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

Т А Б Л И Ц А 3

К примеру 6

50

Величина ошибки среднего при известном значении вероятности позволяет с заданной степенью точности предсказать возможные минимальные и мак­

симальные значения генеральной х :

Для сокращения срока исследования, а также уточнения по­ лученных результатов в последнее время появилась новая науч­ ная дисциплина — математическая теория эксперимента [121]- Один из важных для практики разделов ее — планирование экст­ ремальных экспериментов. Эта теория позволяет в многофактор­ ном процессе при наименьшем числе .опытов и наилучшем при­ ближении зависимости к истинному значению формы связи оце­ нивать точность уравнения (получать доверительные интервалы), уменьшать объем вычислительных работ. По различным вариан­ там исследований можно выбрать наиболее удобный для конк­ ретных условий план эксперимента или использования имеющих­ ся опытных данных.

6. ЗАМЕЧАНИЯ О ТОЧНОСТИ ВЫЧИСЛЕНИЙ

Причиной ошибок часто бывает точность вычислений — округ­ ление результатов измерений. Строгое решение многих задач в общем случае практически невозможно, поэтому часто приме­ няют приближенное выражение. При выводе приближенных фор­ мул принимают ряд допущений, которые справедливы для опре­

делах.

При использовании приближенных выражений следует обос­ новать их применимость. Во всех случаях необходимо стремить­ ся сначала найти точные зависимости, чтобы иметь представление, к чему могут привести приближенные расчеты.

Точность вычислений должна соответствовать той точности,

скоторой данные могут быть определены в процессе измерений,

итребуемой точности результатов расчета. В промежуточных вы­ кладках следует удерживать на одну, две значащие цифры боль­

Г л а в а III

НЕКОТОРЫЕ ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

ИКРИТЕРИИ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ*

1.НЕКОТОРЫЕ ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ

Современные методы расчетов различных сооружений и про­ цессов делятся на детерминистические и вероятностные. Первые наиболее распространенные методы предполагают полную опре­ деленность (детерминированность) факторов, обусловливающих явления внешних сил, механических свойств материалов, разме­ ров и формы проектируемой конструкции. Вторые учитывают сто­ хастическую природу разброса фактических значений около не­ которых средних величин. Детерминистические методы дают определенные расчетные условия, а вероятностные — некоторые ве­ роятностные условия. Например, при заданных вероятностных па­ раметрах нагрузки, материалов, размеров и формы конструкции имеется вероятность Р ее разрушаемости. Эти параметры опреде­ ляются в результате накопления и обработки статистических данных.

Следует отметить, что фактический разброс данных учитыва­ ется вероятностными и детерминистическими методами. Именно для этой цели используются коэффициенты запаса, иногда не без основания называемые коэффициентами незнания условия работы сооружений, устанавливаемые на основе опыта эксплуа­ тации аналогичных сооружений.

Учет случайного характера факторов процесса, обусловливаю­ щих работу сооружений, прогрессивен при быстром развитии тех­ ники, так как нецеленаправленное и неорганизованное накопление опыта для выбора коэффициентов запаса требует больше вре­ мени и связано с большой возможностью ошибок в ту или дру­ гую сторону.

Существуют весьма явные аналогии между надежностью раз­ личных систем. Например, одно йз основных средств повышения надежности системы, состоящей из ненадежных элементов, —■

ли), в метро, где устанавливаются не два, а три экскалатора, в зданиях (запасные выходы для эвакуации людей).

Наибольшее количество неисправностей появляется в началь­ ный период, когда происходит приработка и выявление скрытых

* Термины, определения и характеристики надежности приводятся в со­ ответствии с ГОСТ 13377—67. При составлении главы в основном использо­ ваны работы [10, 26, 33, 44, 63, 88, 92, 103, 109, 122, 130].

53

дефектов деталей, затем этот механизм длительное время функ­ ционирует нормально, после чего количество поломок снова на­ чинает возрастать вследствие старения, износа. Аналогично чаще всего болеет молодой организм ребенка. Этот процесс повторя­ ется при старости.

Рациональное проектирование требует знания критериев и количественных характеристик надежности, методов анализа и синтеза систем по критериям. Создание надежных систем, соору­ жений, оборудования служит предметом рассмотрения теории на­ дежности. Эта теория является общей для всех технических уст­ ройств. Однако методы повышения надежности гидромелиоратив­ ных сооружений имеют свои особенности.

