Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Надежность и безопасность при производстве и применении полимерных композиционных материалов. Учебное пособие
.pdf
31
тем, что большую часть своего срока службы технический объект на-
)(u
ϕ
)(T
)(tf
)(tf
D
)(T
t
)(tF
)(tf
)(tf
)(tf
)(tF
ходится в режиме нормальной (штатной) работы, когда отказы происходят внезапно, то есть носят случайный характер (рис. I.8).
Рис. I.8. Кривые распределения случайной величины при постепенных
(износовых) отказах: а — реализация функции износа
ность распределения сроков службы f(t); в — интегральная функция
распределения F(t) и вероятность безотказной работы P(t)
(Акимов В.А. и др., 2002)
В теории надежности за случайную величину обычно принимают время
этом случае функция плотности распределения
полной характеристикой рассеивания сроков службы элементов (рис.
I.7.а). Вид этой функции зависит от закономерностей процесса потери
элементом работоспособности.
Кривая распределения
ность подсчитать средний срок службы элемента (Тср.) (математическое ожидание М[T]), рассеивание (дисперсию
относительно центра группирования и другие числовые параметры
случайной величины
боты элемента
характеризовать вероятность отказа (выхода из строя) элемента за этот
период времени (рис. I.7.б). Левая ветвь кривой распределения
относящаяся к области малой вероятности отказов, используется
обычно для характеристики безотказности работы изделия, а вся кривая
Ординаты интегральной функции распределения
рактеризуют вероятность отказа детали до данного момента времени:
и ее параметры необходимы для оценки его долговечности.
работы изделия (время до возникновения отказа). В
— частота отказов — дает возмож-
) этих сроков службы
. Если взять некоторый период времени ра-
, то площадь
кривой распределения
; б — плот-
будет служить
будет
(рис. I.7.в) ха-
,
32
∫
=
t
dttftF
0
)()(
.
)(tF
)(tf
[ ]
tM
∫
∞
=
0
)( dtttfT
cp
)(tP
)(t
∫
=
t
dttftF
0
)()(
)(tf
Во многих случаях нет необходимости пользоваться функциями
кривых. Основной характеристикой положения кривой является математическое ожидание
средним сроком службы Тср. (наработкой на отказ):
Для оценки надежности работы элемента, принимая за основ-
ную случайную величину время до возникновения отказа, можно определить и вероятность безотказной работы
ного периода
В качестве теоретических распределений наработки до отказа
могут быть использованы любые применяемые в теории вероятностей
распределения. Наибольшее распространение получили следующие
законы распределения случайных величин
— для дискретных случайных величин — биноминальный закон; закон Пуассона;
— для непрерывных случайных величин — экспоненциальный закон;
нормальный закон; закон Вейбулла; логарифмически-нормальное распределение.
или
, достаточно знать числовые характеристики этих
, которое при оценке надежности является
.
в пределах задан-
, используя значение интегральной функции:
.
:
3.5. Логико-графические методы анализа надежности и риска
При моделировании аварийных событий необходимо описать
множество связанных друг с другом событий для каждого инцидента
или инициирующего события, начиная от событий, связанных с высвобождением токсического и/или энергетического потенциала и заканчивая поражением людей, природной среды, возникновением материальных ущербов. Результатом моделирования должно быть получение прогнозных значений потерь (ущербов) для разных реципиентов
для каждой возможной реализации инцидента (аварии) и дальнейшее
сравнение их с допустимыми значениями.
Если необходимо рассмотреть ситуацию, в которой события
могут развиваться по нескольким принципиально различным вариантам, то применяют метод сценариев (сценарный анализ). Основу каж-
33
дого сценария составляют экспертные гипотезы о направлении и вели-
n
PPPPPP ⋅⋅⋅⋅⋅
= .......
3210
n
PPPP ,....,,,
210
чине изменений основных факторов, влияющих на результаты прогнозирования. Определив все исходные события и организовав их в логическую последовательность, можно получить большое число потенциальных сценариев аварии, на основании которых затем принимаются
решения о мерах снижения риска.
Для целей системного анализа безопасности и риска используются структурные модели, в которых аналитические методы дополнены логическими условиями (элементами булевой алгебры), например,
«Дерево событий (ET - Event Tree)» и («Дерево отказов (FT - Fault
Tree)». Модели дают возможность определить последствия негатив-
ного события (например, редкой аварии), вероятность их возникновения с учетом влияния различных уровней защиты. Исходную информацию задают в виде известных значений вероятностей безаварийной
работы элементов, интенсивностей технического риска и т.п.
Модель «Дерево событий» (рис. I.9.) позволяет выявлять
последовательности событий, которые приводят к появлению определенных негативных последствий.
