Надежность авиатехники_Конспект лекций

4.Ошибки, допускаемые обслуживающим персоналом при эксплуатации техническим систем, связанные с недостаточной квалификацией или большими психологическими нагрузками;

5.Организационная сложность системы управления производством и эксплуатацией изделий, затрудняющая обмен информацией о работе изделий, и принятие мер по повышению надежности выпускаемых изделий.

Обеспечение надежности современных технических систем обеспечива-

ется двумя путями:

1.Первый путь – повышение надежности комплектующих элементов. Однако, во многих случаях этот путь не может привести к желаемым результатам вследствие большого числа элементов в системе, а также потому, что повышение надежности элементов представляет собой часто очень сложную техническую проблему и обходится очень дорого.

2.Второй путь повышение надежности – применение специальных методов конструирования, позволяющих создавать высоконадежные системы из сравнительно малонадежных элементов путем применения резервных элементов и систем, профилактического обслуживания, автоматизированных и автоматических систем контроля и т.д.

Повышение надежности изделий связано, как правило, с повышением их стоимости. С другой стороны, повышение надежности приводит к снижению затрат при эксплуатации системы. Поэтому очень важно знать, какой должна быть надежность проектируемой системы, чтобы в конечном итоге обеспечить минимальные затраты на систему, т.е. получить максимальную выгоду от ее использования.

В теории надежности рассматриваются многочисленные проблемы, связанные с разработкой, производством, испытаниями и эксплуатацией различных изделий систем с единой целью: обеспечение такой надежности изделия систем, которая обеспечила бы наиболее эффективное их использование. Применяемые при этом методы можно разделить на две большие группы:

1.Инженерные методы, охватывающие вопросы выбора наиболее надежных схемных и конструктивных решений, выбора оптимальных режимов работы элементов и устройств, вопросы, связанные с технологией и организацией производства и ряд других.

2.Математические методы, используемые при построении математических моделей, необходимых для проведения анализа надежности существующих и вновь проектируемых систем и изделий, состоящих из элементов любой физической природы.

Следует особо подчеркнуть, что понятие надежности нужно рассматри-

вать «применительно» к определенным условиям и режимам эксплуатации, в том числе к условиям хранения и транспортирования.

При изменении условий эксплуатации по сравнению с расчетами, надежность изделия может резко упасть или изделие вообще окажется неработоспособным.

21

Лекция 3

Терминология теории надежности

При зарождении теории надежности для обозначения одних и тех же понятий применялось большое число различных терминов и, наоборот, одни и те же термины применялись для обозначения совершенно отличных понятий и явлений.

Это приводило к трудностям в понимании и в обмене информацией.

В 1967 году в нашей стране утвержден Государственный стандарт основных терминов по надежности (ГОСТ 13377-67). Ознакомимся с некоторыми основными терминами, установленными ГОСТом.

1.Наработка – продолжительность или объем работы изделия, измеряемые в часах, километрах, гектарах, циклах, кубометрах или других единицах.

2.Работоспособность – состояние изделия, при котором оно способно выполнять заданные функции с параметрами, установленными требованиями технической документации.

3.Отказ – событие, заключающееся в нарушении работоспособности. Отказ является одним из основных понятий теории надежности.

4.Неисправность – состояние изделия, при котором оно не соответствует хотя бы одному из требований технической документации.

Неисправность нельзя путать с отказом. При наличии неисправности из-

делие может оставаться работоспособным. Например, повреждение внешнего покрытия есть неисправность, но это повреждение может совершенно не нарушить работоспособность изделия. Однако с течением времени неисправность может привести к отказу, например, в результате коррозии. Поэтому следует различать неисправности, не приводящие к отказам, и неисправности (и их сочетания), вызывающие отказы. Исправное изделие всегда работоспособно.

Понятие «надежность» является широким и обуславливается рядом свойств изделия: безотказностью, ремонтопригодностью, сохраняемостью и долговечностью его частей.

5.Безотказность – свойство изделия сохранять работоспособность в течение наработки без вынужденных простоев. Численно безотказность изделия оценивается вероятностью безотказной работы.

Вероятность безотказной работы – есть вероятность того, что в заданном

интервале времени или в пределах заданной наработки не возникает отказ изделия. Вероятность безотказной работы обозначается P(t).

