, километрами пробега и т.п. Наработка до отказа – наработка от начала эксплуатации до первого отказа. Наработка между отказами – наработка от момента восстановления работоспособного состояния после отказа до следующего отказа. Приработка – начальный период наработки, в течение которого интенсивность отказов имеет тенденцию к уменьшению за счет устранения скрытых дефектов.

Технический ресурс объекта – наработка от начала эксплуа-

тации (или после ремонта) до перехода в предельное состояние. Часто технический ресурс регламентируется, например от на-

чала эксплуатации до капитального ремонта. Если регламентация отсутствует, то имеется в виду ресурс от начала эксплуатации до достижения предельного состояния после всех видов ремонтов. Для невосстанавливаемых объектов понятия технического ресурса и наработки до отказа совпадают.

Назначенный ресурс – суммарная наработка объекта, при достижении которой эксплуатация должна быть прекращена независимо от его состояния.

Срок службы – календарная продолжительность эксплуатации (включая хранение, ремонт объекта и т.п.) от ее начала до наступления предельного состояния.

15

1.3.Основные типы технических систем

втеории надежности

Втеории надежности среди всех типов технических систем выделяют ремонтируемые (восстанавливаемые) и неремонтируемые (невосстанавливаемые) системы, а также так называемые системы с резервированием, в которых предусмотрено использование резервных элементов.

1.3.1. Восстанавливаемые и невосстанавливаемые системы

После наступления предельного состояния объект либо подлежит ремонту, либо снимается с эксплуатации. В связи с этим технические объекты в предельном состоянии подразделяются на восстанавливаемые и невосстанавливаемые.

Техническая система называется невосстанавливаемой (неремонтируемой), если ее отказ приводит к неустранимым последствиям и систему нельзя использовать по своему назначению. Работа после отказа невосстанавливаемой системы считается невозможной или нецелесообразной.

Подшипники качения, полупроводниковые изделия, управляемые снаряды, зубчатые колеса и другие компоненты – невосстанавливаемые элементы технической системы.

Под восстанавливаемой (ремонтируемой) понимается сис-

тема, которая может продолжать выполнение своих функций после устранения отказа, вызвавшего прекращение ее функционирования. При этом под восстановлением системы понимается не только ремонт тех или иных элементов системы, но и полная замена отказавших элементов на новые.

Объекты, состоящие из многих элементов, например станок, автомобиль, электронная аппаратура, как правило, являются восстанавливаемыми, поскольку их отказы связаны с повреждениями одного или немногих элементов, которые могут быть заменены. Иногда один и тот же объект может считаться восстанавливаемым или невосстанавливаемым в зависимости от особенностей, этапов эксплуатации или назначения.

16

Среди важных характеристик ремонтируемых объектов необ-

ходимо отметить время восстановления работоспособного состоя-

ния после отказа.

Старение технических объектов приводит к росту затрат (материальных, временных и финансовых) на их восстановление, поэтому исключительно значима проблема продления ресурса стареющих систем с учетом критериев надежности и уменьшения техногенного риска. Важной задачей поддержания объектов в работоспособном состоянии является организация и проведение технического обслуживания и ремонтов.

1.3.2. Системы с резервированием. Виды резервирования

Один из способов повышения надежности технической системы – использование различных видов и методов резервирования.

Резервирование – это способ повышения надежности путем применения дополнительных средств или возможностей с целью сохранения работоспособности объекта при отказе одного или нескольких его элементов.

Резервный элемент – элемент объекта, предназначенный для выполнения функций основного элемента в случае его отказа. В качестве резервных могут быть использованы как отдельные элементы, так и целые системы и подсистемы, состоящие из многих элементов.

Основные методы резервирования следующие:

–общее резервирование, при котором параллельно включаются идентичные системы;

–раздельное, при котором используются отдельные резервные устройства;

–комбинированное, использующее оба вышеуказанных метода резервирования.

Кратность резервирования – это отношение числа резервных устройств к числу основных. Резервирование связано с изменением структурысистемы испособами подключениярезервных элементов.

17

Различают также три режима резервирования:

–нагруженное (горячее) резервирование, при котором резерв-

ные объекты находятся в тех же условиях, что и основные;

–ненагруженное (холодное) резервирование, при котором ре-

зервные объекты не включены (и потому не могут отказывать);

–облегченное – при котором резервные объекты включены, но работают не на полную нагрузку.

Простейший пример нагруженного резервирования представляет система, состоящая издвухпараллельно соединенных элементов.

Контрольные вопросы

1.Приведите определение системы.

2.Дайте определение понятия «надежность».

3.Что такое отказ?

4.Чем отличаются понятия работоспособности и исправности объекта?

5.В чем разница между отказом и дефектом?

6.По каким признакам классифицируются отказы объектов?

7.Что такое восстанавливаемая система?

8.Дайте определение резервного элемента.

9.Чем отличаются общее и раздельное резервирование?

18

2.ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ИЧИСЛОВЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ

Надежность технического объекта есть его физическое свойство, которое может быть представлено набором качественных и количественных характеристик.

2.1. Качественные характеристики надежности

На качественном уровне надежность технического объекта может быть представлена определенным набором характеристик, важнейшие из которых – безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость.

2.1.1. Безотказность

Безотказность – это способность объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или наработки.

Основные числовые показатели безотказности:

–вероятность безотказной работы;

–средняя наработка до отказа;

–средняя наработка на отказ;

–интенсивность отказов.

Численные значения показателей безотказности оцениваются на основе теоретических расчетов с помощью законов распределения и опытных (экспериментальных) данных.

2.1.2. Долговечность

Долговечность – способность объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния в заданных условиях технического обслуживания и ремонта.

19

Основные числовые показатели долговечности:

–средний ресурс – математическое ожидание технического ресурса;

–гамма-процентный ресурс – наработка, в течение которой объект не достигнет предельного состояния с заданной вероятностью γ (выраженной в процентах);

–назначенный ресурс – это суммарная наработка, при достижении которой применение объекта по назначению должно быть прекращено независимо от его технического состояния;

–средний срок службы – математическое ожидание срока службы;

–гамма-процентный срок службы – календарная продолжительность от начала эксплуатации объекта, в течение которой он не достигнет предельного состояния с заданной вероятностью γ, выраженной в процентах.

Априорные значения показателей безотказности и долговечности включаются в число исходных техническо-экономических показателей объектов при их проектировании. Апостериорная оценка выполняется на основании опытных данных, в том числе в период приработкиобъекта сцелью принятия мер поего совершенствованию.

2.1.3. Ремонтопригодность

Ремонтопригодность – приспособленность объекта к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем проведения ремонтов и технического обслуживания.

Ремонтопригодность (ремонтоприспособленность) означает возможность восстановления надежности объекта путем замены отказавших или неисправных элементов. Ремонтопригодность подразумевает наличие запасных элементов, их своевременную поставку и саму возможность замены, которая обеспечивается в первую очередь требованиями стандартов при проектировании технических объектов. Ремонтопригодность – важнейшее качество технического объекта, позволяющее повышать его надежность.

20