книги из ГПНТБ / Мирцхулава, Ц. Е. Надежность гидромелиоративных сооружений

Получение количественных характеристик надежности любой аппаратуры связано со сбором, накоплением, оценкой и обра­ боткой соответствующих данных. Приемы математической ста­ тистики обработки можно использовать лишь при достаточном количестве данных о работе объекта при выполнении им .требуе­ мой функции. Данные о надежности могут быть получены испы­ танием или на основе опыта эксплуатации.

Сбор и анализ данных о надежности на эксплуатируемых объектах имеют цель установить достигнутый уровень надеж­ ности. Это дает возможность быстро сконцентрировать внимание на наиболее перспективных методах повышения надежности. Объективные данные об отказах в соответствующих условиях по­ зволят выявить элементы и схемы с высокими интенсивностями отказов и, таким образом, учесть полученный опыт в новых раз­ работках.

Фиксируются все данные эксплуатируемого объекта, отмеча­ ется вся информация, необходимая для полного и всестороннего отчета о процессе эксплуатации, наблюдающиеся отказы отдель­ ных элементов, срывы функционирования отдельных частей, про­ веденные мероприятия по поддержанию и восстановлению рабо­ тоспособности.

Отмечаются календарная дата, время пуска й остановки объ­ екта (узла), характер выполняемых объектом функций, качество выполнения функций, момент появления отказа (или других ви­ дов неисправностей), характеристики отказа, место отказа и от­ казавший элемент, причина возникновения отказа, длительность времени устранения отказа, меры по устранению причин возник­ новения отказа. Из этих данных можно составить карточку для специального анализа. Например, для сбора данных по поврежде­ ниям насосов могут быть использованы формы, карточки, при­ веденные в приложениях 6—9.

Фактические данные об интенсивности отказов можно исполь­ зовать при прогнозе надежности. Рациональное проектирование требует, чтобы проектная организация обладала полными дан­ ными об отказах, неудачах и причинах недостаточной надеж­ ности объектов.

Сбор достаточного количества эксплуатационных данных по­ зволит составить специальные таблицы отказов для отдельных объектов, узлов. По данным журналов для каждою объекта стро­ ят диаграмму потока отказов в зависимости от наработки, кото­ рая показывает наработку (в часах, сутках) на очередной отказ и интервал времени между двумя последовательными отказами. Далее результаты обработки диаграммы потока отказов сводят в таблицу. На основе этих данных составляют вариационные ря­ ды [31].

Такие таблицы показывают вероятную частоту отказов и ус­ ловия, в которых они происходят. Полученная информация по­ лезна для проектных организаций и для органов комплектации.

90

Впроцессе эксплуатации выявляются ошибки, допущенные при конструировании оборудования объектов, обнаруживается качество'изготовления и монтажа, поэтому эксплуатационный пер­ сонал обязан не только правильно эксплуатировать оборудова­ ние, но и своевременно выявлять дефекты строительно-монтажных работ и четко фиксировать отказы при эксплуатации.

Втех случаях, когда для повышения надежности требуется ремонт, большое значение имеет длительность процесса восста­ новления, которая складывается из времени поиска неисправно­ сти, времени ее устранения и времени на наладку после окон­ чания восстановления. На количественные показатели надежности объекта сильно влияет своевременное обнаружение неисправно­ стей. Поэтому среди требований, предъявляемых к объектам гид­ ромелиорации, требование обеспечения максимальной ремонто­ пригодности занимает одно из важных мест.

Вобщем случае собранная статистическая информация долж­ на обеспечить решение следующих задач.

1.Установление количественных показателей надежности объ­ екта в целом и составляющих его элементов.

2.Выявление наиболее ненадежных элементов, узлов и при­ чин их отказов для разработки мероприятий, направленных на

устранение имеющихся недостатков.

• 3. Установление влияния на работу объекта окружающей сре­ ды для разработки мер, снижающих ее вредное воздействие.

