Графики ВБР и ВО приведены на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Графики вероятности безотказной работы и вероятности отказов

Плотность распределения отказов (ПРО)

Статистическое определение ПРО:

[ед. наработки -1 ], (6)

т.е. ПРО есть отношение числа объектов, отказавших в интервале наработки к произведению общего числа объектов n D t .

Поскольку D n(t, t+ D t)= n(t+ D t)-n(t), где n(t+ D t) - число объектов, отказавших к моменту наработки t+ D t , то ПРО можно представить:

где -оценка ВО в интервале наработки, т.е. приращения ВО за D t.

ПРО по смыслу представляет частоту отказов, т.е. число отказов за единицу наработки, отнесенное к первоначальному числу объектов.

Вероятностное определение ПРО следует из (7) при стремлении интервала наработки D t ® 0 и N ® ¥

ПРО по существу является плотностью распределения случайной величины T наработки до отказа объекта. Один из возможных видов графика f(t) приведен на рис. 3 .

Интенсивность отказов (ИО)

Статистическое определение ИО описывается формулой

[ ед.наработки -1 ] (9)

т.е. ИО есть отношение числа объектов D n , отказавших в интервале наработки к произведению числа исправных объектов на момент t на длительность интервала наработки D t.

Сравнивая (6) и (9) можно отметить, что ИО несколько полнее характеризует надежность объекта на момент наработки t , т.к. показывает частоту отказов, отнесенную к фактически работоспособному числу объектов на момент наработки t .

Вероятностное определение ИО получим, умножив и поделив правую часть выражения (9) на N

С учетом (7) , , можно представить

,

откуда при стремлении D t ® 0 (интервала наработки) и N ® ¥ получаем: (10)

Возможные виды графиков приведены на рис. 2.4.

Рис. 2.4.

Средняя наработка до отказа

Рассмотренные выше показатели надежности P(t), Q(t), f(t) и полностью описывают случайную величину наработки до отказа T={t} . В тоже время для решения ряда практических задач бывает достаточно знать некоторые числовые характеристики этой случайной величины и, в первую очередь, среднюю наработку до отказа.

Статистическое определение средней наработки до отказа

где t i - наработка до отказа i -го объекта.

При вероятностном определении средняя наработка до отказа представляет собой математическое ожидание (МО) случайной величины Т , и поэтому, как всякое МО, определяется:

. (12)

Очевидно, что с увеличением выборки испытаний (N ® ¥) средняя арифметическая наработка (оценка) сходится по вероятности с МО наработки до отказа.

В то же время средняя наработка не может полностью характеризовать безотказность объекта. Так при равных средних наработках до отказа надежность объектов 1 и 2 может весьма существенно различаться (рис. 2.5).

f(t) – плотность распределения отказов ПРО

Рис. 2.5. Различие кривых ПРО при одинаковой средней наработке до отказа

2.2.2 Математические модели надёжности

Для решения задач по оценке надежности и прогнозированию работоспособности объекта необходимо иметь математическую модель, которая представлена аналитическими выражениями одного из показателей: P(t) или f(t ) или . Основной путь для получения модели состоит в проведении испытаний, вычислении статистических оценок и их аппроксимации аналитическими функциями.

Опыт эксплуатации показывает, что изменение ИО подавляющего большинства объектов описывается U -образной кривой (рис. 2.6).

Рис. 2.6 – Кривая изменения интенсивности отказа объекта

Эту кривую можно условно разделить на три характерных участка: первый - период приработки объекта, второй – нормальная эксплуатация, третий - старение.

Период приработки объекта имеет повышенную ИО, вызванную приработочными отказами, обусловленными дефектами производства, монтажа, наладки. Иногда с окончанием этого периода связывают гарантийное обслуживание объекта, когда устранение отказов производится изготовителем.

В период нормальной эксплуатации ИО уменьшается и практически остается постоянной, при этом отказы носят случайный характер и появляются внезапно, прежде всего из-за несоблюдения условий эксплуатации, случайных изменений нагрузки, неблагоприятных внешних факторов и т. п. Именно этот период соответствует основному времени эксплуатации объекта.

Возрастание ИО относится к периоду старения объекта и вызвано увеличением числа отказов от износа, старения и других причин, связанных с длительной эксплуатацией.

Вид аналитической функции, описывающей изменение показателей надежности P(t) , f(t) или (t) , определяет закон распределения случайной величины, который выбирается в зависимости от свойств объекта, его условий работы и характера отказов.

Экспоненциальное распределение

Экспоненциальный (показательный) закон распределения называемый также основным законом надёжности, часто используют для прогнозирования надежности в период нормальной эксплуатации изделий, когда постепенные отказы еще не проявились и надежность характеризуется внезапными отказами. Эти объекты можно отнести к «не стареющим», поскольку они работают только на участке с =l =const (рис.2.6). Отказы вызываются неблагоприятным стечением многих обстоятельств и поэтому имеют постоянную интенсивность. Экспоненциальное распределение описывает наработку на отказ тех объектов, у которых в результате сдаточных испытаний (выходного контроля) отсутствует период приработки, а назначенный ресурс установлен до окончания периода нормальной эксплуатации.

Плотность распределения экспоненциального закона описывается соотношением

,

функция распределения этого закона - соотношением

,

функция надёжности

математическое ожидание случайной величины T

,

дисперсия случайной величины T

.

Экспоненциальный закон в теории надёжности нашел широкое применение, так как он прост для практического использования. Почти все задачи, решаемые в теории надёжности, при использовании экспоненциального закона оказываются намного проще, чем при использовании других законов распределения. Основная причина такого упрощения состоит в том, что при экспоненциальном законе вероятность безотказной работы зависит только от длительности интервала и не зависит от времени предшествующей работы.

Экспоненциальное распределение широко применяется для оценки надежности энергетических объектов.

Графики изменения показателей надёжности при экспоненциальном распределении приведены на рис.2.7 .

Рис. 2.7.

Нормальное распределение

Нормальное распределение является наиболее универсальным, удобным и широко применяемым. Считается, что наработка объекта подчинена нормальному распределению (нормально распределена), если ПРО описывается выражением:

,

где a и b - параметры распределения, соответственно, МО и СКО, которые по результатам испытаний принимаются: , где и - оценки средней наработки до отказа и дисперсии ( - СКО).

Т.о. ПРО имеет вид

. ( - МО наработки).

Колоколообразная кривая плотности распределения приведена на рис. 2.8.

Интегральная функция распределения имеет вид

.

Рис. 2.8 Кривые плотности вероятности (а) и

функции надежности (б) нормального распределения

Вычисление интегралов заменяют использованием таблиц нормального распределения, при котором = 0 и s = 1. Для этого распределения функция плотности распределения отказов имеет одну переменную t и выражается зависимостью

Величина t является центрированной (так как = 0) и нормированной (так как σ t = 1).

Функция распределения соответственно запишется в виде:

Значение функции распределения определяется формулой

F ( t ) = 0,5 + Ф( u ) = Q ( t ) ;

где Ф – функция Лапласа, u = (t - T 0)/s - квантиль нормированного нормального распределения. Т.е. функция распределения представляет собой ВО.

При использовании функции Лапласа вместо интегральной функции распределения F 0 (t ) имеем

,

ВО и ВБР, выраженные через функцию Лапласа, имеют вид

, (Ф от (и ), а не умножить!!!)

.

Вероятность попадания случайной величины Х в заданный интервал значений от α до β вычисляют по формуле

.

Значения функции Лапласа Ф и u – табулированы.

Общий характер изменения показателей надёжности при нормальном распределении приведён на рис. 2.9 .

Рис. 2.9.

Нормальный закон распределения часто называют законом Гаусса. Этот закон играет важную роль и наиболее часто используется на практике по сравнению с другими законами распределения.

Основная особенность этого закона состоит в том, что он является предельным законом, к которому приближаются другие законы распределения. В теории надежности его используют для описания постепенных отказов, когда распределение времени безотказной работы в начале имеет низкую плотность, затем максимальную и далее плотность снижается.

Распределение всегда подчиняется нормальному закону, если на изменение случайной величины оказывают влияние многие, примерно равнозначные факторы.

2.2.3 Расчёт характеристик надёжности невосстанавливаемых объектов при основном соединении элементов

Если отказ системы наступает при отказе одного из элементов, то считают, что такая система имеет основное соединение элементов. Тогда ВБР изделия в течение времени t равна произведению ВБР её элементов в течение того же времени

.

Если значения ВБР близки к 1, то с достаточной для практики точностью можно использовать следующую приближённую формулу:

.

Если все элементы равнонадёжны, ИО системы будет

.,

Где N т - число типов элементов.

Если система состоит из нескольких элементов с различными значениями ИО, то среднее значение определяют по формуле

Если элементы функционируют в различных условиях или в различной степени подвержены влиянию внешних воздействующих факторов, то ИО элемента вычисляется по формуле

,

где - ИО эл-та, работающего в нормальных условиях, - поправочные коэф-ты, зависящие от различных факторов.

Поправочный коэф-т позволяет учесть внешние воздействия, главным образом механические перегрузки и влажность, поправочный коэф-т - влияние температуры и внутренних напряжений (как электрических, так и механических).

Если элементы имеют не постоянную ИО, но существуют чётко выраженные временные интервалы, в течение которых ИО Эл-та в основном постоянна, то для расчёта используется т.н. эквивалентная интенсивность отказов. Например, если ИО за период t 1 равна l 1 , за период t 2 равна l 2 и т.д., то общая ИО за период времени Т= t 1 + t 2 + t 3 + t 4 +… будет

2.2.4 Показатели надёжности восстанавливаемых объектов

Большинство сложных технических систем с длительными сроками службы являются восстанавливаемыми, т.е. возникающие в процессе эксплуатации отказы систем устраняют при ремонте. Технически исправное состояние изделий в процессе эксплуатации поддерживают проведением профилактических и восстановительных работ.

Для осуществляемых в процессе эксплуатации изделий работ по поддержанию и восстановлению их работоспособности характерны значительные затраты труда, материальных средств и времени. Как правило, эти затраты за время эксплуатации изделия значительно превышают соответствующие затраты на его изготовление. Совокупность работ по поддержанию и восстановлению работоспособности и ресурса изделий подразделяют на техническое обслуживание , и ремонт, которые, в свою очередь, подразделяют на профилактические работы , осуществляемые в плановом порядке и аварийные, проводимые по мере возникновения отказов или аварийных ситуаций.

