Тема 1: основные понятия и показатели надежности

ТЕМА 1: ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ
ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Лекция № 2 Основные понятия , термины и определения теории надежности
Цель : Дать основной понятийный аппарат теории надежности.
Время: 2 часа.
Вопросы: 1. Основные понятия теории надежности.
2. Характеристика состояний технического объекта.
3. Свойства надежности технических систем.
1. Основные понятия теории надежности.
Каждая наука опирается на основные понятия и определения. Таковыми , например,
являются понятие точки и прямой в геометрии, массы, силы и скорости – в механики,
события и вероятности в теории вероятностей и т.п.
Теория надежности также имеет свои понятия. К ним в первую очередь относится
понятие надежности.
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,
ремонтов, хранения и транспортировки.
В теории надежности все термины и определения относятся к объектам, под которыми
понимаются изделия, системы и их элементы, в частности сооружения, установки,
устройства, машины, аппараты, приборы и их части, агрегаты и отдельные детали.
Технический объект может классифицироваться по иерархическому признаку, по
принципу восстановления и по наличию резерва элементов ( рис. 2.1)
Изделием называют единицу продукции, выпускаемую данным предприятием, цехом и
т.п., например подшипник, телевизор, станок, автомобиль.
Системой
называют
совокупность
совместно
действующих
объектов,
предназначенных для самостоятельного выполнения заданных функций. При этом объекты
не всегда могут быть объединены конструктивно, иногда они объединяются лишь
функционально.
Элементом называют часть системы (изделия), предназначенную для выполнения
отдельных функций и не имеющую самостоятельного эксплуатационного значения.
Понятия "система" и "элемент" относительны. Системы могут быть элементами более
общей системы. Все зависит от степени детализации. Иногда элементы делят на основные,
составляющие и комплектующие.
Основными считают агрегаты и подсистемы, из которых достоит вся система.
Основные элементы состоят из составляющих элементов. К составляющим элементам
относятся приборы, узлы, блоки, входящие в основные элементы.
В свою очередь, составляющие элементы состоят из комплектующих элементов, т. е.
тех простейших элементов (конденсаторов, сопротивлений, клапанов, пружин, шайб и т. д.),
из которых конструируются составляющие элементы.
Технические
объекты
по
принципу
восстановления
подразделяются
на
восстанавливаемые, которые могут быть восстановлены потребителем, например станок,
автомобиль, телевизор и невосстанавливаемые, которые не могут быть восстановлены
потребителем и подлежат замене, например подшипники, диоды и сопротивления.
Объект как продукция производства обладает качеством, т.е. совокупностью свойств,
обусловливающих пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с
ее назначением, т. е. пригодность к эксплуатации
в
режимах,
определенных
нормативно-технической документацией. Часто используют более узкое, чем качество,
понятие эффективности объекта.
Под эффективностью понимают свойство объекта, определяющее степень его
пригодности непосредственно к применению по назначению. По мере эксплуатации объекта
совокупность свойств, определяющих его качество, как правило, ухудшается.
Жизненный цикл любого технического устройства включает в себя стадии:
проектирования, создание и испытание опытного образца, производство, эксплуатацию и
ремонт Рис. 2.2).
Создание
Проектирование
Проработка возм.
вариантов
Научно исследов.
работы
Формирование
тех. задания
Производство
Создание
опытного
образца
Конструкт.
испытания
Эксплуатация
Ремонт
Ввод в
эксплуатацию
Проведение
строит.,
монтажных и
пусконаладочных
работ , АИ. КИ
Рисунок 2.2. Жизненный цикл ТУ
Проектирование изделия включает проработку возможных вариантов, научноисследовательские работы, формирование технического предложения (задания), создание
опытного образца и конструкторские испытания.
Ввод в эксплуатацию технического устройства предполагает проведение строительных,
монтажных, пуско-наладочных работ, автономные испытания (АИ), комплексные испытания
(КИ). Дальнейшая эксплуатация есть чередование этапов применения и технического
обслуживания. Способность объекта сохранять качество в процессе длительной
эксплуатации определяется его надежностью.
Под надежностью понимают свойство объекта сохранять во времени в
установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность
выполнять требуемые функции .в заданных режимах и условиях применения, технического
обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования.