4.Установление пределов нагрузки. Для использования соби­ раемой информации при статистической обработке она должна удовлетворять требованиям полноты о достоверности и однород­ ности.

5.Уточнение показателей (уровня) надежности, предусмот­

ренных в проектах.

Полнота информации означает, что собранные данные долж­ ны содержать все необходимые сведения об условиях работы объекта, элемента, временных признаках отказов, причинах, вы­ зывающих отказ, наработке между отказами и т. д«

Под достоверностью информации подразумевается, насколько она объективна и регулярна. Данные по объектам, наблюдения над которыми велись нерегулярно, рекомендуется исключить из дальнейшей обработки.

Совместному анализу и обработке подлежат данные, которые статистически однородны по своей природе, то есть результаты наблюдений, которые относятся к одной и той же генеральной совокупности. Материалы наблюдений должны учитывать все факторы, влияющие на работоспособность объекта, включая уро­ вень подготовки технического персонала и качество обслужи­

вания.

При использовании дайных наблюдений в первую очередь сле­ дует убедиться в отсутствии грубых ошибок, в однородности этой записи. Методы проверки однородности базируются на теории

91

статистической проверки гипотез [26]. Одним из самых универ­ сальных способов проверки однородности результатов независи­ мых наблюдений является использование критерия %2 [18, 25, 26].

Чтобы данные о надежности эксплуатируемой системы можно было' использоЬать для количественной оценки надежности но­ вых объектов, они должны удовлетворять ряду требований. Дан­ ные должны носить количественный, а не качественный характер, учитывать все явления, влияющие на надежность, быть точными и носить статистический характер, то есть отражать результаты такого количества испытаний, которое было бы достаточным для оценки надежности методом математической статистики.

Необходимо отметить, что вследствие довольно быстрого усо­ вершенствования конструкции и технологии осуществления объ­ ектов в ряде случаев данные по надежности, полученные в ре­ зультате анализа эксплуатационных наблюдений, могут быстро устареть. Однако и в этом случае результаты обработки наблю­ дений за эксплуатацией объекта полезны для оценки надежности однотипных конструкций.

Выбор конкретных характеристик и коэффициентов надеж­ ности требует длительного и разностороннего наблюдения за ра­ ботой отдельных узлов, объектов гидромелиорации. Необходимо там, где это еще не делается, начать систематическое накопление данных по неисправностям, повреждениям, отказам.

Ввиду трудности обработки материалов для прогноза надеж­ ности и разработки мер восстановления заданного уровня на­ дежности необходимы механизированные учет и обработка на­ капливающейся информации.

Для хранения информации целесообразно использовать карты с краевой перфорацией. Для каждого отказа следует иметь спе­ циальную перфокарту, в которой информация фиксируется с по­ мощью прорезей на краях карт. Прорези делаются в разных ме­ стах и отличаются как по ширине, так и по длине. Обычно пер­ фокарты устанавливают между двумя пластинами. Их прошивают спицами, чтобы необходимые карты из-за наличия прорезей вы­ падали из нее.

Перфокарты позволяют фиксировать показатели сооружения, климатические условия, вид и причину отказа, дату ремонта и другие данные, необходимые для расчетов по надежности. Они существенно облегчают просмотр и обработку данных наблюде­ ний, несложное приспособление позволяет за несколько минут отобрать искомый вид отказа.

Интенсивность отказов различных объектов, в частности на­ сосов, зависит не только от режимов работы, но и от наличия в воде твердых взвешенных наносов, их качества и количества, от химического состава, температуры воды и т. д. Поэтому данные статистических наблюдений должны отражать все эти особенно­ сти. Эти данные собирают по результатам научных исследований.

92

Методы исследования различны для разных видов испытаний раз­ личных объектов.

Техника испытаний непрерывно развивается, поэтому многие из известных методов будут изменяться. Более подробное описа­ ние приводится в специальной литературе.

Анализ данных наблюдения состоит в нанесении точек на гра­ фик, математической обработке этих данных.