Рис. I.9. Возможные последствия и соответствующие вероятности для
Частота каждого сценария развития аварийной ситуации (каждой ветви «дерева», которая приводит к определенному типу последствий,) рассчитывается путем перемножения условных частот (вероятностей), соответствующих событий, начиная от инициирующего
события, и конечного события:
исходных событий и соответствующих ветвей модели «Дерево
событий».
Важное физическое содержание моделей этого типа заключается в том, что они дают картину физических процессов, приводящих
элементы и систему в целом к критическим состояниям. На основании
различных последовательностей развития аварии.
где
,
― вероятности
34
полученных результатов разрабатываются инженерно-технические мероприятия, направленные на исключение факторов способствующих
развитию аварии и предотвращение каскадного развития аварии.
Модель «Дерево отказов» (рис. I.10.) представляет возникновение отказа как последовательности и комбинации нарушений и
неисправностей (повреждений, отказов контролирующих устройств,
ошибок персонала и др.). В целом, модель представляет собой многоуровневую графологическую структуру причинных взаимосвязей,
включая взаимодействия людей и физические явления, используемую
для выявления множества факторов.
Рис. I.10. Граф «Дерева отказов»
Построение модели «Дерево отказов» позволяет провести анализ причин отказов, оценить вероятность отказа системы и выработать
наиболее эффективные мероприятия для их устранения причин возникновения и расчета частоты возможного отказа системы.
3.6. Использование «Барьерных диаграмм» при моделировании
безопасности технических систем
Разновидностью приведенных выше структурных моделей являются «барьерные диаграммы», цель построения которых состоит в
выявлении «слабых» мест при проведении технологического процесса, в которых необходимо установить дополнительные меры защиты.
На диаграмме показываются защитные меры (барьеры), которые предназначены для предотвращения нежелательного развития
неблагоприятных обстоятельств (рис. I.11.).
Барьеры снижают вероятность возникновения или ограничивают последствия аварийной ситуации. Большое значение имеет применение защитных (барьерных) материалов, например, огнезащитных
покрытий, уплотнительных материалов, композиционных материалов,
предотвращающих, например, возникновение аварии в результате коррозии трубопроводов или другого технологического оборудования.
35
Рис. I.11. Пример модели «Дерево событий» с указанием защитных
барьеров:
— организационные или технические барьеры; —
защитные (барьерные) материалы
«Барьерные диаграммы» могут быть использованы для
получения представления о том, какие из событий, могут привести к
последствиям, для предотвращения которых требуются дополнительные меры безопасности.
Контрольные вопросы
1. Какие свойства характерны для эффективной технической системы
2. В чем проявляется связь теории надежности и теории безопасности
3. Как изменяются характеристики надежности и работоспособности
технической систем во времени
4. Каким образом, используя величину годового технического риска,
выразить уровень надежности технической системы
5. При каких условиях возникает необходимость применения
сценарного анализа
6. Особенности структурных моделей, применяемых для анализа
техногенной опасности
7. Роль «барьерных» материалов в повышении уровня безопасности
технических систем
36
ГЛАВА 4
ОСНОВЫ ОЦЕНКИ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ
ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
Под эксплуатационной надежностью технического устройства понимается его способность сохранять работоспособность при
использовании в течение определенного промежутка времени. Уровень эксплуатационной надежности работы технической системы (ТС)
определяется двумя факторами:
• возможностью работы технического устройства (технической
системы) без остановок из-за нарушений;
• возможностью восстановления работоспособности техничес-
кого устройства (технической системы).
Эксплуатационная надежность включает в качестве элементов
как непосредственно техническое устройство, в том числе его конструкцию и материалы, из которых оно изготовлено, так и организацию его эксплуатации и обслуживания на различных уровнях. На локальном уровне (уровне работы технического устройства): уменьшаются простои по техническим причинам, сокращаются потери всех
видов ресурсов, сокращаются затраты на эксплуатацию, уменьшается
психологическая напряженность персонала и др. На уровне организации и региональном уровне происходит повышение экономических
показателей, уровня эксплуатационной надежности технического устройства, увеличение техногенной и экологической безопасности.
Эксплуатационная надежность объекта определяется многими
факторами, основными из которых можно считать системную надежность и долговечность технических и строительных конструкций. Под
долговечностью понимают срок службы технического устройства до
предельного физического износа. Долговечность конструкций и материалов означает, что деструктивные процессы не снизили их возможность воспринимать эксплуатационные нагрузки. На обеспечение возможности работы технического устройства без остановок в большой
мере влияют эксплуатационные (прочностные) свойства материалов,
особенно при эксплуатации их в экстремальных условиях. При оценке
«эксплуатационной надежности технического устройства» необходимо учитывать конструкционные особенности, характеристики использованных материалов, технологию изготовления материалов и изделия, использованные методы оценки уровня надежности на всех стадиях создания, производства и эксплуатации технического устройства.
