Надежность технических систем и техногенный риск. Часть 1. Надежность

С более сложными методами расчета надежности систем, в частности, с методами оценки надежности восстанавливаемых систем с резервированием можно ознакомиться, например, с помощью учебников В.А. Острейковского, А.М. Половко и С.В. Гурова и других авторов (см. список литературы).

Контрольные вопросы

1.Напишите формулу для вычисления вероятности безотказной работы системы с независимыми элементами, работающей до первого отказа:

а) в общем случае; б) в случае экспоненциального распределения вероятностей.

2.Для системы с независимыми элементами, работающей до первого отказа, напишите:

а) формулу для вычисления математического ожидания времени безотказнойработы вслучае экспоненциального распределения;

б) формулу для оценки средней наработки на отказ по опытным данным.

3.Назовите показатели ремонтопригодности восстанавливаемой системы.

4.Напишите формулу для вычисления математического ожидания времени восстановления системы, состоящей из n последовательно соединенных независимых элементов с разными интенсивностями восстановления.

5.Напишите формулу для оценки средней наработки восстанавливаемой системы на отказ.

6.Что такое коэффициент готовности нерезервированной восстанавливаемой системы и как его оценить по опытным данным?

7.Чем отличаются коэффициенты готовности и оперативной готовности восстанавливаемой системы?

8.Выполните расчеты надежности каждой из систем, изображенных на рис. 8.1–8.4.

81

9. ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ПРАКТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ

Надежность технических систем – одна из базовых составляющих обеспечения безопасности человека в техносфере.

Основы надежности технических систем закладываются на этапе проектирования новых объектов. Проектирование должно выполняться на основе методов теории надежности с учетом предполагаемых величин эксплуатационных нагрузок и изменения свойств конструкционных материалов на основе нормативной документации. Однако на практике нормативный подход к проектированию не всегда учитывает возможные отклонения в технологии изготовления отдельных деталей и узлов, разброс характеристик используемых материалов, случайные внешние воздействия в период эксплуатации.

Факторы, влияющие на практическую надежность технических систем, можно разделить на три группы:

–конструктивные;

–производственные;

–эксплуатационные.

К конструктивным относят факторы, которые еще на этапе проектирования и конструирования технического объекта предопределяют условия возникновения последующих отказов.

Конструктивные факторы включают в себя:

–выбор структурной и функциональной схем, а также способов резервирования;

–выбор материалов и комплектующих элементов;

–определение режимовиусловийработыэлементоввсистеме;

–требования на допуски технологических характеристик;

–разработку технической документации и другие. Поисковые и прикладные исследования на этапе проектиро-

вания предполагают разработку нескольких вариантов построения

82

сложных систем, учитывающих различные пути и способы повышения надежности как отдельных ее элементов, так и системы в целом. Оптимальные конструктивные решения дают возможность заранее выбирать облегченные режимы работы технических объектов и их элементов и в то же время позволяют обеспечить их работоспособность при достаточно больших отклонениях технологических параметров от заданных. Например, с этой целью в соединениях отдельных деталей механизмов используют упругие элементы вместо жестких. Один из путей повышения надежности изделий – это обеспечение ремонтопригодности сложных объектов путем унификации отдельных деталей, узлов и механизмов. После разработки теоретического обоснования проекта обычно строится опытный образец. С целью минимизации влияния конструктивных факторов на надежность изделий и своевременного выявления недостатков разработки обычно проводят провоцирующие, в том числе форсированные, испытания при повышенных нагрузках. При экспериментальной отработке опытных образцов изделий выявляются и устраняются ненадежные изделия и их узлы, а также недопустимые режимы эксплуатации. После устранения выявленных недостатков изделия запускают в серийное производство.

Конструктивные факторы закладывают основу надежности. К производственным относят факторы, возникающие в про-

цессе изготовления технического объекта. Производственные факторы – это технологические факторы собственно производства,

атакже монтажа и наладки оборудования, включающие в себя:

–контроль качества исходных материалов и комплектующих;

–организацию процесса технологического изготовления оборудования;

–контроль качества продукции на всех этапах технологического процесса;

–контроль качества при монтаже и наладке оборудования;

–условия работы на производстве и другие.

Производственные факторы обеспечивают надежность объекта в процессе его изготовления. Дефекты, возникающие в процессе про-

83

изводства изделий, можно выявить на этапе приработки изделия с помощью испытаний. С этой же целью перед сдачей ответственных изделий вэксплуатациючастопроводятпредпусковые испытания.