Свойство ремонтопригодности изделий влияет на материальные затраты и длительность простоев в процессе эксплуатации. Ремонтопригодность тесно связана с безотказностью и долговечностью изделий. Так, для изделий, с высоким уровнем безотказности, как правило, характерны низкие затраты труда и средств на поддержание их работоспособности.

Показатели безотказности и ремонтопригодности изделий являются составными частями комплексных показателей, таких как коэффициенты готовности К г , оперативной готовности К ОГ и технического использования К т.и. . К показателям надёжности, присущим только восстанавливаемым элементам, следует отнести среднюю наработку на отказ, наработку между отказами, вероятность восстановления, среднее время восстановления, коэффициент готовности, коэффициент оперативной готовности и коэффициент технического использования.

Средняя наработка на отказ - наработка восстанавливаемого элемента, приходящаяся, в среднем, на один отказ в рассматриваемом интервале суммарной наработки или определенной продолжительности эксплуатации:

где t i - наработка элемента до i-го отказа; m - число отказов в рассматриваемом интервале суммарной наработки.

Наработка между отказами определяется объемом работы элемента от i -гo отказа до (i + 1)-го, где i =1, 2,..., m.

Среднее время восстановления одного отказа в рассматриваемом интервале суммарной наработки или определенной продолжительности эксплуатации

где t вi - время восстановления i -го отказа.

Коэффициент готовности К г представляет собой вероятность того, что изделие будет работоспособно в произвольный момент времени, кроме периодов выполнения планового технического обслуживания, когда применение изделия по назначению исключено. Этот показатель является комплексным, так как он количественно характеризует одновременно два показателя: безотказность и ремонтопригодность.

В стационарном (установившемся) режиме эксплуатации и при любом виде закона распределения времени работы между отказами и времени восстановления коэффициент готовности определяют по формуле

,

(Т о - средняя наработка на отказ; Т в - среднее время восстановления одного отказа).

Таким образом, анализ формулы показывает, что надёжность изделия является функцией не только безотказности, но и ремонтопригодности. Это означает, что низкая надёжность может быть несколько компенсирована улучшением ремонтопригодности. Чем выше интенсивность восстановления, тем выше готовность изделия. Если время простоя велико, то готовность будет низкой.

Другой важной характеристикой ремонтопригодности является коэффициент технического использования, который представляет собой отношение наработки изделия в единицах времени за некоторый период эксплуатации к сумме этой наработки и времени всех простоев, обусловленных устранением отказов, техническим обслуживанием и ремонтами за этот период. Коэффициент технического использования представляет собой вероятность того, что изделие будет работать в надлежащем режиме за время Т . Таким образом, К т. и. определяется двумя основными факторами - надёжностью и ремонтопригодностью.

Коэффициент оперативной готовности К ОГ определяется как вероятность того, что объект окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени (кроме планируемых периодов, в течение которых применение объекта по назначению не предусматривается) и, начиная с этого момента, будет работать безотказно в течение заданного интервала времени.

Из вероятностного определения следует, что

К ОГ = К Г *P (t )

Коэффициент технического использования характеризует долю времени нахождения элемента в работоспособном состоянии относительно рассматриваемой продолжительности эксплуатации. Период эксплуатации, для которого определяется коэффициент технического использования, должен содержать все виды технического обслуживания и ремонтов. Коэффициент технического использования учитывает затраты времени на плановые и неплановые ремонты, а также регламенты, и определяется по формуле

K ти = t н /(t н + t в + t р + t о),

где t н - суммарная наработка изделия в рассматриваемый промежуток времени; t в , t р и t о - соответственно суммарное время, затраченное на восстановление , ремонт и техническое обслуживание изделия за тот же период времени.

2.2.5 Резервирование систем

Резервирование - метод повышения надёжности объекта введением дополнительных элементов и функциональных возможностей сверх минимально необходимых для нормального выполнения объектом заданных функций. В этом случае отказ наступает только после отказа основного элемента и всех резервных элементов.

Систему можно представить из ряда ступеней, выполняющих отдельные функции. Задача резервирования состоит в нахождении такого числа резервных образцов оборудования на каждой ступени, которое будет обеспечивать заданный уровень надёжности системы при наименьшей стоимости.

Выбор наилучшего варианта зависит главным образом от того увеличения надёжности, которое можно достичь при заданных расходах

Основной элемент - элемент основной физической структуры объекта, минимально необходимой для нормального выполнения объектом его задач.

Резервный элемент - элемент, предназначенный для обеспечения работоспособности объекта в случае отказа основного элемента.

Виды резервирования

Структурное (элементное) резервирование - метод повышения надёжности объекта, предусматривающий использование избыточных элементов, входящих в физическую структуру объекта. Обеспечивается подключением к основной аппаратуре резервной таким образом, чтобы при отказе основной аппаратуры резервная продолжала выполнять ее функции.

Резервирование функциональное - метод повышения надёжности объекта, предусматривающий использование способности элементов выполнять дополнительные функции вместо основных, и наряду с ними.

Временное резервирование - метод повышения надёжности объекта, предусматривающий использование избыточного времени, выделенного для выполнения задач. Другими словами, временное резервирование - такое планирование работы системы, при котором создается резерв рабочего времени для выполнения заданных функций. Резервное время может быть использовано для повторения операции, либо для устранения неисправности объекта.

Информационное резервирование - метод повышения надёжности объекта, предусматривающий использование избыточной информации сверх минимально необходимой для выполнения задач.

Нагрузочное резервирование - метод повышения надёжности объекта, предусматривающий использование способности его элементов воспринимать дополнительные нагрузки сверх номинальных.

С позиций расчёта и обеспечения надёжности технических систем необходимо рассматривать структурное резервирование.

Способы структурного резервирования

По способу подключения резервных элементов и устройств различают следующие способы резервирования (рис. 2.10).

Резервирование раздельное (поэлементное) с постоянным включением резервных элементов (рис.2.11).

Рис. 2.11 Резервирование раздельное с постоянным

включением резервных элементов

Такое резервирование возможно тогда, когда подключение резервного элемента не существенно изменяет рабочий режим устройства. Достоинство его - постоянная готовность резервного элемента, отсутствие затраты времени на переключение. Недостаток - резервный элемент расходует свой ресурс так же, как основной элемент.

Рис. 2.10 Классификация способов структурного резервирования

Резервирование раздельное с замещением отказавшего элемента одним резервным элементом (рис. 2.12). Это такой способ резервирования, при котором резервируются отдельные элементы объекта или их группы.

Рис. 2.12 Резервирование раздельное с замещением

отказавшего элемента

В этом случае резервный элемент находится в разной степени готовности к замене основного элемента. Достоинство этого способа - резервный элемент сохраняет свой рабочий ресурс, либо может быть использован для выполнения самостоятельной задачи. Рабочий режим основного устройства не искажается. Недостаток - необходимость затрачивать время на подключение резервного элемента. Резервных элементов может быть меньше, чем основных.

Отношение числа резервных элементов к числу резервируемых называется кратностью резервирования - m . При резервировании с целой кратностью величина m есть целое число, при резервировании с дробной кратностью величина m есть дробное несокращаемое число. Например, m =4/2 означает наличие резервирования с дробной кратностью, при котором число резервных элементов равно четырем, число основных - двум, а общее число элементов равно шести. Сокращать дробь нельзя , так как если m =4/2=2/1, то это означает, что имеет место резервирование с целой кратностью, при котором число резервных элементов равно двум, а общее число элементов равно трём.

При включении резерва по способу замещения резервные элементы до момента включения в работу могут находиться в трёх состояниях:

Нагруженном («горячем») резерве;

Облегченном («тёплом») резерве;

Ненагруженном («холодном») резерве.

Нагруженный («горячий») резерв - резервный элемент, находящийся в том же режиме, что и основной.

Облегченный («тёплый») резерв - резервный элемент, находящийся в менее нагруженном режиме, чем основной.

Ненагруженный («холодный») резерв - резервный элемент, практически не несущий нагрузок.

Резервирование общее с постоянным подключением, либо с замещением (рис. 2.13). В этом случае резервируется объект в целом, а в качестве резервного - используется аналогичное сложное устройство. Этот способ менее экономен, чем раздельное резервирование. При отказе, например, первого основного элемента возникает необходимость подключать всю технологическую резервную цепочку.

Рис. 2.13 - Резервирование общее

Резервирование мажоритарное ("голосование" n из m элементов) (рис. 2.14). Этот способ основан на применении дополнительного элемента - его называют мажоритарный или логический или кворум-элемент. Он позволяет вести сравнение сигналов, поступающих от элементов, выполняющих одну и ту же функцию. Если результаты совпадают, тогда они передаются на выход устройства. На рис. 2.14 изображено резервирование по принципу голосования "два из трёх", т.е. любые два совпадающих результата из трёх считаются истинными и проходят на выход устройства. Можно применять соотношения три из пяти и др. Главное достоинство этого способа - обеспечение повышения надёжности при любых видах отказов работающих элементов. Любой вид одиночного отказа элемента не окажет влияния на выходной результат.

Эффективно в системах управления процессами.

Рис. 2.14 - Резервирование мажоритарное

2.2.6 Типовые структуры расчета надёжности

Под структурной схемой надёжности понимается наглядное представление (графическое или в виде логических выражений) условий, при которых работает или не работает исследуемый объект (система, устройство, технический комплекс и т.д.). Типовые структурные схемы представлены на рис. 2.15.

Рис. 2.15 - Типовые структуры расчёта надёжности

Простейшей формой структурной схемы надёжности является параллельно-последовательная структура. На ней параллельно соединяются элементы, совместный отказ которых приводит к отказу. В последовательную цепочку соединяются такие элементы, отказ любого из которых приводит к отказу объекта.

На рис. 2.15,а представлен вариант параллельно-последовательной структуры. По этой структуре можно сделать следующее заключение. Объект состоит из пяти частей. Отказ объекта наступает тогда, когда откажет или элемент 5, или узел, состоящий из элементов 1-4. Узел может отказать тогда, когда одновременно откажет цепочка, состоящая из элементов 3,4 и узел, состоящий из элементов 1,2. Цепь 3-4 отказывает, если откажет хотя бы один из составляющих ее элементов, а узел 1,2 - если откажут оба элемента, т.е. элементы 1,2. Расчёт надёжности при наличии таких структур отличается наибольшей простотой и наглядностью.

