Glava_1

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ
В этой главе мы определим общезначимые понятия теории надежности,
некоторые из которых в дальнейшем будем интерпретировать и доопределять
применительно к рассматриваемым проблемам надежности, перечисленным
выше.
1.1 Основные термины и определения теории надежности
Как и всякая наука, теория надежности имеет свою терминологию. Ряд
определений оговорен ГОСТом1. Другие определяются более свободно. Мы
приведем их в соответствии со справочником2.
Объект *- предмет определенного целевого назначения, рассматриваемый
в
периоды
проектирования,
производства,
эксплуатации,
изучения,
исследования и испытания на надежность.
Объекты будем подразделять на элементы и системы. Применительно к
задачам надежности дадим следующие определения элемента и системы.
Система* - объект, представляющий собой совокупность элементов,
взаимодействующих в процессе выполнения определенного круга задач и
взаимосвязанных функционально.
Элемент* (системы) - объект, представляющий собой простейшую часть
системы, отдельные части которой не представляют самостоятельного интереса
в рамках конкретного рассмотрения.
Пусть исследуется надежность локальной сети, состоящей из  ПЭВМ.
Каждая ПЭВМ включает в себя следующие составные части: центральный
процессор (ЦП), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), винчестер
(ВЗУ), устройства ввода/вывода (УВВ), сетевая карта (СК) и др. Если заданные
характеристики надежности ПВЭВМ 1 позволяют определить надежность
системы, то характеристики надежности их частей не представляют интереса и
ГОСТ 27.002-83. Надежность в технике. Термины и определения.
Надежность технических систем: Справочник/ Под ред. И.А. Ушакова / Ю.К. Беляев, В.А.
Богатырев, В.В. Болотин и др.: М., Радио и связь, 1985.
1
2
поэтому в данном рассмотрении за элементы следует принять ПЭВМ 1.
Понятие системы и элемента определяются друг через друга и поэтому одно из
них постулируется. Эти понятия относительны: объект, считавшийся
системой в одном исследовании, может рассматриваться как элемент, если
изучается объект большего масштаба (см.рисунок 1.1)
Локальная сеть
ПЭВМ
ПЭВМ
ПЭВМ
ЦП 1ОЗУ
ВЗУ УВ
ЦП 2ОЗУ
ВЗУ УВ
СК
СК
В



ЦП NОЗУ
ВЗУ УВ
СК
В
В
Рисунок 1.1 – Пример структуры
Надежность - свойствообъекта
объекта (системы или элемента), заключающееся
в его способности выполнять определенные задачи в определенных условиях
эксплуатации.
В общем случае надежность - это сложное свойство объекта, включающее
в
свою
очередь,
такие
свойства
как
безотказность,
долговечность,
ремонтопригодность и сохраняемость. В частных случаях надежность может
отождествляться с одним из этих свойств.
R’  f ( Rб , Rд , R р , Rс )
Чаще всего надежность отождествляется с безотказностью Rн  Rб.
Безотказность
-
свойство
объекта
непрерывно
сохранять
работоспособность.
Работоспособность - состояние объекта, при котором он способен
выполнять заданные функции, сохраняя значения основных параметров в
пределах, установленных нормативно-технической документацией.
Основной
параметр
объекта
-
технический
параметр,
который
характеризует объект с точки зрения надежности в рамках конкретного
рассмотрения.
Определение основных параметров является отправным моментом при
определении показателей надежности и должно быть сделано с обязательной
привязкой к конкретным условиям задачи, поскольку один и тот же объект в
разных условиях может иметь разный перечень основных параметров.
Рассмотрим несколько примеров.
Пример 1. Объект исследования - резистор. Основной параметр номинальное значение напряжения (указано в паспортных данных Rн). На
самом деле сопротивление может отклоняться в ту или иную сторону (см.
рисунок 1.2)
R  Rн  R,
т.е. R(t ) [ Rн  R, Rн  R]
Отклонения сопротивления от номинального значения случайны, но не
могут превышать предельного отклонения R, в противном случае считается,
что резистор теряет свою работоспособность. Поэтому R(t) - случайный
процесс (СП), параметры которого зависят от Rн и R.
R(t)
Rн+R
момент отказа
Rн
область
работоспособных
состояний
Rн-R
t
0
T- время работы до отказа
Рисунок 1.2 – Пример основного параметра резистора
Т- непрерывная случайная величина, закон распределения которой зависит от
вида СП R(t).
Пример 2. Объект исследования - автоматизированная система научных
исследований (АСНИ) (см. рисунок 1.3).
АСНИ характеризуется двумя основными параметрами: быстродействием
ЭВМ V(t) и точностью (погрешностью) измерения H(t).
В зависимости от значений ОИ Х(t) ЭВМ через ИМ может управлять
параметрами и характеристиками ОИ и ТУ через контур управления Zупр и Zк
Погрешность в управлении напрямую зависит от точности измеренных
параметров
и
от
быстродействия
ЭВМ
(см.
рисунок
1.4):
Z уп р  Zн  Z , Z  f (V , H , t )
ТУ
АСНИ
u(t)
x(t)
ОИ
Датчик
ИП
zупр
АЦП
ЭВМ
ИМ
zк
ИМ
Условные обозначения:
ТУ - технологическая установка; ОИ - объект исследования;
ИП - измерительные преобразователи; ИМ - исполнительные механизмы; АЦП аналого-цифровой преобразователь
Рисунок 1.3 – Объект - АСНИ
Отказ происходит в том случае, если хотя бы один из параметров выходит
за допустимые пределы. T - непрерывная случайная величина.
V(t)
(V0,H0)