К эксплуатационным факторам относят внешние, воздействующие на объект факторы и факторы, возникающие в результате мероприятий, проводимых в ходе технического обслуживания объекта. Эксплуатационные факторы проявляются вне сферы проектирования и производства. Выделяют объективные и субъективные эксплуатационные факторы. Субъективный эксплуатационный фактор – это человеческий фактор, влияющий на надежность объекта из-за действий обслуживающего персонала. Объективные эксплуатационные факторы подразделяют на внешние (излучения, вибрация, ударные и другие механические нагрузки, агрессивные среды)

ивнутренние (старение, износ, коррозия оборудования), возникающие под воздействием времени и внешних факторов.

Среди внешних эксплуатационных факторов, влияющих на надежность оборудования, выделяют биологические факторы, такие как воздействие бактерий, насекомых, плесеней и другие, а также климатические факторы. К климатическим факторам относятся: высокие и низкие значения температуры, влажность, солнечное облучение, атмосферноедавление, ветер, гололед, воздействие пескаипыли.

Вкачестве защиты от биологических факторов используют изоляционные материалы, покрытия со специальными пропитками, средства химической защиты и другие. Плесневые грибы обрабатывают ядами и фунгицидами, останавливающими рост плесени. Вид защиты определяется условиями эксплуатации, которые могут существенно различаться. Например, эксплуатация кабелей в Африке должна предусматривать защиту от термитов, а Антарктиде – защиту от низких температур.

Защита от климатических воздействий проводится в двух основных направлениях: выбор высококачественных комплектующих

ииспользование специальных методов и средств защиты. Например, большинство отказов технических изделий в процессе эксплуатации возникает в местах контакта различных металлов и металлов

84

с пластмассами. Поэтому важно учитывать, как реагируют при контакте различные пары материалов, и выбирать допустимые контакты. Кроме того, для защиты контактов от коррозии применяют электрохимические методы, а также методы электрической изоляции (разъединения) контактирующих материалов с помощью протекторов (цинка, стали, магниевых сплавов), присоединяемых к контактирующей паре. Для защиты от влаги используют гидрофобные материалы, пропитку и заливки смолами, а также методы вакуумной герметизации. Коррозийную стойкость повышают путем упрочнения поверхностного слоя деталей, использования методов химико-тех- нологической обработки и защитных гальванических покрытий (никелевого, цинкового и др.).

Важной является защита от вибрационных факторов, в том числе с помощью виброизолирующих устройств. Защита от действия внешних эксплуатационных факторов должна закладываться на этапе проектирования и конструирования оборудования.

В процессе эксплуатации с течением времени могут проявляться и производственные дефекты, поэтому проблема обеспечения надежности технических систем в процессе их эксплуатации требует использования методов активного и пассивного мониторинга. В частности, для предотвращения усталостных разрушений используют профилактическое обслуживание и усталостные испытания. Обеспечение надежности невозможно без обязательного соблюдения правил технического обслуживания и разработки соответствующей эксплуатационной документации. В ходе профилактических осмотров может быть выполнена частичная замена еще работоспособных, но выработавших свой ресурс изделий.

Большинство правил профилактического обслуживания и мониторинга базируется на периодически проводимых мероприятиях, хотя значительно большую эффективность имеют методы непрерывного контроля. Их использование в практике эксплуатации сложных технических сооружений явно недостаточно. Внезапные аварии на опасных технических объектах приводят к многочисленным человеческим жертвам. Поэтому большое значение в настоящее время имеет проблема разработки методов непрерывного не-

85

разрушающего контроля надежности применительно к техническим системам различного назначения.

В заключение отметим, что теория надежности указывает пути и методы повышения надежности технических систем. Задача специалистов направления «Безопасность жизнедеятельности» – использование ее методов при оценке опасности технических объектов, поиск методов и организация мониторинга за состоянием оборудования, моделирование производственных ситуаций, способных привести к авариям, и в конечном итоге – постановка и решение задач повышения безопасности человека в техносфере.

Контрольные вопросы

1.Укажите факторы, влияющие на практическую надежность технических систем.

2.Перечислите основные конструктивные факторы, влияющие на надежность. Приведите примеры.

3.Какие факторы обеспечения надежности относятся к производственным?

4.Перечислите основные эксплуатационные факторы, влияющие на надежность объектов.

5.Какие мероприятия помогают повысить надежность объектов в процессе их эксплуатации?

6.Как защитить технический объект от неблагоприятного воздействия климата?

7.Как защитить технический объект от действия биологических факторов?

8.Какие мероприятия помогают обеспечить защиту технического объекта от действия человеческого фактора?

9.Каковы основные задачи специалиста по техносферной безопасностивсфереповышения надежности технических объектов?

10.Укажите основные подходы к решению проблем безопасности втехносферепутемповышениянадежноститехнических систем.