Данные наблюдения могут удовлетворять экспоненциальному, гамма-распределению, нормальному или нормально-логарифмиче­ скому распределению и др. (приложения 3, 4, 5).

В более сложных случаях приходится иметь дело с компози­ циями двух и более распределений; в этом случае композицию надо представить в виде суммы составляющих (типовых) распре­ делений и выполнить статистическое исследование каждого из них.

Для подбора вида теоретического распределения применя­ ются методы максимума правдоподобия и метод наименьших квадратов.

Существует методика исследования отказов и времени без­ отказной работы, предусматривающая накопление более или ме­ нее обширного материала и обработку полученных наблюдений приемами математической статистики, изучение физических явле­ ний, приводящих к отказам, построение соответствующей мате­ матической модели и нахождение для этой модели функции рас­ пределения вероятностей [31, 133].

В отличие от промышленности, выпускающей массовые изде­ лия, в гидромелиорации обычно можно испытывать лишь малое число экземпляров. Нередко приходится определять индивидуаль­ ную надежность одного объекта. Для повышения достоверности суждения при такой малой выборке отбираются объекты, имею­ щие крайние показатели. Внезапные отказы, возникающие в про­ цессе испытаний, исключаются из результатов наблюдений, на­ работки их не учитываются. Интенсивность внезапных отказов следует принимать постоянной при нормальной эксплуатации.

Для получения достаточно узких доверительных интервалов, оценивающих параметры распределения вероятностей безотказ­ ной работы, необходимо большое число повторных наблюдений, требу*ющих значительных затрат времени и средств. Поэтому большое значение имеет проведение испытаний на надежность, ко­ торое может осуществляться по нескольким направлениям. Сре­ ди них .основным считается восполнение инженерно-физическими данными, не укладывающимися в рамки аксиоматики теории ве­ роятностей и математической статистики наблюдений.

Часто прибегают к форсированию нагрузок и уплотнению вре­ мени, для чего в период испытаний применяют повышенные си­ ловые, скоростные, температурные и другие нагрузки, которые интенсифицируют процессы, протекающие в данном объекте, и повышают частоту появления отказов. Например, можно устано­

93

вить допустимые скорости течения на размыв, испытывая образ­ цы заведомо завышенными скоростями потока.

Следует помнить, что при форсировании испытаний физика отказов должна оставаться неизменной. Эти данные могут дать необходимые сведения о надежности элементов в слабых звеньях, лимитирующих надежность всей системы. По накопленным дан­ ным следует составить таблицу удельного веса отказов отдель­ ных узлов и элементов. Таблица должна включать сведения о количестве отказов, общее время ремонта в часах, относительные коэффициенты готовности.

По статистическим данным, полученным в эксплуатационных условиях, трудно ответить на все вопросы, возникающие при изучении проблемы надежности разных объектов гидромелиора­ ции. Это объясняется неполнотой данных, полученных при эксп­ луатации объекта, изменением во времени технологии производ­ ства работ и материалов, применением новых узлов. Поэтому для разработки приемов повышения надежности систем и объ­ ектов целесообразно проводить производственные и лаборатор­ ные исследования на специальных установках. Таким методом испытывают сопротивляемость размыву и выщелачиванию, изно­ состойкость, фильтрационную и суффозионную устойчивость, ус­ талостную прочность и т. д.

Более дорогим является испытание отдельных узлов, фраг­ ментов в натурных условиях или в масштабах, приближающихся к натурным.

Лабораторные исследования не позволяют учитывать случай­ ные отклонения от правил технической эксплуатации. Кроме того, лабораторные исследования отдельных образцов и узлов нередко требуют больших затрат труда и средств. В связи с этим в послед­ нее время интенсивно развивается моделирование процессов эк­ сплуатации на электронных машинах.

Для моделирования требуются данные, которые необходимо получить в результате наблюдений над работой объекта в эксп­ луатационных условиях или на основе лабораторных исследова­ ний. На машинах могут быть смоделированы как внешние слу­ чайные процессы, так и внутренние процессы, обусловливающие надежность.