Общая теория надежности позволяет оценивать надежность систем, сооружений, устройств, машин. Вместо далеко не полных интуитивных подходов она дает общее теоретически обоснован­ ное решение, выявляет общие закономерности, определяющие на­ дежность.

При изучении надежности различных объектов наиболее час­ то применяются следующие законы распределения времени безотказной работы: экспоненциальный, усеченный нормальный, Релея, гамма, Вейбулла, логарифмически-нормальный. В прило­ жениях 3—5 приведены характеристики кривых распределения, применяемых на практике для описания различных процессов.

Теория надежности позволяет решать задачи надежности си­ стем сооружений в увязке с вопросами экономики, вырабатывать организационные мероприятия для повышения надежности изу­ чаемых систем, сооружений, изделий.

Различные объекты гидромелиорации состоят из множества элементов. Следовательно, должны быть зависимости, связываю­ щие надежность элемента и системы элементов, единые подходы к изучению сложной системы. Однако отличие конкретных про­ цессов, определяющих надежность объектов гидромелиорации, от процессов, обусловливающих надежность, например, элемен­ тов радиоэлектроники, в каждом случае требует учета дополни­ тельных факторов, условий.

В настоящее время под надежностью подразумевается спо­ собность сооружений (системы, изделий) выполнять в нормаль­ ных эксплуатационных условиях в течение определенного интер­ вала времени (срока службы) все заданные операции и не допускать наступления ни одного из недопустимых состояний (от­ казов) для сооружений в целом или отдельных их элементов. Наиболее кратко надежность можно определить как способность си­ стемы не отказывать в работе. Надежность следует отличать от применяемого на практике термина живучести, то есть от свойст­ ва системы функционировать при наличии повреждений.

Это определение является чисто качественным. Однако при исследовании проблемы надежности возникает необходимость в количественной оценке надежности.

54

Численное значение надежности — это вероятность выполне­ ния определенной работы в данных условиях. Определение более

навливаемый объект проработает в течение интервала времени заданной длительности, начиная с произвольного момента вре­ мени.

Ненадежными могут быть не только те элементы, которые совсем перестают выполнять свои функции, но и те, у которых изменились параметры сверх допустимых величин (допустимая пропускная способность водопровода и канала, характеристики фильтрационной устойчивости и т. п.).

Существующая методика проектирования различных соору­ жений без оценки надежности не дает возможности учитывать выгоды уточнения условий эксплуатации, заранее оценить срок службы, уточнить степень гарантии надежности.

Понятие надежности не является новым. Оно известно чело­ вечеству с незапамятных времен. Применявшиеся ранее систе­ мы сооружения были настолько просты, что постановка пробле­ мы надежности в современном понятии не имела смысла. В на­ стоящее время развитие техники, усложнение объектов и систем требуют постановки этой проблемы заново. Разве можно срав­ нить современную оросительную систему с каналом и простым водоприемником недалекого прошлого? Современные ороситель­ ные системы состоят из сложного водозаборного узла, каналов, сооружений, оснащенных различной автоматикой для забора и распределения воды, дождевальных механизмов с автоматиче­ ским и полуавтоматическим действием.

Элемент при расчете надежности системы (элемент, комплекс элементов) учитывается как отдельная самостоятельная часть, имеющая свой общий количественный показатель надежности. Надежность элемента на данном этапе расчета считается изве­ стной.

В настоящей работе, как в других работах по теории надеж­ ности, понятие элемента весьма условное. Так, при анализе на­ дежности оросительного комплекса элементом можно считать це­ лый водозаборный узел, отстойник, магистральный канал и т. д., при анализе надежности водозаборного узла — отдельные его со­ ставляющие узлы, при анализе узла — отдельные его части и т. д*

И с п р а в н о с т ь — состояние системы, при котором она в дан­ ный момент нормально выполняет все требования как для ос­ новных, так и для второстепенных элементов.

Н е и с п р а в н о с т ь — состояние системы, при котором она в данный момент времени не отвечает хотя бы одному из требова­ ний правил эксплуатации как для основных, так и для второсте­

5 5

пенных элементов. Неисправность — это свойство системы, при котором она не способна выполнять заданные функции с парамет­ рами, установленными технической документацией.

Р а б о т о с п о с о б н о с т ь — состояние системы, при котором она в данный момент времени отвечает всем требованиям, уста­ новленным для нее в отношении только основных параметров, характеризующих нормальное выполнение заданных функций.

(разделение его на части), иногда это определенная величина деформации, при которой нарушается нормальная эксплуатация конструкции.