86

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Основная литература

1.Гуськов А.В., Милевский К.Е. Надежность технических систем и техногенный риск: учеб. пособие. Ч. 1. – Новосибирск:

Изд-во НГТУ, 2004. – 148 с.

2.Острейковский В.А. Теория надежности: учебник для вузов / В.А. Острейковский. – М.: Высшая школа, 2003. – 463 с.

3.Половко А.М., Гуров С.В. Основы теории надежности. – СПб.: БХВ-Петербург, 2006. – 704 с.

4.Половко А.М., Гуров С.В. Основы теории надежности. Практикум. – СПб.: БХВ-Петербург, 2006. – 560 с.

5.Труханов В.М. Надежность технических систем типа подвижных установок на этапе проектирования и испытания опытных образцов. – М.: Машиностроение, 2003. – 320 с.

6.Черкесов Г.Н. Надежность аппаратно-программных комплексов: учеб. пособие. – СПб.: Питер, 2005. – 479 с.

Дополнительная литература

7.Гнеденко Б.В., Беляев Ю.К., Соловьев А.Д. Математические методы в теории надежности. – М.: Наука, 1965. – 524 с.

8.Гнеденко Б.В., Соловьев А.Д. Математика и теория надеж-

ности. – М.: Знание, 1982. – 63 с.

9.Калабро С.Р. Принципы и практические вопросы теории надежности. –М.: Машиностроение, 1966. – 374 с.

10.Колобов А.Б. Надежность технических систем: Курс лекций. Ивановский государственный энергетический университет. – URL: www.kolobov@tipm.istu.ru

11.Майоров А.В., Москатов Г.К., Шибанов Г.П. Безопасность функционирования автоматизированных объектов. – М.: Машино-

строение, 1988. – 264 с.

87

12.Мушик Э., Мюллер П. Методы принятия технических ре-

шений. – М.: Мир, 1990. – 208 с.

13.Надежность в машиностроении: справочник / под ред. В.В. Шашкина, Г.П. Карзова. – СПб.: Политехника, 1992. – 719 с.

14.Переездчиков И.В., Крышевич О.В. Надежность технических систем и техногенный риск: учеб. пособие. Т. 1. – М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 1998. – 43 с.

15.Переездчиков И.В., Крышевич О.В. Надежность технических систем и техногенный риск: учеб. пособие. Т. 2. – М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2002. – 44 с.

16.Пропиков А.С. Надежность машин. – М.: Машинострое-

ние, 1978. – 592 с.

17.Решетов Д.Н., Иванов А.С., Фадеев В.З. Надежность машин. – М.: Высшая школа, 1988. – 238 с.

18.Устич П.А., Карпычев В.А., Овечников М.Н. Надежность рельсового нетягового подвижного состава. – М.: Маршрут, 2004. – 416 с.

19.Хенли Э.Дж., Кумамото Х. Надежность технических систем и оценка риска. – М.: Машиностроение, 1984. – 525 с.

Список нормативных документов

1.ГОСТ 27.002–83 (2002). Надежность в технике. Технологические системы. Методы оценки надежности по параметрам качества изготавливляемой продукции.

2.ГОСТ 27.002–89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения. – М.: Изд-во стандартов, 1989. – 36 с.

3.ГОСТ 27.002–83 (2002). Надежность в технике. Технологические системы. Общие требования к методам оценки надежности.

4.ГОСТ 27.003–90 (2002). Надежность в технике. Состав и общие правила задания требований по надежности.

5.ГОСТ 27.003–90 (2002). Надежность в технике. Выбор и нормирование показателей надежности. – М.: Изд-во стандартов, 1983. – 18 с.

88

6.ГОСТ 27.004–85. Надежность в технике. Системы технологические. Термины и определения.

7.ГОСТ 27.301–95 (2002). Надежность в технике. Расчет надежности. Основные положения.

8.ГОСТ 23146–78. Система технического обслуживания и ремонта техники. Выбор и задание показателей ремонтопригодности. Общие требования. – М.: Изд-во стандартов, 1978. – 10 с.

9.Надежность в технике. Выбор основных показателей надежности: метод. рекомендации МР 69-82 / ВНИИНМАШ. – М.: 1982. – 12 с.

89

Учебное издание

Лялькина Галина Борисовна

НАДЕЖНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ И ТЕХНОГЕННЫЙ РИСК

Часть I. Надежность технических систем

Учебное пособие

Редактор и корректор Е.И. Хазанжи

Подписано в печать 20.04.11. Формат 60×90/16. Усл. печ. л. 5,75. Тираж 100 экз. Заказ № 77/2011.

Издательство Пермского государственного технического университета.

Адрес: 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, к. 113.

Тел. (342) 219-80-33.

90