(Vк,Hк)

Vмин
H(t)
Hмах
Рисунок 1.4 – Пример двумерной области работоспособных
состояний
Пример 3. Объект - программа, выполняющая некоторую расчетную
задачу (расчет функции одного переменного). При каждом запуске программы
в момент времени tn n=1,2,3... (см. рисунок 1.5) на вход подаются новые
данные, запуск программы осуществляется через заданный промежуток
времени t.
Т
Z(t)
-
время
работы
до
отказа
(дискретная случайная величина).
Zmax
Отказ происходит в случае, если
отказ
полученная
t
t1
t2
t3
превышает
максимально допустимую.


точность
t
tn=T
Рисунок 1.5 – Пример дискретного времени работы до отказа
Долговечность - свойство объекта сохранять работоспособность до
наступления предельного состояния с необходимыми перерывами для
технического обслуживания и ремонтов.
Предельное состояние - состояние объекта, соответствующее технической
невозможности или нецелесообразности его дальнейшей эксплуатации,
обусловленное требованиями безопасности или
неустранимым снижением
эффективности.
Ремонтопригодность
-
свойство
объекта,
заключающееся
в
приспособленности к выполнению его ремонтов и технического обслуживания.
состояния.
Приспособленность - возможность локализации причины отказа и быстрая
замена неисправных частей.
Сохраняемость - свойство объекта непрерывно сохранять значения
установленных показателей его качества в заданных пределах в течении и
после хранения и транспортирования.
Если привязать эти понятия ко времени, то временная диаграмма будет
выглядеть следующим образом (см. рисунок 1.6):
ремонтопригодность
предельное состояние
начало эксплуатации
0
t
сохраняемость
интервалы времени на
обслуживание и ремонт
Рисунок 1.6 – Время жизненного цикла объекта
Таким образом, определено понятие «надежность» как сложного свойства
объекта.
К
понятию
работоспособности
близко
примыкает
понятие
исправности.
Исправность - состояние объекта, при котором он соответствует всем
требованиям, установленным нормативно-технической документацией.
Таким образом, отличие исправности от работоспособности состоит в том,
что
должны
выполняться
все
требования
нормативно-технической
документации, в том числе и по основным параметрам (например, по весу,
габаритам, внешнему виду изделия и т.д.).
Производными от понятий исправность и работоспособность являются
понятия повреждения и отказа.
Повреждение - событие, состоящее в нарушении исправности объекта.
Отказ - событие, состоящее в нарушении работоспособности объекта.
Ресурс- наработка объекта от определенного момента времени до
наступления предельного состояния.
1.2. Классификация отказов
В таблице 1.2 приведена классификация отказов аппаратных средств в
соответствии с ГОСТ3.
Таблица 1.2
№
Признак классификации
Вид отказа
1. Характер изменения основных параметров 1.1 Внезапный
до возникновения отказа
2. Возможность
1.2 Постепенный
использования
объекта 2.1 Полный
после возникновения отказа
2.2 Частичный
3. Связь между отказами
3.1 Независимый
3.2 Зависимый
4. Устойчивость отказа
4.1 Устойчивый
4.2 Самоустраняющийся
4.3 Сбой
4.4 Перемежающийся
5. Причина возникновения
5.1 Конструкционный
5.2 Производственный
5.3 Эксплуатационный
По характеру изменения основных отказов:
Внезапный
отказ
-
отказ,