В ряде случаев отказ — это даже частичное нарушение плот­ ности, соединений и т. д. Например, отказом следует считать разрыв шва сваренных труб, поломку труб, выход из строя вслед­ ствие различных причин облицовок канала и т. д.

Момент отказа любого элемента является случайной величи­ ной и зависит от физико-химической природы элементов, механическойг электрической, фильтрационной и других нагрузок, а также от условий эксплуатации.

Совокупность элементов, имеющих самостоятельное эксплуа­ тационное устройство, будем называть объектом, сооружением или устройством.

Совокупность устройств, сооружений, предназначенных для выполнения сложных технических функций, обычно называют

кое ухудшение нормального состояния изделия, которое не влияет на выполнение им своих основных функций.

В теории надежности отказом называется явление, после ко­ торого наступает .'одно! из недопустимых предельных состоя­ ний; это событие, при котором система полностью или частично утрачивает работоспособность. Отказы могут быть различные — приработочные, внезапные и износные.

Продолжительностью работы сооружения, объекта без отказа оценивается их долговечность. Основной характеристикой надёж­ ности является начальная безотказность, долговечность и ремон­ топригодность.

Под д о л г о в е ч н о с т ь ю системы понимается период време­ ни, в течение, которого, несмотря на принимаемые меры, система под воздействием природных факторов и в результате ее эксплуа­ тации изнашивается и приходит в состояние, при котором даль­ нейшая эксплуатация становится невозможной, а ремонт и восста­ новление экономически нецелесообразны. В результате ряда мер долговечность можно повысить (например, увеличением сопротив­

56

ляемости износу и изменением размера коррозируемых и исти­ раемых деталей). Долговечность регулируется ремонтопригодно­ стью, то есть приспособленностью элементов и узлов сооружения к профилактическим ремонтам с учетом предполагаемых усло­ вий эксплуатации. Это требование обеспечивается соответствую­ щими конструктивными решениями.

Основными показателями долговечности системы служат тех­ нический ресурс и срок ее службы.

Т е х н и ч е с к и м р е с у р с о м называется суммарная. наработ­ ка системы за период ее эксплуатации до разрушения или других предельных состояний. Технический ресурс — это чистое время ра­ боты системы за весь срок ее службы.

Ср о к с л у ж б ы — это календарная продолжительность эксп­ луатации до разрушения или другого предельного состояния. Срок службы устанавливается общей календарной продолжительно­ стью эксплуатации системы.

Срок службы системы устанавливается нормативными доку­ ментами, исходя из ее назначения и других данных (приложе­ ния 1 и 2).

Н а ч а л ь н о й б е з о т к а з н о с т ь ю называется способность, системы не подвергаться недопустимым предельным деформациям в начальный период работы, в период возведения или испытания. Начальной безотказностью характеризуется вероятность внезап­ ного отказа прочности и устойчивости элементов и конструкций различных гидротехнических сооружений во время строительства и-в начальный период эксплуатации. Необходимая начальная без­ отказность обеспечивается соответствующим выбором избыточно­ сти, коэффициента запаса.

В теории надежности, кроме рассмотренных, применяются и другие термины.

Р а в,н о п р о ч.н ос т ь — состояние системы, объекта, при кото­ ром напряжения всех существенно важных деталей равны для дан­

ных деталей и узлов. Расчет на равноизносность предусматривает одинаковость сроков службы основных деталей системы, объекта. Так, при сроке службы водозаборного узла 20 лет детали или элементы со сроком службы 15 лет нежелательны, так как после их замены они проработают только 5 лет, что неэкономично.

На данном этапе изученности теории надежности наиболее эф­ фективным средством повышения надежности является резерви­ рование. Резервированием называется способ повышения надеж­ ности включением резерва (параллельно или после выхода из строя основной системы), предусмотренного при разработке кон­ струкции или в процессе ее эксплуатации. Различают два метода резервирования — общее (резервирование системы в целом) и раздельное (поэлементное). Резервные элементы или системы мож-

ьт

но включать на все время эксплуатации или при отказе основных. По масштабу различают посистемное, групповое и поэлементное резервирование, по принципу включения — постоянное и замеще­ нием.