6.Долговечность – свойство изделия сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для технического контроля, обслуживания и ремонтов.

Под «предельным состоянием» изделия понимается такое его состояние,

при котором дальнейшая эксплуатация изделия становится невозможной, например, по соображениям безопасности или вследствие снижения эффективности работы изделия.

Предельное состояние обычно оговаривается в технической документации. Показателем долговечности могут служит «ресурс», «срок службы» и т.д.

22

7. Ремонтопригодность – свойство изделия, заключающего в приспособленности к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей путем проведения технического обслуживания и ремонтов.

Чем легче предупредить отказ изделия (например, чем проще профилактический ремонт или другие меры), чем легче и быстрее обнаружить причину отказа (например, при наличии специальных сигнализаторов, показывающих какая часть или узел изделия отказали) и, наконец, чем легче и быстрее этот отказ может быть устранен (например, путем применения сменных блоков или узлов или облегчения доступа к отказавшему элементу), тем выше ремонтопригодность изделия.

ВОССТАНАВЛИВАЕМЫЕ И НЕВОССТАНАВЛИВАЕМЫЕ ИЗДЕЛИЯ

В теории надежности все изделия делятся на два класса:

–восстанавливаемые (ремонтируемые);

–невосстанавливаемые (неремонтируемые).

Квосстанавливаемым изделиям относятся такие, которые в случаи возникновения отказа могут быть восстановлены (ЭВМ, станки, радиолокационные системы, автомобили и др.).

Невосстанавливаемыми считаются такие изделия, которые в случаи возникновения отказа не могут быть восстановлены или не подлежат восстановлению (например, по экономическим соображениям). К ним относятся электрические лампы, полупроводниковые приборы, сопротивления, конденсаторы, шарикоподшипники и т.п.

Кневосстанавливаемым изделиям относятся также изделия одноразового действия.

Деление изделий на восстанавливаемые и невосстанавливаемые имеет большое значение для правильного понимания и применение основных показателей надежности.

Так, понятие безотказности применяется как для невосстанавливаемых, так и для восстанавливаемых изделий. Для невосстанавливаемых изделий безотказность является основной характеристикой надежности. В тоже время понятие долговечность, ремонтопригодность и их характеристики применяют только к восстанавливаемым изделиям.

Простые и сложные системы. Надежность и эффективность

Будем называть простые изделия (системы), которые могут находиться только в двух состояниях – работоспособном или неработоспособном. Говорят, что число возможных состояний таких систем равно двум (электрическая лампа, конденсатор и т.п.).

Сложной системой (изделием) будем называть такую, отказы элементов которой не обязательно приводят к полному прекращению ее функционирования (т.е. к полной работоспособности – отказу). В некоторых случаях влияние отказов полностью компенсируется наличием в системе резервных элементов, в

23

других случаях приводит лишь к ухудшению работы, т.е. к снижению эффективности работы системы.

Понятие и оценка эффективности, как и изменение эффективности сложной системы при отказе отдельных ее элементов, должны определяться для каждой системы особо, с учетом задач, выполняемых данной системой и условий ее применения.

Отказы и его виды

Отказы могут возникнуть вследствие повреждений, причиненных небрежным обращением, хранением или не правильной эксплуатацией изделий.

Однако отказы могут возникнуть и без всякой вины со стороны обслуживающего персонала, вследствие внутренних присущих изделию особенностей.

Теория надежности различает большое число видов отказов в зависимости от характера их внешнего проявления и от причины, вызвавшей отказ.

Ниже приведем следующую классификацию отказов:

1.Независимый отказ – это отказ, если он произошел независимо от состояния других элементов изделия.

2.Зависимый отказ – это отказ, если он появился или вероятность его появления изменилась при отказе других элементов изделия.

3.Полный отказ – это отказ элемента или изделия, приводящий к полной потере работоспособности элемента или всего изделия.

4.К полным отказам относятся: поломка и заедание механических деталей, обрыв и короткое замыкание электрических проводов, расплавление или сгорание элементов схем и конструкций.

