Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Надежность технических систем и техногенный риск. Учебное пособие
.pdf
21
Законом распределения дискретной случайной величины [4] называют
X
1
x
2
x
…
n
x
возможные
значения
P
1
p
2
p
…
n
p
их вероятности
1 2 3
50, 1, 0.x x x
.89,0)(1,1,0,01,0
21321
ppppp
( , ),
ii
xp
()Fx
( ) ( )F x P X x
6
11k
k
p
Х
3 4 5 6 7
P(X=xk)
1/6
1/6
2/6
1/6
1/6
X
50 1 0
P
0,01
0,1
0,89
1
p
x
соответствие между возможными значениями и их вероятностями, его можно
задать таблично, аналитически (в виде формулы) и графически.
Пример 3.8. В денежной лотерее выпущено 100 билетов. Разыгрывается
один выигрыш в 50 рублей и 10 выигрышей по 1 рублю. Найти закон распределения случайной величины Х - стоимости возможного выигрыша для владельца
одного лотерейного билета.
Решение
Напишем возможные значения Х:
Вероятности этих возможных значений:
Закон распределения:
Для наглядности закон распределения дискретной случайной величины можно изобразить
графически. В прямоугольной системе координат
строят точки
а затем соединяют их отрез-
ками.
Полученную фигуру называют многоугольником распределения.
Функцией распределения называют
, определяющую вероятность то-
го, что случайная величина Х в результате испытания примет значение, меньшее x, т.е.
.
Пример 3.9. В урне имеется четыре шара с номерами от 1 до 4. Извлекли
два шара. Найти закон распределения и функцию распределения СВ X суммы
номеров извлеченных шаров.
Решение
Закон распределения имеет вид
22
Функция распределения
.71
;766/5
;656/4
;546/2
;436/1
;30
)(
xпри
xпри
xпри
xпри
xпри
xпри
xF
Х 1 2 3 … т …
P
p qp q2p
…
q
m-1
p
…
1
Р(х)
х
1 0 2
3
4
…
…
т-1
т
…
р
p+qp
Пример 3.10. Для установления связи между двумя объектами посыла-
ются сигналы до установления связи. Вероятность приема сигнала р. Найти
распределение вероятностей числа сигналов, необходимых для установления
связи. Построить функцию распределения вероятностей.
Решение
Обозначим через А событие, состоящее в том, что связь установлена, а
через X - число вызовов, необходимых для установления связи; Р(А) = р;
Р(А) = q = 1-р. Вероятностное распределение задается таблицей
Распределение вероятностей числа сигналов, необходимых для связи,
задается геометрической прогрессией. Проверим, что распределение вероятностное, т.е. сумма всех вероятностей равна единице:
График функции распределения вероятностей имеет вид
Пример 3.11. Шкала измерительного прибора проградуирована в некото-
рых единицах. Ошибку при округлении отсчета до ближайшего целого деления
можно рассматривать как случайную величину Х, которая может принимать с
постоянной плотностью вероятности любое значение между двумя соседними
делениями. Таким образом, Х имеет равномерное распределение.
23
Решение
()fx
( , )ab
()fx
( , )ab
( ) 0fx
и .x a x b
( , )ab
( ) 1 или 1
bb
aa
f x dx Cdx
11
()
b
a
C
ba
dx
.0
;)/(1
;0
)(
bxпри
bxaприab
axпри
xf
(0,1)
( , )cd
(0,1)
()p c R d d c
1
( ) 1
10
fr
( , )cd
( ) ( ) 1
dd
cc
p c R d f r dr dr d c
x
b
a
1
ba
()fx
Найдем плотность равномерного распределения
, считая, что все
возможные значения случайной величины заключены в интервале
тором функция
сохраняет постоянные значения:
По условию Х не принимает значений вне интервала
при
Найдем постоянную С. Т.к. все возможные значения Х принадлежат ин-
тервалу
, то
.
Отсюда
.