Следует заметить, что до настоящего времени не ведутся в достаточном количестве систематические исследования сооруже­ ний и составляющих их элементов, хотя ущерб, нанесенный не только авариями, но и незначительными повреждениями, из-за от­ сутствия данных экспериментов значительно превосходит стои­ мость этих исследований.

Накопленные данные об отказах и обусловливающих их фак­ торах в дальнейшем позволят широко .использовать вычисли­ тельную технику для прогноза неисправностей и причин их воз­ никновения. Для этого в память ЭВМ должны быть введены раз­ нообразные данные о множестве случаев неисправностей (отка­

94

зов), зафиксированы характерные -признаки наступления отказов, продолжительность исправной работы и т. д.

На предварительных этапах оценка надежности носит полуэмпирический характер и ее доверительность невелика, но по мере накопления экспериментальных данных эксплуатации объ­ екта эта оценка уточняется, доверительность возрастает.

Отметим, что ,ни один из перечисленных (методов исследования характеристик надежности не является' исчерпывающим. Установ­ ление характеристик надежности требует проведения комплекса исследований, включающих наблюдёние за процессами эксплуа­ тации, лабораторные исследования, а также электрическое моде­ лирование [88].

95

Г л а в а IV

НАДЕЖНОСТЬ НЕКОТОРЫХ ОБЪЕКТОВ ГИДРОМЕЛИОРАЦИИ

1.О НАДЕЖНОСТИ ОРОСИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

ИЕЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Под оросительной системой подразумевается совокупность со­ оружений, обеспечивающих орошение земель данного массива из данного источника воды (рис. 2 0 ).

Оросительная система обычно состоит из следующих основных элементов: источника орошения, водозаборного узла, магистраль­ ного канала, сооружений на сети, распределительных межхозяй­ ственных, хозяйственных и участковых распределительных кана­ лов, временных оросителей, выводных, распределительных,* по­ ливных борозд, коллекторно-дренажной сети.

При эксплуатации оросительной системы её составные эле­ менты подвергаются воздействию различных факторов. Влияние этих факторов проявляется в виде отклонений параметров систе­ мы от расчетных значений, изменения в течение эксплуатации коэффициента шероховатости, пропускной способности, высоты командования и т. д. Эти отклонения иногда могут быть настоль­ ко значительными, что дальнейшая эксплуатация системы ста­ новится невозможной. С точки зрения теории надежности отказ наступает в том случае, когда оросительная система или состав­ ляющие ее элементы перестают удовлетворять предъявляемым требованиям.

Для оценки эксплуатационных качеств системы наряду с традиционными показателями необходимо иметь представление о количественной характеристике надежности. Она должна быть ус­ тановлена, рассчитана на основе анализа поведения основных параметров системы при ее эксплуатации.

Для современных систем ранее используемая качественная

тирования, строительства и эксплуатации. Надежность может быть определена как способность оросительной системы обеспе­ чивать и сохранять в условиях эксплуатации значение заданных показателей в течение всего срока эксплуатации в границах ус­ тановленных допусков или как способность безотказно работать в течение определенного интервала времени при заданных усло­ виях эксплуатации.

При больших отклонениях показателей за пределы допусков система работает менее качественно, с большими простоями, неполадками, с меньшей эффективностью. Под эффективностью

9 6

1

Рис. 20. Схема оросительной системы:

следует понимать вероятность выполнения системой заданных техническими условиями функций. Если для оценки качества оро­ сительной системы достаточно характеризовать ее только с учетом выполнения функций в различных состояниях, то тогда надеж­ ность ее совпадает с эффективностью. Эффективность следует оценивать с учетом достигнутого уровня развития науки и тех­ нологии строительства. Сооружения, эффективные несколько лет тому назад (железобетонные открытые лотки), становятся менее эффективными в настоящее время, когда необходимы в сети боль­ шие напоры воды для дождевальных установок.