2
Из формулировки следует, что определить такое свойство объекта, как надежность,
можно, если установлен его объект, заданы режимы и условия его эксплуатации при
применении по назначению или использованию, техническом обслуживании, ремонтах,
хранении, транспортировании, назначены эксплуатационные показатели для каждого из
перечисленных режимов эксплуатации объекта, а также допустимые пределы их изменения
(рисунок 2.3).
Надежность - комплексное свойство объекта, включающее в себя безотказность,
долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость. Близким к понятию надежности и
эффективности, но не совпадающим с ним, является свойство объекта, называемое
живучестью.
Живучесть - такое свойство объекта, которое характеризует его возможности сохранять
работоспособное состояние при внешних воздействиях, превышающих установленные
эксплуатационные уровни, например при порывах ветра, повышении давления, влажности,
возникновении вибраций, механических нагрузок, грозовых разрядах и т.д.
Рисунок 2.4
Если для объектов такие режимы заданы ЭТД, то свойство живучести совпадает с
надежностью. В общем случае высокая надежность еще не гарантирует высокой живучести:
объект может иметь высокую надежность, но при малейшем превышении установленных
нагрузок отказывает, и, наоборот, может иметь высокую живучесть к вибрациям, ударам, но
терять работоспособность после короткого срока работы в обычных условиях.
Таким образом, совокупность свойств, определяющая качество объекта, включает в
себя более узкие и пересекающиеся свойства эффективности, надежности и живучести
(рисунок 2.4). Для некоторых частных случаев свойство эффективности может полностью
включать в себя надежность и живучесть, но в общем случае ряд составляющих свойств
надежности (например, сохраняемость и ремонтопригодность) не покрываются свойством
эффективности.
3
2. Характеристика состояний технического объекта
Надежность как свойство объекта характеризуется состояниями и событиями.
Любой объект может находиться в исправном, неисправном , работоспособном и
неработоспособном, предельном состоянии (рисунок 2.5 ).
Исправное состояние - такое состояние объекта, при котором он соответствует всем
требованиям, установленным нормативно-технической и (или) конструкторской
документацией. Если его состояние не соответствует хотя бы одному из требований этой
документации, объект считается неисправным
Работоспособное состояние - такое состояние объекта, при котором значения всех
параметров, характеризующих способность выполнять заданные функций, соответствует
требованиям ЭТД. При несоответствии хотя бы одного значения такого параметра
требованиям ЭТД объект является неработоспособным.
Предельное состояние - состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация
должна быть прекращена из-за неустранимого ухода заданных параметров за установленные
пределы или неустранимого снижения эффективности эксплуатации ниже «допустимой, или
необходимости проведения среднего или капитального ремонта. Признаки предельного
состояния устанавливаются НТД.
Переход объекта из одного состояния в другое происходит в результате отказа или
повреждения.
Отказ - событие, заключающееся в нарушении работоспособности объекта.
Повреждение - событие, характеризующее нарушение исправного состояния объекта.
Таким образом, если объект исправен, то он всегда работоспособен, а вот
работоспособный объект может быть неисправен. При этом группа параметров объекта,
определяющих его работоспособность, находится в установленных пределах, а некоторые
характеристики непосредственно не влияющие на его работоспособность, не соответствуют
требованиям. Например, нарушение окраски, ржавчина, незначительные внешние царапины
и т. д. являются неисправностями, но до определенных пределов не влияют на
работоспособность. В неработоспособное состояние объект может перейти через отказ как из
исправного, так и неисправного, но еще работоспособного состояния. Диаграмма состояний
технического объекта представлена на рис. 2.6
Исправное состояние
Работоспособное
Неисправное состояние
Работоспособное
Неисправное состояние
Неработоспособное
Предельное состояние
Рис. 2.6. Диаграмма состояний технического объекта
4
Остановимся более подробно на понятии отказ.
Отказ – событие , после появления которого выходные характеристики аппаратуры
выходят за допустимые пределы. Отказ может наступать не только при механических или
электрических повреждениях элементов (обрывы, КЗ ) , но и при нарушении регулировки,
из-за ухода параметров элементов за допустимые пределы и т.п.