5.Параметрический отказ – отказ, представляющий собой изменение параметров, или тех, или иных характеристик элемента, или изделия вследствие износа, или под воздействием внешней среды, таких как коэффициенты усиления усилителей, точность измерения измерительных приборов, емкость конденсаторов, индуктивностей обмоток и т.п.

6.Параметрические отказы элементов являются частичными, неполными, отказами более сложных элементов и систем.

7.Самоустраняющиеся отказы – отказы, вызываемые кратковременными изменениями входных воздействий, подводимых к элементу или изделию (например, внешние помехи, заброс или падение питающего напряжения), либо возникающие вследствие кратковременных изменений внутренних параметров или свойств элемента (например, попадание влаги).

Взависимости от того, на какой стадии жизни изделия была заложена причина, вызвавшая отказ, отказы делятся на:

–конструкционные (ошибки конструктора, несовершенство методов конструирования);

–технологические (ошибка при изготовлении, нарушение технологии);

–эксплуатационные (нарушение правил эксплуатации, внешние воздействия, не свойственные нормальной эксплуатации).

24

Отказы изделия могут появляться в различное время его эксплуатации. В теории надежности различают три характерных типа отказов, в зависимости от того в какой период времени появился отказ.

1. Приработочные отказы

Приработочные отказы – это отказы, которые происходят в течение раннего периода эксплуатации изделия. Эти отказы происходят, главным образом, вследствие несовершенной технологии производства и недостаточно хорошего качества контроля изделий при их изготовлении и сборке. Даже при очень хорошем контроле возможно попадание в партию хороших деталей некоторого количества дефектных, при сборке изделия может оказаться незамеченным плохое соединение деталей и элементов. Изделия с поджобными дефектами отказывают, как правило, в первые минуты или часы работы. Это начальное время работы изделий называют временем приработки изделий, и отсюда получили название приработочные отказы.

Для того, чтобы избавится от приработочных отказов, элементы изделий заставляют работать в течении некоторого времени, в условиях близких к реальным, т.е производят искусственную приработку элементов. В течение времени приработки дефектные элементы отказывают, а прошедшие испытания используются при сборке изделий. После сборки изделия оно вновь подвергается приработке для выявления и исправления возможных ошибок и дефектов при сборке. Если при этом отказывает какой либо элемент, его заменяют новым тщательно проверенным и приработанным.

2. Постепенные (износовые) отказы

Постепенные или износовые отказы возникают за счет износа (истирания) подвижных частей изделия, разрушения или изменения свойств материалов, из которых изготовлены детали изделия, за счет естественного старения или под воздействие окружающей среды.

Данные отказы могут возникать в изделиях, которые в течение времени эксплуатации или совсем не обслуживаются, или обслуживаются не правильно. Период износа или старения различных элементов может колебаться от нескольких минут до нескольких лет. В большинстве случаев отказы за счет износа могут быть предотвращены, например, путем своевременной замены начинающих изнашиваться элементов новыми.

3. Внезапные отказы

Внезапные отказы – это отказы, возникающие вследствие внезапной концентрации нагрузок, превышающих расчетную нагрузку.

Эти отказы не могут быть устранены ни при отладке изделия, ни путем ее наилучшего обслуживания. Внезапные отказы возникают случайно, неожиданно и нет возможности предсказать, когда они произойдут. Вследствие неполной идентичности однотипных элементов, нельзя предсказать, какой из них откажет раньше, даже при совершенно одинаковых условиях работы. Тем более нельзя предсказать заранее, когда и какой элемент откажет, если случайными по времени и по величине являются также и нагрузки, действующие на элементы во время эксплуатации изделия.

25

Появлению внезапных отказов также предшествуют постепенные, скрытые изменения свойств деталей или элементов, которые не всегда удается обнаружить в процессе работы или ремонта изделия. Полностью исключить внезапные отказы трудно и часто возможно лишь путем недопустимого увеличения веса и объема изделия.

Однако в настоящее время разработаны эффективные методы повышения надежности, позволяющие свести число внезапных отказов к минимуму за определенный период работы.

Для обеспечения надежной (безотказной) работы изделий таким образом необходимо:

1.Исключить возможность появления при эксплуатации изделия приработочных отказов путем предварительной приработки (обкатки) изделия.