С учетом сказанного характеристики надежности ороситель­ ной и осушительной системы определяют аналогично изложен­ ному. Приведенная вероятностная постановка задачи для оценки характеристики надежности в первом приближении применима и для отдельных сооружений оросительного комплекса, и для оросительной системы в целом.

Для разработки критериев надежности можно использовать функции распределения вероятностей. Наряду с этим при оценке надежности элементов оросительной или осушительной системы можно использовать приемы теории массового обслуживания и динамического программирования [127, 26].

Для качественной и количественной оценки надежности оро­ сительной системы необходимо иметь данные о безотказности, восстанавливаемости и готовности.

При оценке надежности оросительной системы и ее состав­ ляющих элементов важное значение имеет оценка безотказности. Для элементов системы, которые не восстанавливаются в тече­ ние заданного времени, характеристики надежности системы сов­ падают с ее характеристиками безотказности.

Под безотказностью оросительной системы следует понимать вероятность того, что ее характеристики будут находиться в пределах нормы в течение определенного интервала времени в реальных условиях эксплуатации.

Как известно, исправное и неисправное состояния системы являются противоположными событиями, поэтому

где P(t) — безотказность системы;

Q(t) — вероятность отказа системы.

При оценке степени преимущества одной системы перед дру­ гими иногда более удобной характеристикой, оказывается веро­ ятность отказа.

Восстанавливаемость элементов и в целом оросительной си­ стемы— одна из главных характеристик ее качества. Восстанав­ ливаемость оросительной системы следует определять как ее свой­ ство, позволяющее обслуживающему персоналу восстановить си­ стему при заданных окружающих условиях.

Восстанавливаемость системы можно существенно увеличить, например, используя легко заменяемые части, повышая квалифи­ кацию обслуживающего персонала, а также применяя встроен­ ную контрольно-измерительную аппаратуру.

Под готовностью следует понимать вероятность того, что си­ стема в рассматриваемый момент времени готова для выпол­ нения предназначенных ей функций.

Готовность системы может быть установлена через вероят­

Рациональное проектирование заключается в определении оп­ тимальных технических, параметров мелиоративного объекта с учетом надежности эксплуатации. Общим критерием качества оросительной системы можно считать ее эффективность. В об­ щих чертах эффективность зависит от безотказности Р, восстанав­ ливаемости Рв, готовности Рг, долговечности Ря, от геометриче­ ского параметра G, зависящего от геометрических показателей сооружения (размер, вес и т. д.), стоимости проектирования Сп и строительства системы С0, стоимости эксплуатации Сэ и нор­

98

мального выполнения функций с приемлемыми допусками откло­ нения Ян. Все эти факторы зависят от времени.

Общее уравнение в неявном виде (аналогично, как это дела­ ется при оценке эффективности других систем) может быть записано так:

Качество системы может быть оценено также противополож­ ными указанным вероятностям критериями и величинами G, Си,

Со и Сэ:

От требуемого уровня безотказности зависит стоимость про­ ектирования, строительства и эксплуатации оросительных систем. Чем больше уровень надежности, тем больше сумма этих за­ трат. Необходимо стремиться к оптимальному значению безот­ казности, которое может быть установлено при анализе зависи­ мости стоимости постройки системы от безотказности, сопостав­ лении различных вариантов.

Для выбора наилучшей системы можно использовать отно­ сительные оценки. Относительную оценку каждого фактора мож­ но получить с помощью выбора желаемого значения надежности системы (максимальная безотказность, рациональные геометри­ ческие размеры и т. д.). Зависимость для расчета эффективности может быть записана так:

Систему, характеризующуюся наибольшим значением Эотп, следует считать наилучшей.

Как было отмечено, оросительная система состоит из комп­ лекса разнообразных, порой чрезвычайно сложных сооружений. Поэтому и мероприятия, повышающие надежность до требуемого уровня, весьма многообразны. Перечислим лишь общие способы и принципы повышения надежности.

Система при осуществлении проходит два этапа — проектиро­ вание и строительство. Важнейшим этапом является проектиро­