Итак, искомая плотность вероятности равномерного распределения
, на ко-
, поэтому
График плотности равномерного распределения:
Замечание. Обозначим через R непре-
рывную случайную величину, распределенную
равномерно на интервале
, а через r – ее
возможные значения.
Вероятность попадания p (в результате испытания) в интервале
принадлежащем интервалу
, равна его длине:
,
плотность рассматриваемого равномерного распределения
,
следовательно, вероятность попадания случайной величины R в интервал
.
,
24
3.2. Теоремы сложения и умножения вероятностей
1 2 n
A , A ,...A
1 2 n
P(A )+P(A )+...+P(A )=1
A, A
P(A)+P(A)=1
( ) ( ) ( ) ( )P A B P A P B P AB
.8,0;7,021pp
.56,08,07,0)(ABP
.94,056,08,07,0)(
)()()(
BAP
BPAPBAP
.94,02,03,011)(
BA
ggBAP
Суммой А+В двух событий А и В называют событие, состоящее в появле-
нии события А, или события В, или обоих этих событий [4].
1. Вероятность появления одного из двух несовместимых событий, без-
различно какого, равна сумме вероятностей этих событий: P(A+B)=P(A)+P(B).
2. Сумма вероятностей событий
пу, равна единице:
.
, образующих полную груп-
Противоположными называют два единственно возможных события, об-
разующих полную группу. Обозначение:
.
3. Сумма вероятностей противоположных событий равна единице:
.
Два события называют совместными, если появление одного из них не
исключает появления другого в одном и том же событии.
4. Вероятность появления хотя бы одного из двух совместных событий
равна сумме вероятностей этих событий без вероятности их совместного появления:
.
Пример 3.12. Вероятность попадания в цель при стрельбе первого и вто-
рого орудий соответственно равна
Найти вероятность попа-
дания в цель при одном залпе (из обоих орудий) хотя бы одним из орудий.
Решение
1.События А – попадание из 1-го орудия, В – попадание из 2-го орудия,
независимы [2].
Вероятность события AB (оба орудия дали попадание)
Искомая
2. Т.к. А, В независимы, то
Ответ: 0,94.
Пример 3.13. В урне 3 белых и 3 черных шара. Из урны дважды вынимали
по одному шару, не возвращая обратно. Найти вероятность появления белого
шара при втором испытании (событие В), если при первом испытании был извлечен черный шар (событие А) [2].
25
Решение
3
()
5
A
PB
A
P(AB)
P (B)= ( ( ) 0)
P(A)
PA
5
()
12
PA
4
()
11
A
PB
3
()
10
AB
PC
5 4 3 1
( ) ( ) ( ) ( )
12 11 10 22
A AB
P ABC P A P B P C
АВС
BAD
После первого испытания в урне осталось 5 шаров, из них 3 белых. Иско-
мая вероятность условная:
= 0,6.
Этот же результат можно получить по формуле
(Проверить самостоятельно).
Пример 3.14. В урне 5 белых, 4 черных и 3 синих шара. Каждое испыта-
ние состоит в том, что извлекают один шар наудачу, не возвращая его обратно.
Найти вероятность того, что при первом испытании появится белый шар (событие А), при втором – черный (событие В) и при третьем – синий (событие С) [2].
Решение
Вероятность появления белого шара в первом испытании
.
Вероятность появления черного шара во втором испытании в предполо-
жении, что в первом испытании появился белый, т.е. условная вероятность
.
Вероятность появления синего шара в третьем испытании вычислена в
предположении, что в первом испытании появился белый шар, а во втором –
черный, т.е. условная вероятность:
.
Искомая вероятность
.
Пример 3.15. Два стрелка производят по одному выстрелу по одной ми-
шени. Первый попадает в мишень с вероятностью 0,8, второй - с вероятностью
0,6. Найти вероятность того, что: а) оба стрелка попадут в мишень; б) оба
стрелка промахнутся; в) только один стрелок попадет; г) хотя бы один стрелок
попадет в мишень [2].