Моменты возникновения отказов в сложной системе обычно являются событиями
случайными. Однако место их возникновения удается иногда предсказать заранее. Это
возможно в тех случаях, когда систематически наступает механический или электрический
износ одного и того же элемента во многих однотипных системах. Подобные отказы иногда
называют закономерными в противоположность отказам случайным, место и момент
возникновения которых заранее предсказать затруднительно
Причинами отказов, определяющих ненадежность объектов , могут быть:
ошибки, допущенные при конструировании, производстве, ремонте;
- нарушение правил и норм эксплуатации;
- естественные процессы старения и износа.
Отказы различают по нескольким признакам:
I. По характеру проявления отказы могут быть окончательные (устойчивые) и
перемежающиеся (то возникающие то исчезающие). Окончательные отказы являются
следствием необратимых процессов в деталях и материалах. При окончательных отказах для
восстановления работоспособности объекта необходимо производить его ремонт
(регулировку).
Перемежающиеся отказ в большинстве случаев является следствием обратимых
случайных изменений режимов работы параметров объектов. При возвращении режима
работы в допустимые пределы объект сам обычно без вмешательства человека,
возвращается в работоспособное состояние. Перемежающиеся отказы особенно неприятны в
информационных системах, где они известны под названием сбоев. Появление сбоя трудно
обнаружить, так как после его исчезновения объект остается работоспособным.
Таким образом, перемежающиеся отказы существенно отличаются oт окончательных
причиной возникновения, внешними проявлениями и последствиями появления. Поэтому
на практике рассчитывают показатели надежности как для окончательных, так и
перемежающихся отказов.
2. По связи с другими отказами различают отказы первичные, т. е. возникшие по
любым причинам, кроме действия другого отказа, вторичные, т. е. явившиеся следствием
другого отказа. Например, из-за пробоя конденсатора может сгореть резистор. При
вычислении показателей надежности обычно учитываются лишь первичные отказы.
Отказы являются случайными событиями, которые могут быть зависимыми и
независимыми. Отказы считают зависимыми, если при появлении одного из них изменяется
вероятность появления второго отказа. Для .независимых отказов вероятность появления
одного из них не зависит от того, произошли другие отказы или нет.
3. По сложности обнаружения отказы могут быть очевидными (явными) или скрытыми
(неявными).
4. Для каждого определенного типа. объектов отказы можно различать по внешним
проявлениям. Например, различные отказы конденсаторов можно разбить на две группы:
типа "обрыв" или типа "замыкание".
5. По характеру возникновения можно различать отказы внезапные (катастрофические),
состоящие в резком, практически мгновенном изменении характеристик объектов, и отказы
постепенные, происходящие из-за медленного, постепенного ухудшения качества объектов.
5
Внезапные отказы обычно проявляются в виде механических повреждений элементов
(поломок, трещин, обрывов, пробоя изоляции и т. п.), из-за чего эти отказы часто называют
грубыми (отсутствуют видимые признаки их приближения, т. е. перед отказом обычно не
удается обнаружить количественные изменения характеристик объекта).
Постепенные отказы (параметрические, плавные) связаны с износом деталей,
старением материалов, разрегулированием устройств. Параметры объекта могут достигнуть
критических значений, при которых его состояние считается неработоспособным; т. е.
происходит отказ.
Внезапный отказ объекта также является следствием накопления, необратимых изменений
материалов. Внезапным отказ кажется лишь потому, что не контролируется изменяющийся
параметр, при критическом значении которого наступает отказ объекта, обычно связанный с
его механическим повреждением.
Таким образом , возникновению всякого отказа предшествует накопление тех или иных
изменений внутри объекта (при этом,, конечно, не рассматриваются отказы, происшедшие
из-за небрежности или неумения работников). Для объектов различного назначения и
устройства применяются соответствующие показатели надежности.
В настоящее время можно выделить четыре группы технических объектов,
различающихся показателями и методами оценки надежности:
-невосстанавливаемые объекты, применяемые до первого отказа (конденсатор,
прокладка);
- восстанавливаемые вне процесса применения объекта;
-восстанавливаемые в процессе применения объекты, для которых допустимы
перерывы в работе;
- восстанавливаемые объекты, в процессе применения которых допустимы
кратковременные перерывы в работе.
3.Свойства надежности технических систем.
Надежность является сложным свойством, которое в зависимости от назначения
объекта и условий его применения состоит из сочетаний свойств: безотказности,
долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости (рис. 2.7).