В тех случаях, когда условие работоспособности не удаётся представить в виде простой параллельно-последовательной структуры используют или логические функции, или графы и ветвящиеся структуры, по которым оставляются системы уравнений работоспособности.

2.2.6.1 Расчёт надёжности, основанный на использовании параллельно-последовательных структур

На рис. 2.16 представлено параллельное соединение элементов 1, 2, 3. Это означает, что устройство, состоящее из этих элементов, переходит в состояние отказа после отказа всех элементов при условии, что все элементы системы находятся под нагрузкой, а отказы элементов статистически независимы.

Рис. 2.16. Блок-схема системы с параллельным соединением элементов

Условие работоспособности устройства можно сформулировать следующим образом: устройство работоспособно, если работоспособен элемент 1 или элемент 2, или элемент 3, или элементы 1 и 2, 1; и 3, 2; и 3, 1; и 2; и 3.

Вероятность безотказного состояния устройства, состоящего из n параллельно соединённых элементов определяется по теореме сложения вероятностей совместных случайных событий как

,

т.е. при параллельном соединении независимых (в смысле надёжности) элементов их ненадёжности () перемножаются.

Интенсивность отказов (при интенсивности отказов элементов λ i ), определяется как

.

В случае, когда интенсивности отказов всех элементов одинаковы, среднее время безотказной работы системы Т 0

2.2.6.2 Включение резервного оборудования системы замещением

В данной схеме включения n одинаковых образцов оборудования только один находится все время в работе (рис. 2.17). Когда работающий образец выходит из строя, его непременно отключают, и в работу вступает один из резервных (запасных) элементов. Этот процесс продолжается до тех пор, пока все резервные образцы не будут исчерпаны.

Рис. 2.17 - Блок-схема системы включения резервного оборудования замещением

Примем для этой системы следующие допущения:

1. Отказ системы происходит, если откажут все n элементов.

2. Вероятность отказа каждого образца оборудования не зависит от состояния остальных (n -1) образцов (отказы статистически независимы).

3. Отказывать может только оборудование, находящееся в работе, и условная вероятность отказа в интервале (t , t+dt) равна λ dt ; запасное оборудование не может выходить из строя до того, как оно будет включено в работу.

4. Переключающие устройства считаются абсолютно надёжными.

5. Все элементы идентичны. Резервные элементы имеют характеристики как новые.

Система способна выполнять требуемые от нее функции, если исправен по крайней мере один из n образцов оборудования. В этом случае при экспоненциальном законе и «холодном» резерве надёжность равна просто сумме вероятностей состояний системы, исключая состояние отказа, т.е.

т – кратность резервирования.

,

Где λ и Т 0 – ИО и средняя наработка до первого отказа основного устройства.

При «горячем» резерве –

,

2.3 Методы обеспечения надёжности сложных систем

2.3.1 Конструктивные способы обеспечения надёжности

Одной из важнейших характеристик сложных технических систем является их надёжность. Требования к количественным показателям надёжности возрастают тогда, когда отказы технической системы приводят к большим затратам материальных средств, либо угрожают безопасности (например, при создании атомных лодок, самолётов или изделий военной техники). Один из разделов технического задания на разработку системы - раздел, определяющий требования к надёжности. В этом разделе указывают количественные показатели надёжности, которые необходимо подтверждать на каждом этапе создания системы.

На этапе разработки технической документации, являющейся комплектом чертежей, технических условий, методик и программ испытаний, выполнение научно-исследовательских расчётов, подготовки эксплуатационной документации и обеспечение надёжности осуществляют способами рационального проектирования и расчётно-экспериментальными методами оценки надёжности.

Существуют несколько методов, с помощью которых можно повысить конструктивную надёжность сложной технической системы. Конструктивные методы повышения надёжности предусматривают создание запасов прочности металлоконструкций, облегчение режимов работы электроавтоматики, упрощение конструкции, использование стандартных деталей и узлов, обеспечение ремонтопригодности, обоснованное использование методов резервирования.

Анализ и прогнозирование надёжности на стадии проектирования даёт необходимые данные для оценки конструкции. Такой анализ проводят для каждого варианта конструкции, а также после внесения конструктивных изменений. При обнаружении конструктивных недостатков, снижающих уровень надёжности системы, проводят конструктивные изменения и корректируют техническую документацию.

2.3.2 Технологические способы обеспечения надёжности изделий в процессе изготовления

Одним из основных мероприятий на стадии серийного производства, направленных на обеспечение надёжности технических систем, является стабильность технологических процессов. Научно обоснованные методы управления качеством продукции позволяют своевременно давать заключение о качестве выпускаемых изделий. На предприятиях промышленности применяют два метода статистического контроля качества: текущий контроль технологического процесса и выборочный метод контроля.

Метод статистического контроля (регулирования) качества позволяет своевременно предупреждать брак в производстве и, таким образом, непосредственно вмешиваться в технологический процесс.

Выборочный метод контроля не оказывает непосредственного влияния на производство, так как он служит для контроля готовой продукции, позволяет выявить объём брака, причины его возникновения в технологическом процессе или же качественные недостатки материала.

Анализ точности и стабильности технологических процессов позволяет выявить и исключить факторы, отрицательно влияющие на качество изделия. В общем случае, контроль стабильности технологических процессов можно проводить следующими методами: графоаналитическим с нанесением на диаграмму значений измеряемых параметров; расчётностатистическим для количественной характеристики точности и стабильности технологических процессов; а также прогнозирования надёжности технологических процессов на основе количественных характеристик приведенных отклонений.

2.3.3 Обеспечение надёжности сложных технических систем в условиях эксплуатации

Надёжность технических систем в условиях эксплуатации определяется рядом эксплуатационных факторов, таких как, квалификация обслуживающего персонала, качество и количество проводимых работ по техническому обслуживанию, наличие запасных частей, использование измерительной и проверочной аппаратуры, а также наличие технических описаний и инструкций по эксплуатации.

В первом приближении можно принять, что все отказы, возникающие в процессе эксплуатации, являются независимыми. Поэтому надёжность всей системы при предположении независимости отказов равна:

Р = Р 1 * Р 2 * Р 3

где Р 1 ; Р 2 ; Р 3 - вероятности безотказной работы системы соответственно по непрогнозируемым внезапным отказам, внезапным отказам, которые могут быть предотвращены при своевременном техническом обслуживании, и постепенным отказам.

Одной из причин отсутствия отказов элементов системы является качественное техническое обслуживание, которое направлено на предотвращение прогнозируемых внезапных отказов. Вероятность безотказной работы системы, обусловленная качеством обслуживания, равна:

где P i об – вероятность безотказной работы i –го элемента, связанная с техническим обслуживанием.

По мере совершенствования обслуживания значение вероятности безотказной работы Р об приближается к единице.

Замена элементов с возрастающей во времени интенсивностью отказов возможна во всех сложных технических системах. С целью уменьшения во времени интенсивности отказов вводят техническое обслуживание системы, которое позволяет обеспечить поток отказов у сложных систем с конечной интенсивностью в течение заданного срока эксплуатации, т.е. сделать близким к постоянному.

В процессе эксплуатации при техническом обслуживании интенсивность отказов системы, с одной стороны, имеет тенденцию к увеличению, а с другой стороны, - тенденцию к уменьшению в зависимости от того, на каком уровне проведено обслуживание. Если техническое обслуживание проведено качественно, то интенсивность отказов уменьшается, а если это обслуживание проведено плохо, то увеличивается.

Используя накопленный опыт, можно всегда выбрать тот или иной объем функционирования, который обеспечит нормальную работу системы до очередного технического обслуживания с заданной вероятностью безотказной работы. Или, наоборот, задаваясь последовательностью объемов функционирования, можно определить приемлемые сроки проведения технического обслуживания, обеспечивающего работу системы на заданном уровне надёжности.

2.3.4 Пути повышения надёжности сложных технических систем при эксплуатации

Для повышения надёжности сложных технических систем в условиях эксплуатации проводят ряд мероприятий, которые можно подразделить на следующие четыре группы:

1) разработку научных методов эксплуатации;

2) сбор, анализ и обобщение опыта эксплуатации;

3) связь проектирования с производством изделий;

4) повышение квалификации обслуживающего персонала.

Научные методы эксплуатации включают в себя научно обоснованные методы подготовки изделия к работе, проведения технического обслуживания, ремонта и других мероприятий по повышению надёжности сложных технических систем в процессе их эксплуатации. Порядок и технологию проведения этих мероприятий описывают в соответствующих руководствах и инструкциях по эксплуатации конкретных изделий. Более качественное выполнение эксплуатационных мероприятий по обеспечению надёжности изделий машиностроения обеспечивается результатами статистического исследования надёжности этих изделий. При эксплуатации изделий большую роль играет накопленный опыт. Значительную часть опыта эксплуатации используют для решения частных организационно-технических мероприятий. Однако накопленные данные необходимо использовать не только для решения задач сегодняшнего дня, но и для создания будущих изделий с высокой надёжностью.

Большое значение имеет правильная организация сбора сведений об отказах. Содержание мероприятий по сбору таких сведений определяется типом изделий и особенностями эксплуатации этих изделий. Возможными источниками статистической информации могут быть сведения, полученные по результатам различных видов испытаний и эксплуатации, которые оформляются периодически в виде отчетов о техническом состоянии и надёжности изделий.

Изучение особенностей их поведения дает возможность использовать накопленные данные для проектирования будущих изделий. Таким образом, сбор и обобщение данных об отказах изделий - одна из важнейших задач, на которую должно быть обращено особое внимание.

Эффективность эксплуатационных мероприятий во многом зависит от квалификации обслуживающего персонала. Однако влияние этого фактора неодинаково. Так, например, при выполнении в процессе обслуживания довольно простых операций влияние высокой квалификации работника сказывается мало, и наоборот, квалификация обслуживающего персонала играет большую роль при выполнении сложных операций, связанных с принятием субъективных решений (например, при регулировании клапанов и систем зажигания в автомобилях, при ремонте телевизора и т.д.).

2.3.5 Организационно-технические методы по восстановлению и поддержанию надёжности техники при эксплуатации

Известно, что в процессе эксплуатации изделие определенное время используют по назначению для выполнения соответствующей работы, некоторое время она транспортируется и хранится, а часть времени идет на техническое обслуживание и ремонт. При этом для сложных технических систем в нормативно-технической документации устанавливают виды технических обслуживании (TO-1, TO-2,...) и ремонтов (текущий, средний или капитальный).