Решение
Пусть событие А означает, что первый стрелок попал в мишень, событие
В – попал второй. По условию P(A)=0,8, P(В)=0,6.
а) Пусть событие С - оба стрелка попали в мишень, тогда
. Поэто-
му, учитывая независимость событий А и В, по теореме умножения вероятностей имеем P(С)=Р(АВ)=Р(А)Р(В)=0,8 0,6=0,48;
б) перейдем к противоположным событиям, которые состоят в том, что
первый стрелок промахнулся А, а второй стрелок промахнулся В. Тогда событие
означает, что оба стрелка промахнулись.
26
( ) ( ) ( ) ( ) (1 ( ))(1 ( )) 0,2 0,4 0,08;P D P AB P A P B P A P B
в) событие Е – только один стрелок попал можно представить в виде
ABBAE
BA
AB
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )P E P AB BA P AB P BA P A P B P B P A
44,02,06,04,08,0
( ) 1 ( 1 ( ) ( ) 1 0,2 0,4 0,92.P E P AB P A P B
. События
и
несовместные. Поэтому, применяя теорему
сложения вероятностей несовместных событий, получим
г) вероятность появления хотя бы одного из совместных событий А, В
равна разности между единицей и вероятностью произведения противополож-
ных событий А, В. Пусть событие F - хотя бы один стрелок попал. Тогда
4. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ
МАШИН И ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Термины надежность, безопасность, опасность и риск часто смешива-
ют, при этом их значения перекрываются [2]. Часто термины анализ безопасно-
сти или анализ опасности используются как равнозначные понятия. Наряду с
термином анализ надежности они относятся к исследованию как работоспособности, отказов оборудования, потери работоспособности, так и процесса их
возникновения.
При изучении вопросов надежности рассматривают самые разнообразные
объекты - изделия, сооружения, системы с их подсистемами. Надежность изделия зависит от надежности его элементов, и чем выше их надежность, тем выше
надежность всего изделия.
Надежность - свойство объекта сохранять во времени в установленных
пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять
требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического
обслуживания, хранения и транспортирования. Недостаточная надежность объекта приводит к огромным затратам на его ремонт, простою машин, прекращению снабжения населения электроэнергией, водой, газом, транспортными средствами, невыполнению ответственных задач, иногда к авариям, связанным с
большими экономическими потерями, разрушением крупных объектов и с человеческими жертвами. Чем меньше надежность машин, тем большие партии
их приходится изготовлять, что приводит к перерасходу металла, росту производственных мощностей, завышению расходов на ремонт и эксплуатацию.
Надежность объекта является комплексным свойством, ее оценивают по
четырем показателям - безотказности, долговечности, ремонтопригодности и
сохраняемости или по сочетанию этих свойств.
27
Безотказность - свойство объекта сохранять работоспособность непре-
рывно в течение некоторого времени или некоторой наработки. Это свойство
особенно важно для машин, отказ в работе которых связан с опасностью для
жизни людей. Безотказность свойственна объекту в любом из возможных режимов его существования, в том числе при хранении и транспортировке.
Долговечность - свойство объекта сохранять работоспособное состояние
до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.
В отличие от безотказности долговечность характеризуется продолжи-
тельностью работы объекта по суммарной наработке, прерываемой периодами
для восстановления его работоспособности при плановых и неплановых ремонтах и при техническом обслуживании.
Предельное состояние – состояние объекта, при котором его дальнейшая
эксплуатация недопустима или нецелесообразна либо восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно.
Ремонтопригодность – свойство объекта, заключающееся в его приспо-
собленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния
путем проведения технического обслуживания и ремонта. Важность ремонтопригодности технических систем определяется огромными затратами на ремонт
машин.