2.Исключить появление износовых отказов путем правильного выбора профилактических замен или ремонта изнашивающихся деталей, элементов.

3.Главное внимание должно быть обращено на предупреждение, уменьшение или полное устранение внезапных отказов, потому что именно внезапные отказы являются наиболее опасными и приводят к наибольшим потерям, так как они не могут быть заранее предусмотрены и происходят во время основной эксплуатации изделия.

Надежность (безотказность) невосстанавливаемого элемента

Важнейшим свойством невосстанавливаемого изделия с точки зрения надежности является безотказность.

Причиной отказа любой системы или изделия всегда является отказ одного или нескольких его элементов. Вероятность безотказной работы любого изделия, поэтому, тем или иным образом связана с вероятностью безотказной работы составляющих его элементов.

Поэтому прежде всего рассмотрим, каким образом оценивается безотказность отдельного элемента.

Под элементом будем понимать не только неделимую часть изделия, но и любое устройство, часть изделия, надежность (безотказность) которого рассматривается и рассчитывается независимо от надежности других элементов изделия или системы. Иногда такой условный элемент называют элементом расчета надежности.

1. Функции надежности (безотказности)

Построим систему прямоугольных координат: по оси абсцисс будем откладывать время работы t элемента, а по оси ординат – вероятность безотказной работы P t элемента (рис.3.1).

Пусть имеется элемент, прошедший приработку, и известно, что в момент его включения (в момент начала работы) он исправен.

Момент включения элемента в работу примем за начала отчета времени. Очевидно, что вероятность исправной работы элемента при t 0 (как ве-

роятность достоверного события) равна 1.

26

С течением времени работы элемента безотказность его безотказной работы уменьшается. Это объясняется тем, что чем большее время работает элемент, тем больше вероятность того, что за это время произойдет отказ элемента, либо за счет случайной концентрации нагрузок (внезапный отказ), либо в результате износа или старения элемента (износовый отказ). Если внезапный отказ не произойдет, то износовый отказ элемента наступит неизбежно.

Будем считать, что элемент может находиться только в двух состояниях: работоспособном и неработоспособном (в состоянии отказа).

Рисунок 3.1.

Пусть A – событие, заключающееся в том, что элемент находится в работоспособном состоянии; B – событие, заключающееся в том, что элемент находится в состоянии отказа. События « A B » составляют полную группу, являются противоположными и несовместными. Поэтому для них можем запи-

«функцией надежности». Функцию безотказности P t можно приближенно найти из опыта (эксперимента). Для этого необходимо взять достаточно большое количество одинаковых элементов и, включив их одновременно и при одинаковых условиях в работу, отключать моменты появления отказов в течение интересующего нас времени, например, до tx .

27

Зная эти моменты времени, определяют функцию n t , которая равна числу элементов не отказавших к моменту времени t . Допустим, что на испы-

ницу (рис. 3.2).

P (t)

Рисунок 3.2.

Если разделить теперь число элементов, оставшихся работоспособными после каждого отказа на число элементов, поставленных на испытание, то от-

Лекция 4

Интенсивность отказов. Общая формула вероятности безотказной работы

Интенсивность отказов λ t называется вероятность отказа неремонтируемого изделия в единицу времени после данного момента времени при условии, что отказ до этого момента не возник.

Для пояснения этого понятие рассмотрим следующий пример. Предположим, что некоторый элемент проработал безотказно в течение интервала

28

Это и есть интенсивность отказов.

При малом t из (4.5) с учетом (4.6) получаем

Q t, t t λ t t

29

соответствие с обозначением (4.6) величина λ t может быть определена из графика функции надежности, как отношение численного значения тангенса угла наклона касательной к функции надежности в точке t к численному значению ординаты функции надежности в этой же точке, взятое с обратным знаком.

Интенсивность отказов является важнейшей характеристикой в теории надежности.

Если известны интенсивности отказов элементов, то можно рассчитать вероятность безотказной работы любой сколь угодно сложной системы.

Незнание же функции λ t для составляющих элементов совершенно исключает возможность расчета надежности изделия. Чем меньше точно известна λ t для элементов, том больше ошибки в расчете безотказности изделий. Поэтому определение действительных значений λ t для различных элементов яв-

30