На стадии эксплуатации изделий проявляются технико-экономические последствия низкой надёжности, связанные с простоями техники и затратами на устранение отказов и приобретение запасных частей. С целью поддержания надёжности изделий на заданном уровне в процессе эксплуатации необходимо проводить комплекс мероприятий, который может быть представлен в виде двух групп - мероприятия по соблюдению правил и режимов эксплуатации; мероприятия по восстановлению работоспособного состояния.

К первой группе мероприятий относятся обучение обслуживающего персонала, соблюдение требований эксплуатационной документации, последовательности и точности проводимых работ при техническом обслуживании, диагностический контроль параметров и наличие запасных частей, осуществление авторского надзора и т.п.

К основным мероприятиям второй группы относятся корректирование системы технического обслуживания, периодический контроль за состоянием изделия и определение средствами технического диагностирования остаточного ресурса и предотказного состояния, внедрение современной технологии ремонта, анализ причин отказов и организация обратной связи с разработчиками и изготовителями изделий.

Многие изделия значительную часть времени эксплуатации находятся в состоянии хранения, т.е. не связаны с выполнением основных задач. Для изделий, работающих в таком режиме, преобладающая часть отказов связана с коррозией, а также воздействием пыли, грязи, температуры и влаги. Для изделий, находящихся значительную часть времени в эксплуатации, преобладающая часть отказов связана с износом, усталостью или механическим повреждением деталей и узлов. В состоянии простоя интенсивность отказов элементов существенно меньше, чем в рабочем состоянии. Так, например, для электромеханического оборудования это соотношение соответствует 1:10, для механических элементов это соотношение составляет 1:30, для электронных элементов 1:80.

Необходимо отметить, что с усложнением техники и расширением областей её использования возрастает роль этапа эксплуатации техники в суммарных затратах на создание и использование технических систем. Затраты на поддержание в работоспособном состоянии за счет технических обслуживании и ремонтов превышают стоимость новых изделий в следующее число раз: тракторов и самолетов в 5-8 раз; металлорежущих станков в 8-15 раз; радиоэлектронной аппаратуры в 7-100 раз.

Техническая политика предприятий должна быть направлена на снижение объемов и сроков проведения работ по техническому обслуживанию и ремонту техники за счет повышения надёжности и долговечности основных узлов.

Консервация машины в состоянии поставки помогает сохранить её работоспособность, как правило, в течение 3-5 лет. Для поддержания надёжности машины в процессе эксплуатации на заданном уровне объем производства запасных частей должен составлять 25-30 % стоимости машин.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ДИЗАЙНА

ВЫСШАЯ ШКОЛА ТЕХНОЛОГИИ И ЭНЕРГЕТИКИ

ИНСТИТУТ БЕЗОТРЫВНЫХ ФОРМ ОБУЧЕНИЯ

заочная ускоренная форма обучения

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

По предмету: Диагностика надежности автоматизированных систем

Реферат на тему: Основные показатели надежности технических систем. ГОСТы.

Студента

Рулькова Александра Валентиновича

Оглавление

• Введение

Введение

Техника в современном мире развивается очень скоростными темпами, и характерной особенностью этого развития является повсеместное внедрение методов и средств автоматики и телемеханики, вызванное переходом на автоматизированное и автоматическое управление различными производственными и технологическими процессами, создание гибких производственных модулей, систем, комплексов и тому подобное. В условиях современной экономики автоматизация производственных процессов является одним из основных направлений технического прогресса. И, конечно, повышение эффективности и качества проектируемых автоматизированных систем управления невозможно без повышения надежности технических средств управления (ТСУ). Таким образом, все это является главной причиной возрастания фактора надежности в современных условиях развития техники и, в частности, проектировании технических систем (ТС) различного назначения. Второй причиной, требующей повышения надежности, является возрастание сложности ТС, аппаратуры их обслуживания, жесткости условий их эксплуатации и ответственности задач, которые на них возлагаются. Недостаточная надежность ТС является причиной увеличения доли эксплуатационных затрат по сравнению с общими затратами на проектирование, производство и применение этих систем. При этом стоимость эксплуатации ТС может во много раз превзойти стоимость их разработки и изготовления. Кроме того, отказы ТС приводят различного рода последствиям: потерям информации, простоям сопряженных с ТС других устройств и систем, к авариям и т.д. Таким образом, третьей причиной повышения роли надежности в современных условиях является экономический фактор. И, наконец, последнее. В конечном счете, надежность ТС определяется надежностью комплектующих элементов. Поэтому знание основных вопросов надежности элементной базы является в настоящее время необходимым условием успешной работы в области информатики и управления и особенно это относится к будущим специалистам разработчикам аппаратуры автоматики и телемеханики, разработчикам ТС и ТСУ.

показатель надежность техническая система

1. Количественные характеристики технических систем

1.1 Основные понятия и определения теории надежности

Теория надежности опирается на совокупность различных понятий, определений, терминов и показателей, которые строго регламентируются в ГОСТ 27.002-89 (Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения).

В теории надежности используются следующие понятия и термины:

Система - это технический объект, предназначенный для выполнения определенных функций. Отдельные части системы (конструктивно обособленные, как правило) называются элементами. Однако необходимо заметить, что один и тот же объект в зависимости от той задачи, которую хочет решить конструктор (исследователь, проектировщик, разработчик), может рассматриваться как система или как элемент. Следовательно, можно дать еще одно более полное определение элемента.

Элемент - это объект, представляющий собой простейшую часть системы, отдельные части которой не представляют самостоятельного интереса в рамках конкретного рассмотрения. При проектировании - система (устройство) должна удовлетворять всем техническим требованиям. Эти требования можно разделить на: основные , обеспечивающие выполнение заданных функций; вспомогательные , связанные, с удобством эксплуатации, внешним видом и т.д.

В соответствии с этим все элементы системы делят на основные и вспомогательные. Вспомогательные элементы не связаны непосредственно с выполнением заданных функций системы и не влияют на возникновение отказа. В теории надежности любой технической объект, можно охарактеризовать его свойствами, техническим состоянием и приспособленностью к восстановлению после потери работоспособности.

Рис. 1. Основные характеристики ТС.

Основные определения, используемые для расчета надежности ТС.

Надежность - свойство ТС выполнять заданные функции, сохраняя во времени значение устанавливаемых эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, хранения и транспортировки. Надежность включает в себя следующие свойства: безотказность, долговечность, сохраняемость и ремонтопригодность.

Безотказность - свойство ТС непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки. Свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов называется долговечностью .

Сохраняемость - это свойство ТС непрерывно сохранять исправное и работоспособное состояние в течение и после хранения и транспортирования. Продолжительное хранение и транспортирование объектов могут снизить их надежность при последующей работе по сравнению с объектами, которые не подвергаются хранению и транспортировке.

Ремонтоспособность - свойство объекта, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений и устранению их последствий путем проведения ремонта и технического обслуживания. Данное свойство является очень важным, т.к. оно характеризует степень стандартизации и унификации элементов ТС, удобство их размещения с точки зрения доступности для контроля и ремонта, приспособляемость к регулировочным операциям и т.д. Техническое состояние ТС в данный момент времени характеризуется исправностью или неисправностью , работоспособностью или неработоспособностью , а также предельным состоянием.

Исправность ( исправное состояние ) ТС - такое состояние, при котором ТС соответствует всем требованиям, установленным нормативно-технической документацией (НТД). ТС находится в неисправном состоянии, если она не соответствует хотя бы одному из этих требований. И наоборот, если ТС находится в состоянии, при котором она способна выполнить заданные функции, сохраняя значения заданных параметров в пределах, установленных нормативно-технической документацией (НТД), то она находится в работоспособном состоянии.

Неработоспособным состоянием ТС называется состояние, при котором значение хотя бы одного заданного параметра, характеризующего их лакокрасочное покрытие, способность выполнять заданные функции, не соответствует установленным требованием НТД. Понятие исправности шире понятия работоспособности. Неисправная ТС может быть работоспособной и неработоспособной - все зависит от того, какому требованию НТД не удовлетворяет данная ТС. Так, например, если погнут кожух или шасси, нарушено их лакокрасочное покрытие, повреждена изоляция проводников, однако параметры аппаратуры находятся в пределах нормы, то ТС считается неисправной, но в то же время работоспособной. Исправная ТС всегда работоспособна.

При длительной эксплуатации ТС может достигнуть предельного состояния, при котором ее дальнейшая эксплуатация должна быть прекращена из-за неустранимого нарушения требований безопасности, при уходе заданных параметров за установленные пределы, или неустранимого снижения эффективности эксплуатации ниже допустимой, или необходимости проведения ремонта. Исходя из возможности дальнейшего использования после отказа и приспособленности к восстановлению, все ТС можно классифицировать следующим образом

Рис. 2. Классификация объектов ТС.

Восстанавливаемой ТС называется такая ТС, работоспособность которой в случае возникновения отказа подлежит восстановлению в рассматриваемой ситуации, если же в рассматриваемой ситуации восстановление работоспособности данной ТС при ее отказе является нецелесообразным или неосуществимым, то система называется невосстанавливаемой .

Ремонтируемой ТС называется система, неисправность или работоспособность которой в случае возникновения отказа или повреждения подлежат восстановлению. В противном случае, объект называется неремонтируемым (простейшим примером неремонтируемого объекта служат электролампочки). Неремонтируемое устройство всегда является и невосстанавливаемым (например, резистор, конденсатор, и т.п.). В то же время, ремонтируемое устройство может быть, как восстанавливаемым, так и невосстанавливаемым - все зависит от существующей системы технического обслуживания и ремонта, конкретной ситуации в момент отказа. Например, в условии эксплуатации телевизоров, отказавший кинескоп является изделием не восстанавливаемым; но на ремонтном заводе - уже восстанавливаемым; отказавший силовой трансформатор может оказаться в руках радиолюбителя восстанавливаемым элементом, если отсутствует запасной трансформатор. Общим понятием является понятие ремонтопригодности.

Ремонтопригодность - свойство объекта, заключающееся в приспособленности к выполнению его ремонта и техобслуживания. Состояние работоспособности устройства в произвольно выбранный момент времени называется готовностью. Если при этом работоспособность устройства будет сохраняться в течение заданного интервала времени, то тогда обеспечивается так называемая оперативная готовность устройства.