Сохраняемость – свойство объекта сохранять в заданных пределах зна-
чения параметров, характеризующих способность объекта выполнять требуемые функции, в течение и после хранения и (или) транспортирования. Практическая роль этого свойства велика для деталей, узлов и механизмов, находящихся на хранении в комплекте запасных принадлежностей.
Объекты подразделяют на невосстанавливаемые, которые не могут быть
восстановлены потребителем и подлежат замене (например, электрические
лампочки, подшипники, резисторы и т.д.), и восстанавливаемые, которые мо-
гут быть восстановлены потребителем (например, телевизор, автомобиль, трактор, станок и т.д.).
Надежность объекта характеризуется следующими состояниями: исправное, неисправное, работоспособное, неработоспособное.
Исправное состояние – такое состояние объекта, при котором он соответ-
ствует всем требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской
(проектной) документации. Исправное изделие обязательно работоспособно.
Неисправное состояние – такое состояние объекта, при котором он не со-
ответствует хотя бы одному из требований нормативно-технической и (или)
конструкторской (проектной) документации. Различают неисправности, не
приводящие к отказам, и неисправности, приводящие к отказам. Например, повреждение окраски автомобиля означает его неисправное состояние, но такой
автомобиль работоспособен.
Работоспособным состоянием называют такое состояние объекта, при
котором он способен выполнять заданные функции, соответствующие требова-
28
ниям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.
Неработоспособное изделие является одновременно неисправным.
Отказ – событие, заключающееся в нарушении работоспособного состо-
яния объекта.
Отказы по характеру возникновения подразделяют на случайные и неслучайные (систематические).
Случайные отказы вызваны непредусмотренными нагрузками, скрытыми
дефектами материалов, погрешностями изготовления, ошибками обслуживающего персонала.
Неслучайные отказы – это закономерные явления, вызывающие постепенное накопление повреждений, связанные с влиянием среды, времени, температуры, облучения и т. п.
В зависимости от возможности прогнозировать момент наступления отказа все отказы подразделяют на внезапные (поломки, заедания, отключения) и
постепенные (износ, старение, коррозия).
По причинам возникновения отказы классифицируют на конструктивные
(вызванные недостатками конструкции), производственные (вызванные нару-
шениями технологии изготовления) и эксплуатационные (вызванные неправильной эксплуатацией).
5. ПРИЧИНЫ ПОТЕРИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ
ТЕХНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Для выполнения инженерных расчетов, обеспечивающих надежность,
например, пожарного оборудования, необходимо изучить общие подходы к
расчетам любых машин и механизмов [2]. Расчеты обеспечения надежности
машин очень сложны в связи с тем, что во всех закономерностях изменений их
технических характеристик (параметров) проявляется фактор времени. Изменения, происходящие в изделиях (технических системах - ТС), являются случайными, достаточно сложными и разнообразными.
Показатели надежности, которые характеризуют качество изделий, ма-
шин, технических средств, также являются случайными. Однако, несмотря на
разнообразие машин, механизмов, технических средств, формирование показателей надежности происходит по некоторым общим, подчиняющимся некоторой логике законам. То есть происходящие в машинах какие-то необратимые
процессы зависят от воздействия механической, тепловой, химической и др.
видов энергии, воздействие которых также является случайным. Поэтому для
расчета и оценки показателей надежности любых машин, механизмов и используются методы теории вероятности и математической статистики.
29
5.1. Источники и причины изменения начальных параметров
технической системы
Те изменения, которые происходят с течением времени в любой техниче-
ской системе и приводят к потере ее работоспособности, связаны с внешними и
внутренними воздействиями, которым она подвергается [2]. В процессе эксплуатации на систему действуют все виды энергии, что может привести к изменению параметров отдельных элементов, механизмов и системы в целом. При
этом имеются три основных источника воздействий:
энергия окружающей среды, включая человека, исполняющего функции
оператора или ремонтника;
внутренние источники энергии, связанные как с рабочими процессами,
протекающими в технической системе, так и с работой отдельных элементов системы;
потенциальная энергия, которая накоплена в материалах и деталях узлов
системы в процессе их изготовления (внутренние напряжения в отливке,
монтажные напряжения).