характеризующийся
скачкообразным
изменением одного или нескольких основных параметров объекта (см. рисунок
1.7 а).
x(t)
x(t)
Dр
Dр
x(0)
x(0)
Т
Т
0
t
t
a) внезапный отказ
б) постепенный отказ
Рисунок 1.7 – Характер изменения основного параметра объекта
3
ГОСТ 27.002-89 Надежность в технике. Основные понятия и определения
0
Постепенный
отказ
-
отказ,
характеризующийся
постепенным
изменением одного или нескольких основных параметров объекта (см. рисунок
1.7 б).
Внезапные отказы возникают обычно при наличии в изделиях скрытых
дефектов производства, которые проявляют себя в процессе эксплуатации
изделия, как правило, в случае неблагоприятного сочетания условий
эксплуатации (высокая нагрузка, вибрация). Например, к внезапному отказу
приводит обрыв проводника в месте спая из-за плохого качества спая; пробой
полупроводникового элемента ввиду превышения номинального напряжения
питания.
Постепенные отказы возникают в результате постепенного износа или
старения, или из-за постепенного изменения факторов, влияющих на основные
параметры объекта.
Возможность использования объекта после отказа:
Полный отказ - отказ, после возникновения которого использование
объекта по назначению невозможно до восстановления его работоспособности.
Частичный отказ - отказ, после возникновения которого использование
объекта по назначению возможно, но при этом значения одного или нескольких
основных параметров находятся вне допустимых пределов.
Например, обрыв проводника приводит к полному отказу, который
устраняется только после восстановления работоспособности (проведения
ремонта).
Пример частичного отказа - пример 2 §1.1. Один из основных параметров быстродействие ЭВМ V(t). Если V(t)<Vmin, то расчет на ЭВМ будет произведен,
но за большее время. Однако, если АСНИ функционирует в режиме реального
времени, то возникновение события V(t)<Vmin приведет к полному отказу, т.к.
ЭВМ не может быть использована по назначению.
Связь между отказами:
Независимый отказ - отказ элемента объекта, не обусловленный
повреждениями или отказами других элементов объекта.
Зависимый
отказ
-
отказ
элемента
объекта,
обусловленный
повреждениями или отказами других элементов объекта.
Устойчивость отказа:
Устойчивый отказ - отказ, который может быть устранен только в
результате ремонта объекта. Он является следствием необратимых процессов в
объекте.
Самоустраняющийся отказ - отказ, который может быть устранен без
вмешательства обслуживающего персонала вследствие самопроизвольного
устранения причины, его вызвавшей.
Сбой - самоустраняющийся отказ, приводящий к кратко- временной утрате
работоспособности.
Перемежающийся отказ - многократно возникающий сбой.
Самоустраняющиеся
отказы
особо
неприятны
из-за
трудности
обнаружения причин, их вызывающих.
Причина возникновения отказа:
Конструкционный отказ - отказ, возникающий вследствие ошибок
конструктора или несовершенства методов конструирования.
Производственный отказ - отказ, возникший вследствие нарушения или
несовершенства технологического процесса изготовления или ремонта объекта.
Эксплуатационный отказ - отказ, возникший вследствие нарушения
установленных
правил
эксплуатации
непредусмотренных внешних воздействий.
или
вследствие
влияния