2. ОСНОВНЫЕ КРИТЕРИИ И ХАРАКТЕРИСТИКИ НАДЕЖНОСТИ

Критерием надежности называется признак, мерило, по кото­ рому оценивается надежность различных элементов, систем, а

Повышение надежности связано с дополнительными затрата­ ми, которые могут оказаться весьма значительными. В каждом случае необходимо предварительно определять, какой ценой это достигается и являются ли эти расходы экономически оправдан­ ными С’ государственной точки зрения.

Надежность системы зависит в первую очередь от надежно­ сти элементов. Например, надежность оросительной системы за­ висит от надежности работы головного узла, магистрального ка­ нала, распределительных каналов и временных оросителей и т. д. Надежность работы дождевальной системы в целом зависит от надежности работы водозаборного и энергоузлов, насосной уста­

Повышение надежности системы может быть достигнуто по­ вышением надежности отдельных узлов этой системы, а повыше­ ние надежности узлов — повышением надежности элементов, из которых они состоят.

Несмотря на многофакторность и сложность, все же можно найти пути для решения многих задач в этой области: ситуа­ ции, возникающие при расчете и проектировании гидротехниче­ ских и мелиоративных сооружений и систем, нередко аналогич­ ны тем, которые возникают при расчете простыв и сложных систем в приборостроении, радиоэлектронике и т. д. Поэтому в ос­ нове изложенных ниже приемов расчета на надежность мелиора­ тивных сооружений и систем лежат обстоятельные исследования по теории надежности, изложенные в работах А. И. Берга, В. И. Сифорова, Б. В. Гнеденко, Б. Р. Левина, Б. С. Сотскова, Ш. Л. Бе-

133]. Однако задачи расчета надежности объектов гидромелио­ рации (из-за сложности протекающих в этих сооружениях про­ цессов) значительно сложнее, чем задачи, связанные с надеж­ ностью систем радиоэлектроники и вычислительной техники.

В настоящее время при определении надежности объектов гид­ ромелиорации нельзя довольствоваться применяемыми ранее вы­ ражениями: «высокая» или «низкая» надежность, «построено хо­ рошо», «построено плохо» и т. д. Необходимо применять количе­ ственные характеристики критерия оценки надежности.

58

Оценка надежности систем (различных объектов гидромелио­ рации) состоит в определении одной или нескольких количествен­ ных характеристик, среди которых могут быть вероятность без­ отказной работы в течение определенного времени, среднее вре­ мя безотказной работы, параметры потока отказов и т. д. Для суждения о надежности необходимо знать характеристики пове­ дения проектируемой конструкции в условиях эксплуатации. Это заставляет учитывать случайный характер работы сооружения, нагрузок и нередко и геометрических размеров конструкции.

Учитывая изменчивость во времени и в пространстве нагрузок, расчетных факторов, имеющих случайный характер, надежность можно охарактеризовать лишь с какой-то вероятностью, в луч­ шем случае эта вероятность приближается к единице.

Разрабатываемые приемы расчета и проектирования объектов гидромелиорации с помощью критериев надежности должны учи­ тывать как случайный характер факторов, обусловливающих ус­ ловия эксплуатации, так и накопление повреждений, деформа­ ций, износа и т. д., также являющихся случайными процессами.

В основе теории надежности лежат теоретико-вероятностные соображения, Так как внешние условия эксплуатации и внутренние параметры системы носят случайный характер, отказ обычно трак­ туется как случайное событие, а надежность — как вероятностная характеристика системы.

Таким образом, надежность, долговечность сложных гидро­ мелиоративных систем могут быть правильно поняты, описаны, рассчитаны лишь с помощью методов теории вероятностей и тео­ рии случайных процессов. Только опираясь на эти теории, можно получить решение задачи о неблагоприятном сочетании нагрузок,

озаконе распределения долговечности сооружения и т. д. .[95]* Основные критерии надежности делятся на две группы: ха­

рактеризующие надежность невосстанавливаемых элементов и характеризующие надежность восстанавливаемых элементов.

Н е в о с с т а н а в л и в а е м ы ми называются такие элементы (системы), которые в процессе выполнения своей функции ,не до-, пускают ремонта, а в о с с т а н а в л и в а е м ы м и — такие элемен­ ты (системы), которые в процессе выполнения своих функций до­ пускают ремонт.

Рассмотрим сначала критерии надежности невосстанавливае­ мых элементов.

Вероятность безотказной (исправной) работы P(i) означает вероятность того, что система сохранит свою нормальную рабо­ тоспособность в течение определенного времени t при заданных условиях эксплуатации, то есть в заданном интервале времени при заданном режиме и условиях работы не произойдет ни одно­

5 »