При работе технического объекта наблюдаются следующие основные ви-
ды энергии, влияющие на его работоспособность.
Механическая энергия, которая не только передается по всем элементам
системы в процессе работы, но и воздействует на нее в виде статических или
динамических нагрузок от взаимодействия с внешней средой.
Силы, возникающие в узлах технической системы, определяются харак-
тером рабочего процесса, инерцией перемещающихся частей, трением в кинематических парах. Эти силы являются случайными функциями времени. Природа их возникновения, как правило, связана со сложными физическими явлениями.
Механическая энергия в системе может возникнуть и как следствие тех
затрат энергии, которые имели место при изготовлении отдельных частей системы и сохранились в них в потенциальной форме. Например, деформация частей при перераспределении внутренних напряжений, изменение объема детали
после ее термической обработки происходят без всяких внешних воздействий.
Тепловая энергия, которая действует на систему и ее части при колебани-
ях температуры окружающей среды, при осуществлении рабочего процесса
(особенно сильные тепловые воздействия имеют место при работе двигателей и
ряда технологических машин), при работе приводных механизмов, электротехнических и гидравлических устройств.
Химическая энергия, которая также оказывает влияние на работу системы.
Даже воздух, который содержит влагу и агрессивные составляющие, может вызвать коррозию отдельных узлов системы.
Если же оборудование системы работает в условиях агрессивных сред
(оборудование химической промышленности, суда, многие машины текстиль-
30
ной промышленности и др.), то химические воздействия вызывают процессы,
приводящие к разрушению отдельных элементов и узлов системы.
Ядерная (атомная) энергия, выделяющаяся в процессе превращения
атомных ядер, может воздействовать на материалы (особенно в космосе), изменяя их свойства.
Электромагнитная энергия в виде радиоволн (электромагнитных колеба-
ний), пронизывающая все пространство вокруг объекта. Может оказать влияние
на работу электронной аппаратуры.
Биологические факторы, которые также могут влиять на работоспособ-
ность системы. Например, в тропических странах имеются микроорганизмы,
которые не только разрушают некоторые виды пластмасс, но даже могут воздействовать на металл.
Таким образом, все виды энергии действуют на техническую систему и ее
механизмы, вызывают в ней целый ряд нежелательных процессов, создают
условия для ухудшения ее технических характеристик.
5.2. Процессы, снижающие работоспособность системы
Различные виды энергии, действуя на систему, вызывают в ее узлах и деталях процессы, снижающие начальные параметры изделия [2]. Эти процессы
связаны, как правило, со сложными физико-химическими явлениями и приводят к деформации, износу, поломке, коррозии и другим видам повреждений.
Это, в свою очередь, влечет за собой изменение выходных параметров изделия,
что может привести к отказу.
Приведем примеры данных взаимосвязей. Механическая энергия, действующая в звеньях металлорежущего станка, приводит к возникновению процесса износа его звеньев.
Это вызывает искажение начальной формы сопряжения (т. е. их повреждение), что приводит к потере станком точности, которая является основным
выходным параметром станка. При достижении определенной погрешности обработки возникает отказ.
Химическая энергия вызывает процессы коррозии в резервуарах и трубопроводах агрегатов химической промышленности. Повреждение стенок резервуаров может привести вначале к ухудшению выходных параметров агрегата
(загрязнение химических веществ, изменение пропускных сечений трубопроводов), а затем при разрушении стенок к полному выходу из строя изделия.
Сочетание механических воздействий, в том числе высокочастотных колебаний, а также влияние температурных и химических факторов на элементы
конструкции самолетов приводит к тому, что в них могут возникнуть усталостные разрушения (трещины). Они снижают несущую способность системы, что
при определенной величине повреждения приводит к разрушению элемента
конструкции и может закончиться аварией.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]