2. Повреждения и отказы. Классификация

Другими важными понятиями в теории надежности и практике эксплуатации ТС являются повреждения и отказы.

Повреждение - событие, заключающееся в нарушении исправности ТС или ее составных частей из-за влияния внешних условий, превышающих уровни, установленные НТД.

Отказ - это случайное событие, заключающееся в нарушении работоспособности ТС под влиянием ряда случайных факторов. Повреждение может быть существенным и явиться причиной отказа и несущественным, при котором работоспособность ТС сохраняется. Применительно к отказу и повреждению рассматривают критерий, причину, признаки проявления, характер и последствия. Критерием отказа являются признаки выхода хотя бы одного заданного параметра за установленный допуск. Критерии отказа должны указываться в НТД на объект. Причинами отказа могут быть просчеты, допущенные при конструировании, дефекты производства, нарушения правил и норм эксплуатации, повреждения, а также естественные процессы изнашивания и старения. Признаки отказа или повреждения проявляют непосредственные или косвенные воздействия на органы чувств наблюдателя (оператора) явлений, характерных для неработоспособного состояния объекта, или процессов с ними связанных. Характер отказа или повреждения определяют конкретные изменения, происшедшие в объекте. К последствиям отказа или повреждения относятся явления и события, возникшие после отказа или повреждения и в непосредственной причинной связи с ним. Отказы объектов ТС могут быть разных видов и классифицируются по различным признакам.

Таблица 1. Классификация отказов ТС.

Как видно, понятие надежности является фундаментальным понятием, охватывающим все стороны технической эксплуатации элементов, узлов, блоков и систем. При этом надежность является частью более широкого понятия - эффективности. Эффективность ТС - это свойство системы выполнять заданные функции с требуемым качеством. Причем на эффективность функционирования ТС наряду с надежностью влияют и другие характеристики, такие как точность, быстродействие, помехоустойчивость и т.д. Таким образом, основной задачей при проектировании ТС различного назначения можно назвать повышение эффективности и качества, а, следовательно, улучшение надежности, прочности, быстродействия и т.д.

3. Этапы анализа и показатели надежности ТС

Существуют два основных этапа анализа надежности ТС.

Первый этап называется априорным анализом надежности и обычно проводится на стадии проектирования ТС. Этот анализ - априори предполагает известными количественные характеристики надежности всех используемых элементов системы. Для элементов (особенно новых), у которых еще нет достаточных количественных характеристик надежности, их задают по аналогии с характеристиками применяющихся аналогичных элементов. Таким образом, априорный анализ базируется на априорных (вероятностных) характеристиках надежности, которые лишь приблизительно отражают действительные процессы в аппаратуре ТС. Тем не менее, этот анализ позволяет на стадии проектирования выявить слабые с точки зрения надежности места в конструкции, принять необходимые меры к их устранению, а также отвернуть неудовлетворительные варианты построения ТС. Поэтому априорный анализ (или расчет) надежности имеет существенное значение в практике проектирования ТС и составляет неотъемлемую часть технических проектов.

Второй этап называется апостериорным анализом надежности. Его проводят на основании статистической обработки экспериментальных данных о работоспособности и восстанавливаемости ТС, полученных в процессе их отработки, испытаний и эксплуатации. Целью таких испытаний является получение оценок показателей надежности ТС и ее элементов. Эти оценки получают методами математической статистики по результатам наблюдений (ограниченного объема). При этом чаще всего предполагают, что результаты наблюдений являются случайными величинами, которые подчиняются определенному закону распределения с неизвестными параметрами. В настоящее время для некоторых видов аппаратуры существует обязательный этап испытаний на надежность, включающий оценки ряда показателей надежности. В любом случае под анализом надежности ТС будем понимать определение (вычисление) конкретных значений показателей надежности (априорный анализ), либо статистических оценок показателей надежности (апостериорный анализ). Показателями надежности называются количественные характеристики одного или нескольких свойств, определяющих надежность элемента (системы). Различают два основных вида показателей надежности (ПН).

Единичный ПН - это количественная характеристика одного из рассмотренных ранее свойств надежности.

Комплексный ПН - это количественная характеристика, определяющая два или более свойств надежности одновременно. Выбор ПН во многом зависит от назначения ТС и характера ее функционирования. При выборе ПН следует иметь в виду, что эти показатели должны достаточно полно описывать надежностные свойства системы, быть удобными для аналитического расчета и экспериментальной проверки по результатам испытаний, должны иметь разумный физический смысл и, наконец, допускать возможность перехода к показателям качества и эффективности. Количественная оценка надежности элементов ТС и ТС в целом проводится обычно при помощи единичных ПН безотказности, восстанавливаемости и долговечности, а также комплексных ПН, определяющих свойства безотказности и восстанавливаемости.

4. Показатели надежности технических систем

Показателями надежности называют количественные характеристики одного или нескольких свойств объекта, составляющих его надежность. К таким характеристикам относят, например, временные понятия - наработку, наработку до отказа, наработку между отказами, ресурс, срок службы, время восстановления. Значения этих показателей получают по результатам испытаний или эксплуатации.

По восстанавливаемости изделий показатели надежности подразделяют на показатели для восстанавливаемых изделий и показатели невосстанавливаемых изделий .

Применяются также комплексные показатели . Надежность изделий, в зависимости от их назначения, можно оценивать, используя либо часть показателей надежности, либо все показатели.

Показатели безотказности :

вероятность безотказной работы - вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ объекта не возникает;

средняя наработка до отказа - математическое ожидание наработки объекта до первого отказа;

средняя наработка на отказ - отношение суммарной наработки восстанавливаемого объекта к математическому ожиданию числа его отказов в течение этой наработки;

интенсивность отказов - условная плотность вероятности возникновения отказа объекта, определяемая при условии, что до рассматриваемого момента времени отказ не возник. Этот показатель относится к невосстанавливаемым изделиям.

Показатели долговечности .

Количественные показатели долговечности восстанавливаемых изделий делятся на 2 группы.

1. Показатели, связанные со сроком службы изделия:

срок службы - календарная продолжительность эксплуатации от начала эксплуатации объекта или ее возобновление после ремонта до перехода в предельное состояние;

средний срок службы - математическое ожидание срока службы;

срок службы до первого капитального ремонта агрегата или узла - это продолжительность эксплуатации до ремонта, выполняемого для восстановления исправности и полного или близкого к полному восстановления ресурса изделия с заменой или восстановлением любых его частей, включая базовые;

срок службы между капитальными ремонтами , зависящий преимущественно от качества ремонта, т.е. от того, в какой степени восстановлен их ресурс;

суммарный срок службы - это календарная продолжительность работы технической системы от начала эксплуатации до выбраковки с учетом времени работы после ремонта;

гамма-процентный срок службы - календарная продолжительность эксплуатации, в течение которой объект не достигнет предельного состояния с вероятностью г , выраженной в процентах.

Показатели долговечности, выраженные в календарном времени работы, позволяют непосредственно использовать их в планировании сроков организации ремонтов, поставки запасных частей, сроков замены оборудования. Недостаток этих показателей заключается в том, что они не позволяют учитывать интенсивность использования оборудования.

2. Показатели, связанные с ресурсом изделия:

ресурс - суммарная наработка объекта от начала его эксплуатации или ее возобновление после ремонта до перехода в предельное состояние.

средний ресурс - математическое ожидание ресурса; для технических систем в качестве критерия долговечности используют технический ресурс;

назначенный ресурс - суммарная наработка, при достижении которой эксплуатация объекта должна быть прекращена независимо от его технического состояния;

гамма-процентный ресурс - суммарная наработка, в течение которой объект не достигнет предельного состояния с заданной вероятностью г , выраженной в процентах.

Единицы для измерения ресурса выбирают применительно к каждой отрасли и к каждому классу машин, агрегатов и конструкций отдельно. В качестве меры продолжительности эксплуатации может быть выбран любой неубывающий параметр, характеризующий продолжительность эксплуатации объекта (для самолетов и авиационных двигателей естественной мерой ресурса служит налет в часах, для автомобилей - пробег в километрах, для прокатных станов - масса прокатанного металл в тоннах. Если наработку измерять числом производственных циклов, то ресурс будет принимать дискретные значения.

Комплексные показатели надежности .

Показателем, определяющим долговечность системы, объекта, машины, может служить коэффициент технического использования.

Коэффициент технического использования - отношение математического ожидания суммарного времени пребывания объекта в работоспособном состоянии за некоторый период эксплуатации к математическому ожиданию суммарного времени пребывания объекта в работоспособном состоянии и всех простоев для ремонта и технического обслуживания:

Коэффициент технического использования, взятый за период между плановыми ремонтами и техническим обслуживанием, называется коэффициентом готовности, который оценивает непредусмотренные остановки машины и что плановые ремонты и мероприятия по техническому обслуживанию не полностью выполняют свою роль.

Коэффициент готовности - вероятность того, что объект окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых применение объекта по назначению не предусматривается. Физический смысл коэффициента готовности - это вероятность того, что в прогнозируемый момент времени изделие будет исправно, т.е. оно не будет находиться во внеплановом ремонте.

Коэффициент оперативной готовности - вероятность того, что объект окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых применение объекта по назначению не предусматривается, и, начиная с этого момента, будет работать безотказно в течение заданного интервала времени.

Классификация показателей .

В зависимости от способа получения показатели подразделяют на расчетные, получаемые расчетными методами; экспериментальные, определяемые по данным испытаний; эксплуатационные, получаемые по данным эксплуатации.

В зависимости от области использования различают показатели надежности нормативные и оценочные.

Нормативными называют показатели надежности, регламентированные в нормативно-технической или конструкторской документации.

К оценочным относят фактические значения показателей надежности опытных образцов и серийной продукции, получаемые по результатам испытаний или эксплуатации.

5. Показатели надёжности восстанавливаемых объектов

Большинство сложных технических систем с длительными сроками службы являются восстанавливаемыми, т.е. возникающие в процессе эксплуатации отказы систем устраняют при ремонте. Технически исправное состояние изделий в процессе эксплуатации поддерживают проведением профилактических и восстановительных работ.