Безотказность - свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в
течение некоторого времени или некоторой наработки. В основном безотказность
рассматривается применительно к режиму работы объекта, но во многих случаях
необходима оценка безотказности при хранении и транспортировке объекта.
Долговечность - свойство объекта сохранять работоспособное состояние до
наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания
и ремонта. Объект может перейти в предельное состояние, оставаясь работоспособным,
если, например, его дальнейшее применение по назначению станет недопустимым по
требованиям безопасности, экономичности, эффективности и безвредности.
Ремонтопригодность - свойство объекта, заключающееся в приспособлении к
предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений и к
поддержанию, восстановлению работоспособного состояния путем проведения технического
обслуживания и ремонтов.
Совместно с надежностью ремонтопригодность характеризует способность системы
выполнять заданные функции в любой момент времени. Чем надежнее система и чем выше
6
ее ремонтопригодность, тем реже она отказывает и меньше простаивает, т.е. тем выше
вероятность застать систему в любой момент времени в исправном состоянии.
Ремонтопригодность совместно с надежностью определяют эффективность действия
системы. Если система достаточно надежна и редко отказывает, но, имея низкую
ремонтопригодность, требует больших затрат времени на профилактику и восстановление,
то она не всегда может конкурировать с системой, которая менее надежна, но зато время ее
простоя, потребное на профилактику и восстановление, мало. Кроме того, она совместно с
надежностью определяет стоимость эксплуатации, необходимое количество резервных
систем, объем ремонтных средств и т.п. В связи с этим понятие ремонтопригодности
является важным понятием в теории надежности.
Ремонтопригодность представляет
собой
совокупность
технологичности
при
техническом обслуживании и ремонтной технологичности объектов. Затраты времени и
труда определяются в заданных условиях выполнения операми технического обслуживания
и ремонта в части организации, технологии, материально-технического обеспечения,
квалификации персонала.
Понятие ремонтопригодности относится к системам длительного использования.
Сохраняемость
- свойство объекта сохранять значения показателей безотказности,
долговечности и ремонтопригодности в течение и после хранения и(или)транспортирования.
Сохраняемость объекта зависит от большего числа факторов, большинство из которых
являются случайными. Поэтому оценить этот параметр можно с помощью вероятностных
методов. Сохраняемость является достаточно сложным параметром, поэтому никакой одной
характеристикой невозможно оценить его полностью. Для достаточно полной оценки
необходимо иметь несколько критериев и количественных характеристик.
Особенность ТС состоит в том, что в условиях ее хранения преобладают постепенные
отказы из-за ухудшения характеристик элементов вследствие их старения. При этом даже
для однотипных элементов зависимость параметров системы от времени является случайной
функцией.
Существует большой класс систем, время хранения которых соизмеримо с временем их
работы, а иногда во много раз его превосходит.
7
Объект техники
Функции
Параметры
Режимы
эксплуатаци
и
Частные
свойства
Признаки
наличия
свойств
Система ТС
Система СЭС
Обеспечение
ТВР в
производственно
м помещении
Обеспечение
электроэнергией
Т = +100 - + 300
U=380-19 В
f =50 – 1 Гц
 = 80%
Применение
по
назначению
Техническо
е
обслуживан
ие
Безотказнос
ть
Непрерывно
е
работоспосо
бное
состояние
Ремонт
Система
безопасности
Обеспечение
безопасных
условий работы
ПДК, ПДВ,
ПДУ
Хранение
Транспор
тирование
Долговечно
сть
Ремонто
пригодность
Сохраняемо
сть
Работоспосо
бное
состояние
до
предельного
уровня
Приспособл
енность к
ТО,
ремонту
Сохранение
значений
показателей
Б, Д, Р
Рисунок 2.3
8
Технические
объекты
По
иерархическому
признаку
Система
По принципу
восстановления
По наличию
резерва элементов
Восстанав
ливаемые
С
резервированием
Не
восстанав
ливаемые
Без
резервирования
Изделие
Элемент
Рисунок 2.1.
Состояния и
события
Исправное
состояние
Работоспособное
состояние
Не исправное
состояние
Не работоспособное
состояние
Предельное
состояние
Рисунок 2.5 Характеристика состояний и событий
Свойство
Безотказность
Долговечность
Ремонтопригодность
Сохраняемость
Рисунок 2.7
9