Например, в районах Крайнего Севера эффективность и производительность работы нефтегазовой техники и оборудования, в зимний период сокращается в 1,5 раза, фактический срок службы по сравнению
с установленным сокращается в 2-3,5 раза. Низкая работоспособность
37
уплотнений в условиях холодного климата становится причиной от 30
i
x
)t;
x
,...,
x
;
x
;
x
(
dt
dU
n321
ϕγ
==
до 50% отказов изделий. Наработка до отказа падает в 2—3 раза, фактический срок службы сокращается в 2—3,5 раза.
Скорость некоторого процесса разрушения материала зависит
от ряда входящих параметров и времени, то есть
Здесь параметры
состояния материала и другие факторы, влияющие на протекание процесса разрушения, меняющиеся во времени. Чем выше эксплуатационная надежность, тем меньше затраты на ремонт, тем лучше все экономические показатели технического устройства и, следовательно, тем
дольше оно будет служить.
характеризуют условия эксплуатации,
4.1. Трение и износ деталей в технических системах
Износ технического устройства приводит к появлению неисправностей узлов и механизмов, к снижению мощности и производительности машины, расходу эксплуатационных материалов, либо к
аварии. На трение расходуется 30 — 40% всей вырабатываемой в мире
энергии, а потери средств в промышленности развитых стран вследствие трения и сопутствующего износа машин и механизмов составляют более 4— 5% национального дохода. Большинство технических
устройств (85—90%) выходят из строя по причине износа деталей.
Затраты на ремонт и техническое обслуживание технического устройства в несколько раз превышают ее стоимость: для автомобилей в 6
раз; для самолетов до 5 раз; для металлорежущих станков до 8 раз.
Именно поэтому наряду с улучшением антифрикционных характеристик, снижение износа относится к приоритетным инженерным
задачам.
Согласно ГОСТ 23.000-78 изнашивание – процесс разрушения
и отделения материала с поверхности детали и (или) накопления его
остаточной деформации при трении, проявляющийся в постепенном
изменении размеров и (или) формы детали.
Проблемы трения, износа и смазки в машинах изучает трибология. Трибология – наука о трении, смазке и изнашивании контактирующих тел. Одним из научно-технических разделов трибологии
является триботехническое материаловедение. К триботехническим
характеристикам материалов относятся: изнашивание, износ, износо-
стойкость, относительная износостойкость, интенсивность изнашивания, совместимость материалов при трении, прилегаемость
материалов при трении, прирабатываемость, способность к поглощению твердых частиц. Физические закономерности процесса изна-
шивания описываются конкретными законами. В результате
38
многообразия и переменности действующих факторов эти зависимости приобретают вероятностный характер, и поэтому при анализе изнашивания используется математический аппарат теории вероятности и
математической статистики.
Мерой физического износа какой-либо детали технического
устройства под воздействием трения может служить величина
изношенного слоя (в мкм) рабочей поверхности этой детали. Многочисленные исследования показали, что для физического износа
отдельных деталей (узлов) машин под воздействием трения характерны три последовательные стадии (рис. I.12.), коррелирующие с
появлением отказов в процессе эксплуатации изделия.
Рис. I.12. Физический износ элементов технического устройства во
времени: 1 —интенсивный износ в период приработки; 2 — медленное
нарастание износа в период нормальной работы; 3 — прогрессирующее
нарастание после достижения определенной величины износа
(по Шубин В.С., Рюмин Ю.А., 2006)
Основным направлением трибоматериаловедения является
разработка многофункциональных материалов, адаптированных к
определенным условиям эксплуатации, возникающим в конкретных
трибосопряжениях современной техники. К числу таких материалов
могут быть отнесены, как традиционные металлы и их сплавы, полимеры, керамики, так и и новые материалы с особыми триботехническими свойствами, в том числе материалы с «памятью», меняющие
свои физико-механические свойства в зависимости от внешних воздействий (величина и характер нагрузок, температура, электрические
и магнитные поля и др.).
4.2. Физико-механические свойства материалов,
обеспечивающие эксплуатационную надежность
При оценке эксплуатационной надежности конструкций и технических объектов измеряются различные количественные характеристики деформации и разрушения материалов, величина которых зависит от свойств, строения материала, из которого сделан изучаемый
образец, технологии его получения. При проведении прочностных
39
расчетов и оценке механических свойств материалов используют несколько видов показателей:
1. Показатели свойств материалов, определяемые вне зависимости от конструктивных особенностей и характера службы изделий.
Эти показатели определяются путем стандартных испытаний образцов
на растяжение, сжатие, изгиб, твердость. Полученные характеристики
могут быть использованы лишь для расчета деталей и конструкций,
работающих при нормальных (комнатных) условиях и действии
статических нагрузок.