Для осуществляемых в процессе эксплуатации изделий работ по поддержанию и восстановлению их работоспособности характерны значительные затраты труда, материальных средств и времени. Как правило, эти затраты за время эксплуатации изделия значительно превышают соответствующие затраты на его изготовление. Совокупность работ по поддержанию и восстановлению работоспособности и ресурса изделий подразделяют на техническое обслуживание, и ремонт, которые, в свою очередь, подразделяют на профилактические работы, осуществляемые в плановом порядке и аварийные, проводимые по мере возникновения отказов или аварийных ситуаций.

Свойство ремонтопригодности изделий влияет на материальные затраты и длительность простоев в процессе эксплуатации. Ремонтопригодность тесно связана с безотказностью и долговечностью изделий. Так, для изделий, с высоким уровнем безотказности, как правило, характерны низкие затраты труда и средств на поддержание их работоспособности.

Показатели безотказности и ремонтопригодности изделий являются составными частями комплексных показателей, таких как коэффициенты готовности К Г , оперативной готовности К ОГ , и технического использования К ТИ . К показателям надёжности, присущим только восстанавливаемым элементам, следует отнести среднюю наработку на отказ, наработку между отказами, вероятность восстановления, среднее время восстановления, коэффициент готовности, коэффициент оперативной готовности и коэффициент технического использования.

Средняя наработка на отказ - наработка восстанавливаемого элемента, приходящаяся, в среднем, на один отказ в рассматриваемом интервале суммарной наработки или определенной продолжительности эксплуатации:

где t i - наработка элемента до i-го отказа; m - число отказов в рассматриваемом интервале суммарной наработки. Наработка между отказами определяется объемом работы элемента от i - гo отказа до (i + 1) - го, где i =1, 2,., m. Среднее время восстановления одного отказа в рассматриваемом интервале суммарной наработки или определенной продолжительности эксплуатации

где t bi - время восстановления i - го отказа. Коэффициент готовности К Г представляет собой вероятность того, что изделие будет работоспособно в произвольный момент времени, кроме периодов выполнения планового технического обслуживания, когда применение изделия по назначению исключено. Этот показатель является комплексным, так как он количественно характеризует одновременно два показателя: безотказность и ремонтопригодность. В стационарном (установившемся) режиме эксплуатации и при любом виде закона распределения времени работы между отказами и времени восстановления коэффициент готовности определяют по формуле

К Г = Т О / ( Т О + Т В ),

( Т О - средняя наработка на отказ; Т В - среднее время восстановления одного отказа).

Таким образом, анализ формулы показывает, что надёжность изделия является функцией не только безотказности, но и ремонтопригодности. Это означает, что низкая надёжность может быть несколько компенсирована улучшением ремонтопригодности. Чем выше интенсивность восстановления, тем выше готовность изделия. Если время простоя велико, то готовность будет низкой.

Другой важной характеристикой ремонтопригодности является коэффициент технического использования, который представляет собой отношение наработки изделия в единицах времени за некоторый период эксплуатации к сумме этой наработки и времени всех простоев, обусловленных устранением отказов, техническим обслуживанием и ремонтами за этот период. Коэффициент технического использования представляет собой вероятность того, что изделие будет работать в надлежащем режиме за время Т . Таким образом, К ТИ определяется двумя основными факторами - надёжностью и ремонтопригодностью.

Коэффициент оперативной готовности К ОГ определяется как вероятность того, что объект окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени (кроме планируемых периодов, в течение которых применение объекта по назначению не предусматривается) и, начиная с этого момента, будет работать безотказно в течение заданного интервала времени.

Из вероятностного определения следует, что

К ОГ = К Г * P ( t )

Коэффициент технического использования характеризует долю времени нахождения элемента в работоспособном состоянии относительно рассматриваемой продолжительности эксплуатации. Период эксплуатации, для которого определяется коэффициент технического использования, должен содержать все виды технического обслуживания и ремонтов. Коэффициент технического использования учитывает затраты времени на плановые и неплановые ремонты, а также регламенты, и определяется по формуле

K ТИ = t Н / (t Н + t В + t Р + t О ),

где t Н - суммарная наработка изделия в рассматриваемый промежуток времени; t В, t Р и t О - соответственно суммарное время, затраченное на восстановление, ремонт и техническое обслуживание изделия за тот же период времени.

6. Методы обеспечения надёжности сложных систем

6.1 Конструктивные способы обеспечения надёжности

Одной из важнейших характеристик сложных технических систем является их надёжность. Требования к количественным показателям надёжности возрастают тогда, когда отказы технической системы приводят к большим затратам материальных средств, либо угрожают безопасности (например, при создании атомных лодок, самолётов или изделий военной техники). Один из разделов технического задания на разработку системы - раздел, определяющий требования к надёжности. В этом разделе указывают количественные показатели надёжности, которые необходимо подтверждать на каждом этапе создания системы.

На этапе разработки технической документации, являющейся комплектом чертежей, технических условий, методик и программ испытаний, выполнение научно-исследовательских расчётов, подготовки эксплуатационной документации и обеспечение надёжности осуществляют способами рационального проектирования и расчётно-экспериментальными методами оценки надёжности.

Существуют несколько методов, с помощью которых можно повысить конструктивную надёжность сложной технической системы. Конструктивные методы повышения надёжности предусматривают создание запасов прочности металлоконструкций, облегчение режимов работы автоматики, упрощение конструкции, использование стандартных деталей и узлов, обеспечение ремонтопригодности, обоснованное использование методов резервирования.

Анализ и прогнозирование надёжности на стадии проектирования даёт необходимые данные для оценки конструкции. Такой анализ проводят для каждого варианта конструкции, а также после внесения конструктивных изменений. При обнаружении конструктивных недостатков, снижающих уровень надёжности системы, проводят конструктивные изменения и корректируют техническую документацию.

6.2 Технологические способы обеспечения надёжности изделий в процессе изготовления

Одним из основных мероприятий на стадии серийного производства, направленных на обеспечение надёжности технических систем, является стабильность технологических процессов. Научно обоснованные методы управления качеством продукции позволяют своевременно давать заключение о качестве выпускаемых изделий. На предприятиях промышленности применяют два метода статистического контроля качества: текущий контроль технологического процесса и выборочный метод контроля. Метод статистического контроля (регулирования) качества позволяет своевременно предупреждать брак в производстве и, таким образом, непосредственно вмешиваться в технологический процесс.

Выборочный метод контроля не оказывает непосредственного влияния на производство, так как он служит для контроля готовой продукции, позволяет выявить объём брака, причины его возникновения в технологическом процессе или же качественные недостатки материала.

Анализ точности и стабильности технологических процессов позволяет выявить и исключить факторы, отрицательно влияющие на качество изделия. В общем случае, контроль стабильности технологических процессов можно проводить следующими методами: графоаналитическим с нанесением на диаграмму значений измеряемых параметров; расчётно-статистическим для количественной характеристики точности и стабильности технологических процессов; а также прогнозирования надёжности технологических процессов на основе количественных характеристик приведенных отклонений.

6.3 Обеспечение надёжности сложных технических систем в условиях эксплуатации

Надёжность технических систем в условиях эксплуатации определяется рядом эксплуатационных факторов, таких как, квалификация обслуживающего персонала, качество и количество проводимых работ по техническому обслуживанию, наличие запасных частей, использование измерительной и проверочной аппаратуры, а также наличие технических описаний и инструкций по эксплуатации.

В первом приближении можно принять, что все отказы, возникающие в процессе эксплуатации, являются независимыми. Поэтому надёжность всей системы при предположении независимости отказов равна:

Р = Р 1 * Р 2 * Р 3

где Р 1 ; Р2 ; Р 3 - вероятности безотказной работы системы соответственно по непрогнозируемым внезапным отказам, внезапным отказам, которые могут быть предотвращены при своевременном техническом обслуживании и постепенным отказом.

Одной из причин отсутствия отказов элементов системы является качественное техническое обслуживание, которое направлено на предотвращение прогнозируемых внезапных отказов. Вероятность безотказной работы системы, обусловленная качеством обслуживания, равна:

где P i об - вероятность безотказной работы i - го элемента, связанная с техническим обслуживанием.

По мере совершенствования обслуживания значение вероятности безотказной работы Р об приближается к единице.

Замена элементов с возрастающей во времени интенсивностью отказов возможна во всех сложных технических системах. С целью уменьшения во времени интенсивности отказов вводят техническое обслуживание системы, которое позволяет обеспечить поток отказов у сложных систем с конечной интенсивностью в течение заданного срока эксплуатации, т.е. сделать близким к постоянному.

В процессе эксплуатации при техническом обслуживании интенсивность отказов системы, с одной стороны, имеет тенденцию к увеличению, а с другой стороны, - тенденцию к уменьшению в зависимости от того, на каком уровне проведено обслуживание. Если техническое обслуживание проведено качественно, то интенсивность отказов уменьшается, а если это обслуживание проведено плохо, то увеличивается.

Используя накопленный опыт, можно всегда выбрать тот или иной объем функционирования, который обеспечит нормальную работу системы до очередного технического обслуживания с заданной вероятностью безотказной работы. Или, наоборот, задаваясь последовательностью объемов функционирования, можно определить приемлемые сроки проведения технического обслуживания, обеспечивающего работу системы на заданном уровне надёжности.

6.4 Пути повышения надёжности сложных технических систем при эксплуатации

Для повышения надёжности сложных технических систем в условиях эксплуатации проводят ряд мероприятий, которые можно подразделить на следующие четыре группы:

1) разработку научных методов эксплуатации;

2) сбор, анализ и обобщение опыта эксплуатации;

3) связь проектирования с производством изделий;

4) повышение квалификации обслуживающего персонала.

Научные методы эксплуатации включают в себя научно обоснованные методы подготовки изделия к работе, проведения технического обслуживания, ремонта и других мероприятий по повышению надёжности сложных технических систем в процессе их эксплуатации. Порядок и технологию проведения этих мероприятий описывают в соответствующих руководствах и инструкциях по эксплуатации конкретных изделий. Более качественное выполнение эксплуатационных мероприятий по обеспечению надёжности изделий машиностроения обеспечивается результатами статистического исследования надёжности этих изделий. При эксплуатации изделий большую роль играет накопленный опыт. Значительную часть опыта эксплуатации используют для решения частных организационно-технических мероприятий. Однако накопленные данные необходимо использовать не только для решения задач сегодняшнего дня, но и для создания будущих изделий с высокой надёжностью.