2. Показатели конструктивной прочности материалов, характеризующие их работу в условиях эксплуатации конкретного изделия. К
этим показателям относятся характеристики долговечности изделий
(усталостная прочность, износоустойчивость, коррозионная стойкость) и надежности материала в изделии (вязкость разрушения, энергия, поглощаемая при распространении трещины, живучесть при циклическом нагружении и т.д.).
Эксплуатационное назначение технического объекта определяет необходимый вид прочности. При этом нужно учитывать, что
существует несколько различных видов прочности: на разрыв, на
сжатие, на изгиб, на скручивание, ударопрочность. Материал
обладает ударопрочностью, если он не разрушается при резком и
сильном ударе. Во всех случаях прочность — это механическое напряжение, которое необходимо приложить к образцу, чтобы он разрушился. С физической точки зрения отличие ударопрочности от прочности в том, что прочность характеризует то, какую силу надо приложить, чтобы разрушить образец, а ударопрочность говорит о том, какая энергия необходима для разрушения образца. Причем, если материал является прочным, то совершенно необязательно он будет также
и ударопрочным. Для обеспечения безопасности ТС при применении
определенных конструкционных материалов обычно нужны материалы, которые были бы и прочными и ударопрочными.
Однако прочность не дает представление о том, что происходит с материалом во время нагрузки, то есть о деформационном пове-
дении образца материала. Деформация — это, в общем значении, изменение формы предмета, к которому приложено механическое напряжение. Одним из примеров деформации является растяжение. Когда
говорят о прочности на разрыв, то деформация образца заключается в
его удлинении, в том, что он становится длиннее. Обычно измеряют
относительное растяжение, выраженное в процентах. Механическое
напряжение растяжения, и прочность на разрыв измеряются в единицах силы деленных на единицы площади (МПа, ГПа).
Наиболее распространенными для определения механических
свойств конструкционных материалов являются модели упругости и
пластичности. Упругость — это свойство тела изменять форму и
40
размеры под действием внешних нагрузок и восстанавливать
0
/ FP=
σ
0
/ FP
nn
=
σ
исходную конфигурацию при снятии нагрузок. Свойство упругости
отражает не только свойства материалов, но и условия нагружения.
Для большинства конструкционных материалов свойство упругости
проявляется при умеренных значениях внешних сил, приводящих к
малым деформациям, и при малых скоростях нагружения, когда потери энергии за счет температурных эффектов пренебрежимо малы. Математически свойство упругости выражается в установлении взаимно
однозначной функциональной зависимости между компонентами
тензора напряжений и тензора деформаций. Материал называется
линейно-упругим, если компоненты тензора напряжений и тензора
деформаций связаны линейными соотношениями.
При высоких уровнях нагружения, когда в теле возникают значительные деформации, материал частично теряет упругие свойства:
при разгрузке его первоначальные размеры и форма полностью не восстанавливаются, а при полном снятии внешних нагрузок фиксируются
остаточные деформации. В этом случае зависимость между напряже-
ниями и деформациями перестает быть однозначной. Это свойство
материала называется пластичностью. Накапливаемые в процессе
пластического деформирования остаточные деформации называются
пластическими.
Механические свойства материалов — совокупность показателей, характеризующих сопротивление материала воздействующей на
него нагрузке, его способность деформироваться при этом, а также
особенности его поведения в процессе разрушения. Механические
свойства материалов измеряют напряжениями (кгс/мм
формациями (в %), удельной работой деформации и разрушения
(обычно в кгс•м/см
2
или Мдж/м2), скоростью развития процесса раз-
2
, Мн/м2), де-
рушения при статической или повторной нагрузке (чаще всего в мм за
1 сек или за 1000 циклов повторений нагрузки, мм/кцикл). Механическое напряжение и прочность могут также измеряться в мегапаскалях
(МПа) или гигапаскалях (ГПа): 1 МПа = 100 Н/см
2
Н/см
, 1 ГПа = 1000 МПа.
2
, 1 ГПа = 100000
Напряжения характеризуют нагрузку, приходящуюся на еди-
ницу площади поперечного сечения образца (нормальное напряже-
ние):
. Напряжение
, при котором нарушает-
ся пропорциональный нагрузке рост деформации, называется пределом пропорциональности. При нагрузке Р < Р
разгрузка образца
n
приводит к исчезновению деформации, возникшей в нём под действием приложенного усилия; такая деформация называется упругой.
Небольшое превышение нагрузки относительно Р
может не изменить
n
характера деформации — она по-прежнему сохранит упругий характер. Наибольшая нагрузка, которую выдерживает образец без появле-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]