Большое значение имеет правильная организация сбора сведений об отказах. Содержание мероприятий по сбору таких сведений определяется типом изделий и особенностями эксплуатации этих изделий. Возможными источниками статистической информации могут быть сведения, полученные по результатам различных видов испытаний и эксплуатации, которые оформляются периодически в виде отчетов о техническом состоянии и надёжности изделий.

Изучение особенностей их поведения дает возможность использовать накопленные данные для проектирования будущих изделий. Таким образом, сбор и обобщение данных об отказах изделий - одна из важнейших задач, на которую должно быть обращено особое внимание.

Эффективность эксплуатационных мероприятий во многом зависит от квалификации обслуживающего персонала. Однако влияние этого фактора неодинаково. Так, например, при выполнении в процессе обслуживания довольно простых операций влияние высокой квалификации работника сказывается мало, и наоборот, квалификация обслуживающего персонала играет большую роль при выполнении сложных операций, связанных с принятием субъективных решений (например, при регулировании клапанов и систем зажигания в автомобилях, при ремонте телевизора и т.д.).

6.5 Организационно-технические методы по восстановлению и поддержанию надёжности техники при эксплуатации

Известно, что в процессе эксплуатации изделие определенное время используют по назначению для выполнения соответствующей работы, некоторое время она транспортируется и хранится, а часть времени идет на техническое обслуживание и ремонт. При этом для сложных технических систем в нормативно-технической документации устанавливают виды технических обслуживании (TO-1, TO-2,.) и ремонтов (текущий, средний или капитальный).

На стадии эксплуатации изделий проявляются технико-экономические последствия низкой надёжности, связанные с простоями техники и затратами на устранение отказов и приобретение запасных частей. С целью поддержания надёжности изделий на заданном уровне в процессе эксплуатации необходимо проводить комплекс мероприятий, который может быть представлен в виде двух групп - мероприятия по соблюдению правил и режимов эксплуатации; мероприятия по восстановлению работоспособного состояния.

К первой группе мероприятий относятся обучение обслуживающего персонала, соблюдение требований эксплуатационной документации, последовательности и точности проводимых работ при техническом обслуживании, диагностический контроль параметров и наличие запасных частей, осуществление авторского надзора и т.п.

К основным мероприятиям второй группы относятся корректирование системы технического обслуживания, периодический контроль за состоянием изделия и определение средствами технического диагностирования остаточного ресурса и предотказного состояния, внедрение современной технологии ремонта, анализ причин отказов и организация обратной связи с разработчиками и изготовителями изделий.

Многие изделия значительную часть времени эксплуатации находятся в состоянии хранения, т.е. не связаны с выполнением основных задач. Для изделий, работающих в таком режиме, преобладающая часть отказов связана с коррозией, а также воздействием пыли, грязи, температуры и влаги. Для изделий, находящихся значительную часть времени в эксплуатации, преобладающая часть отказов связана с износом, усталостью или механическим повреждением деталей и узлов. В состоянии простоя интенсивность отказов элементов существенно меньше, чем в рабочем состоянии. Так, например, для электромеханического оборудования это соотношение соответствует 1: 10, для механических элементов это соотношение составляет 1: 30, для электронных элементов 1: 80.

Необходимо отметить, что с усложнением техники и расширением областей её использования возрастает роль этапа эксплуатации техники в суммарных затратах на создание и использование технических систем. Затраты на поддержание в работоспособном состоянии за счет технических обслуживании и ремонтов превышают стоимость новых изделий в следующее число раз: тракторов и самолетов в 5-8 раз; металлорежущих станков в 8-15 раз; радиоэлектронной аппаратуры в 7-100 раз.

Техническая политика предприятий должна быть направлена на снижение объемов и сроков проведения работ по техническому обслуживанию и ремонту техники за счет повышения надёжности и долговечности основных узлов.

Консервация машины в состоянии поставки помогает сохранить её работоспособность, как правило, в течение 3-5 лет. Для поддержания надёжности машины в процессе эксплуатации на заданном уровне объем производства запасных частей должен составлять 25-30 % стоимости машин.

Список использованной литературы

1. Глазунов Л.П. и др. Основы теории надежности автоматических систем управления: Учеб. пособие для вузов. - Л.: Энергоатомиздат, ленингр. отд., 1984.

2. Дружинин Г.В. Надежность автоматизированных производственных систем: - М.: Энергоатомиздат, 1986.

3. Ястребенецкий М.А., Иванова Г.М. Надежность автоматизированных систем управления технологическими процессами: Учеб. пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1989.

4. Матвеевский В.Р. Надежность технических средств управления: Учеб. пособие. - М.: МГИЭМ, 1993.

5. Фомин А.В. и др. Технология, надежность и автоматизация производства БГИС и микросборок: Учеб. пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1981.

6. ГОСТ 27.301-95 Надежность в технике. Расчет надежности. Основные положения

7. ГОСТ 27.002-89 Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Основные количественные показатели надежности технических систем. Методы повышения надежности. Расчет структурной схемы надёжности системы. Расчет для системы с увеличенной надежностью элементов. Расчет для системы со структурным резервированием.

курсовая работа , добавлен 01.12.2014


Понятие и основные этапы жизненного цикла технических систем, средства обеспечения их надежности и безопасности. Организационно-технические мероприятия повышения надежности. Диагностика нарушений и аварийных ситуаций, их профилактика и значение.

презентация , добавлен 03.01.2014


Показатели надежности систем. Классификация отказов комплекса технических средств. Вероятность восстановления их работоспособного состояния. Анализ условий работы автоматических систем. Методы повышения их надежности при проектировании и эксплуатации.

реферат , добавлен 02.04.2015


Схема основных состояний и событий, характерных для восстанавливаемых систем. Показатели надежности невосстанавливаемых систем. Критерии потоков отказов. Показатели безотказности. Анализ ряда основных параметров, характеризующих надежность системы.

курсовая работа , добавлен 22.07.2015


Понятия теории надежности. Вероятность безотказной работы. Показатели частоты отказов. Методы повышения надежности техники. Случаи возникновения отказов, сохранность работоспособности оборудования. Критерии и количественные характеристики его оценки.

курсовая работа , добавлен 28.04.2014


Методология анализа и оценки техногенного риска, математические формулировки, используемые при оценке основных свойств и параметров надежности технических объектов, элементы физики отказов, структурные схемы надежности технических систем и их расчет.

курсовая работа , добавлен 15.02.2017


Место вопросов надежности изделий в системе управления качеством. Структура системы обеспечения надежности на базе стандартизации. Методы оценки и повышения надежности технологических систем. Предпосылки современного развития работ по теории надежности.

реферат , добавлен 31.05.2010


Государственные стандарты по проблеме надежности энергетических объектов при эксплуатации. Изменение интенсивности отказов при увеличении наработки объекта. Вероятность безотказной работы. Показатели долговечности и модель гамма-процентного ресурса.

презентация , добавлен 15.04.2014


Определение основных показателей надежности технических объектов с применением математических методов. Анализ показателей надежности сельскохозяйственной техники и разработка мероприятий по ее повышению. Организации испытания машин на надежность.

курсовая работа , добавлен 22.08.2013


Теория надежности – наука о закономерности отказов технических систем. Случайный характер отказов и восстановлений. Элемент как объект (материальный, информационный) и его свойства. Техническая система и ее структура, исправность и работоспособность.

Проблемы и задачи надежности ЛК. Основные понятия проблемы и задачи надежности ТС справедливы и для лазерных комплексов ЛК. Экспериментальное определение показателей надежности ЛК во много раз сложнее чем измерение или определение большинства технических параметров. Наука о надежности изучает изменение показателей качества изделий под влиянием тех причин которые приводят к абсолютным изменениям их свойств.

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск

Лекция 1. Введение в надежность технических систем (ТС). Проблемы и задачи надежности ЛК.

К техническим системам (ТС) относятся технические объекты (изделия, машины, технические комплексы) военного и гражданского назначения. Основные понятия, проблемы и задачи надежности ТС справедливы и для лазерных комплексов (ЛК).

В соответствии с современной теорией надёжности надежность ЛК – это свойство сохранять во времени свою работоспособность, то есть состояние, при котором комплекс способен выполнять заданные функции, сохраняя значения заданных параметров (технических характеристик) в пределах, установленных нормативно-технической документацией.

Событие, которое заключается в нарушении работоспособности, т.е. переходе ЛК в неработоспособное состояние, называется отказом. Отказом ЛК является не только немедленное прекращение функционирования, но и недопустимое снижение технических характеристик, определяющих эффективность выполнения поставленной задачи .

Различные отказы имеют и разные последствия: от незначительных отклонений в работе до аварийных ситуаций.

Области работоспособности ЛК подразделяют на действительную область, которая определяет требуемую работоспособность изделия, и назначенную область, которая диктуется требованиями технических условий к отдельным параметрам.

Работоспособность зависит он наработки - объема работы, который может оцениваться в календарных часах, количестве циклов, количестве импульсов, километрах пробега, времени хранения и т.д .

Измерение времени в календарных часах характерно для таких причин нарушения работоспособности изделия, как коррозия, действие внешних температурных факторов и облучение.

Время работы до отказа является случайной величиной .

Если продолжительность работы изделия регламентируется и является детерминированной величиной, то оно называется установленным ресурсом.

Ресурс – это наработка до предельного состояния, оговоренного в технической документации.

Срок службы – это календарная продолжительность эксплуатации ЛК до предельного состояния с учетом перерывов на техническое обслуживание и ремонт.

Надежность, являясь одним из основных свойств, характеризующих качество работы комплекса, сама также характеризуется рядом свойств, основные из которых - безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость.

Безотказность - свойство непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение определенной наработки без учета вынужденных перерывов.

Долговечность – свойство ЛК сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонтов.

Предельное состояние – это такое состояние, при котором дальнейшее применение ЛК по целевому назначению недопустимо из-за требования безопасности или низкой эффективности, в том числе экономической.

Следует отметить, что долговечность и безотказность неидентичные понятия, они определяют разные стороны одного явления. ЛК может обладать высокой безотказностью и вместе с тем иметь низкую долговечность.

Ремонтопригодность - свойство ЛК, заключающееся в его приспособленности к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей проведением технического обслуживания и ремонтов .

Цель профилактического обслуживания - предупреждение появления неисправности или ненормальных условий работы с помощью таких профилактических способов, как настройка или регулировка, смазка, чистка и внесение некоторых исправлений. Профилактическое обслуживание может также включать в себя замену узлов или элементов, работающих на пределе своих возможностей.

Сохраняемость - свойство ЛК сохранять работоспособное состояние в процессе его хранения.

Таким образом, надежность ЛК - весьма специфическое свойство, зависящее от большого числа различных переменных факторов, многие из которых случайны и трудно поддаются оценке одним числовым показателем. Экспериментальное определение показателей надежности ЛК во много раз сложнее, чем измерение или определение большинства технических параметров.

Надежность, которая характеризует изменение показателей качества во времени, является как бы «динамикой качества», его разверткой во времени. Отсюда, надежность - это свойство изделия сохранять требуемые показатели качества в течение всего периода его использования.

Наука о надежности изучает изменение показателей качества изделий под влиянием тех причин, которые приводят к абсолютным изменениям их свойств.

Надежность изделия является одним из основных показателей его качества .

Стремление обеспечить высокий уровень качества и надежности является основной движущей силой при создании новых и эксплуатации существующих изделий .

Основные свойства надежности (безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость) должны обеспечиваться на всех этапах жизненного цикла ЛК.

При проектировании ЛК устанавливаются и обосновываются необходимые требования к надежности, которые должны обеспечиваться за счет принимаемых рациональных схемных и конструктивных решений. На этой стадии разрабатываются методы защиты от различных вредных воздействий, рассматриваются возможности автоматически восстанавливать утраченную работоспособность, оценивается приспособленность к ремонту и техническому обслуживанию.

При изготовлении (производстве) обеспечивается и контролируется надежность ЛК, зависящая от качества изготовления деталей, методов контроля выпускаемой продукции, возможностей управления ходом технологического процесса, от качества сборки, методов испытания и доводки и других показателей технологического процесса.

При эксплуатации ЛК реализуется его надежность. При этом, она зависит от режимов и условий эксплуатации, принятой системы ремонта, технологии технического обслуживания и других эксплуатационных факторов.

Методы повышения качества и надежности ТС, имея общую для всех технических систем направленность, обладают, как правило, теми или иными специфическими особенностями в зависимости от конструкции, назначения и технических требований, которые предъявляются к конкретному образцу.

В табл. 1.1 приведена классификация технических систем (машин) по их назначению. В ней указаны основные требования к техническим характеристикам ТС различного назначения.

Таблица 1.1.

Уровень надежности должен быть таким, чтобы при использовании ТС в любых, оговоренных техническими условиями (ТУ) ситуациях не возникали отказы, т.е. не нарушалась работоспособность. Кроме того, во многих случаях желательно, чтобы имелся запас надежности для повышения сопротивляемости экстремальным воздействиям, когда техническая система попадает в условия, не предусмотренные ТУ.

Кроме того, запас надежности необходим для обеспечения работоспособности в условиях износа, который приводит к постепенному ухудшению технических характеристик. Поэтому, чем выше запас надежности, тем дольше при прочих равных условиях, ТС будет находиться в работоспособном состоянии.

Недостаточный уровень надежности ТС (как новой, так и «изношенной») может привести к различным последствиям при нарушении её работоспособности, основными из которых являются:

1.- катастрофический отказ , связанный с гибелью людей (в результате авиационных или других катастроф), отказы военной техники в ответственные моменты, необратимые разрушения окружающей среды. Достаточно вспомнить такие трагические события, как авария на Чернобыльской атомной электростанции или гибель космического корабля «Челленджер». В мире постоянно происходят многочисленные аварии и катастрофы.

Например, статистика показывает, что ежегодно в мире происходит около 1200 крупных аварий на судах. На дне мирового океана после аварий находится более 50 ядерных боеголовок и более 10 ядерных реакторов.

2. -отказ, из-за которго ТС перестает функционировать в результате выхода из строя того или иного агрегата (элемента), что приводит к существенным экономическим потерям;

3.- снижение эффективности работы, когда ТС способна функционировать, но с меньшими КПД, производительностью, мощностью, точностью и другими техническими характеристиками, которые были достигнуты для нового изделия.

Поведение ТС с позиций надежности связано с изменением во времени тех ее «выходных» параметров, которые характеризуют целевое назначение и качество.

Оценка параметрической надежности ТС и анализ причин и последствий изменения ее технических характеристик в процессе длительной эксплуатации является фундаментом всей проблемы надежности.

Огромные средства затрачиваются в мире для того, чтобы машинный парк находился в работоспособном состоянии. Создание ремонтных предприятий и заводов по изготовлению запасных частей, применение многоцелевых служб по ремонту и техническому обслуживанию машин, включая системы информации, транспортировки и снабжения, - все это является следствием того, что машины теряют свою работоспособность из-за процессов изнашивания, коррозии, усталостного разрушения и других процессов, приводящих к «старению» машины.

По разным источникам на ремонт и техническое обслуживание машин за все время их эксплуатации затрачивается в 5-10 раз больше средств, чем на изготовление новых.

В индустриально развитых странах приблизительно 4,5 валового национального дохода тратится на трение, износ и коррозию подвижных соединений технических изделий. Это приводит к потерям сырьевых материалов и энергии общей стоимостью в несколько сотен биллионов долларов ежегодно во всем мире.

Особенно велики потери от недостаточной надежности уникальных машин. При выходе их из строя по непредвиденным обстоятельствам велика опасность трагических последствий для людей и окружающей среды.

Поэтому все большее внимание во всем мире уделяется вопросам эксплуатации и ремонта промышленных изделий.

Прогноз развития ведущих отраслей промышленности показывает, что в ХХ I веке по большинству отраслей в сфере эксплуатации и ремонта будет занято до 80…90% всех трудовых ресурсов.

Недостаточный уровень надежности изделий приводит к большим экономическим потерям.

Безопасность функционирования ТС - это комплексная проблема, которая включает вопросы, связанные с деятельностью человека, с организацией труда, с социально-политической ситуацией (например, возможность диверсии), с обученностью персонала, его дисциплинированностью. Надежность ТС, включая ее поведение в экстремальных ситуациях, является одним из основных факторов в проблеме безопасности.

Нарушение работоспособности и выход из строя многих ТС связаны не только с вопросами безопасности и экономическими затратами, но и оказывают непосредственное влияние на окружающую среду и экологическую обстановку на нашей планете.

Работа машин, когда их характеристики (например, КПД, состав выхлопных газов, герметичность, динамические нагрузки, температура и др.) выходят за допустимые пределы, когда осуществляется ремонт и техническое обслуживание машин, особенно при непредвиденных обстоятельствах или при ликвидации последствий аварии, приводят к вредным, часто разрушительным воздействиям на биосферу, на неживую природу, на атмосферу, на весь механизм взаимодействия в окружающем нас мире.

В проблеме создания конкурентоспособной продукции и отыскания наиболее эффективных путей ее сбыта существенную роль играет уровень надежности поставляемых потребителю машин.

Отказ ТС в процессе использования, если даже это не приводит к тяжелым последствиям, наносит серьезный моральный ущерб фирме-изготовителю и подрывает доверие к ней.

При отказах ТС в процессе их эксплуатации или хранения фирмы-изготовители или специальные организации вынуждены создавать разветвленную сеть технического обслуживания и аварийного ремонта с соответствующей информационной системой, добиваясь максимального удовлетворения разнообразных запросов потребителя. Чем выше гарантированный изготовителем уровень надежности ТС, тем, при прочих равных условиях, большей конкурентоспособностью она будет обладать.

Принятие решения о необходимости повышения достигнутого уровня надежности ТС должно опираться на экономический анализ. Современный уровень развития техники позволяет достичь практически любых показателей качества и надежности изделия. Все дело заключается в затратах для достижения поставленной цели.

Таким образом, высоконадежную ТС целесообразно создавать не только по требованиям безотказности и престижности, но и с позиции экономической эффективности.

При увеличении затрат на изготовление новой ТС надо решить вопрос, какую долю этих средств следует использовать для повышения технических характеристик и какую - на повышение надежности.

В условиях интенсивного развития машиностроения практика с ее разнообразными запросами в области проектирования, производства и эксплуатации ставит перед наукой о надежности новые задачи, связанные с прогнозированием, с методами испытания на надежность, с оптимизацией конструкции по критериям качества и надежности.

Вместе с тем, как бы разнообразны не были ТС и условия их работы, формирование показателей надежности происходит по общим законам, подчиняется единой логике событий, и раскрытие этих связей является основой для оценки, расчета и прогнозирования надежности, а также для построения рациональных систем производства, испытания и эксплуатации.

Наука о надежности изучает закономерности изменения показателей качества изделий с течением времени, и на основании этого разрабатываются методы, обеспечивающие с наименьшими затратами времени и средств необходимую продолжительность и безотказность работы ТС.

Следует подчеркнуть, что вопросы достижения определенного уровня показателей качества машин - их точности, мощности, КПД, производительности и других - рассматривают, как правило, отраслевые науки, а «надежность» рассматривает процесс изменения этих показателей с течением времени.

В настоящее время все большие позиции завоевывает методический подход, базирующийся на разработке моделей параметрической надежности, в которых формализуется процесс изменения во времени работоспособности ТС. Вероятностные характеристики этого процесса могут быть спрогнозированы на ранних стадиях создания их.

Поэтому основными особенностями научного аспекта проблемы надежности ТС приняты:

• учет фактора времени, поскольку оценивается изменение начальных характеристик ТС в процессе ее эксплуатации;

• сочетание вероятностных методов с закономерностями физических процессов;

• прогнозирование возможного изменения состояния объекта при его эксплуатациии;

• установление связи надежности ТС с показателями ее качества и работоспособности.

К основным задачам надежности относят:

• На этапе проектирования - расчет сроков службы основных элементов ТС (по износу, усталостной прочности), прогнозирование надежности по ее выходным параметрам, анализ вариантов и выбор рациональной конструкции по показателям надежности, оценка оптимальных режимов работы и области применения с учетом заданного периода сохранения работоспособности.

• На этапе изготовления нового образца - создание системы управления качеством и надежностью, обеспечение надежности технологического процесса изготовления деталей и узлов ТС, разработка методов испытания образцов по параметрам качества и надежности.

• На этапе эксплуатации - разработка рациональной системы технического обслуживания и ремонта ТС, создание методов и средств для диагностирования состояния ТС в процессе эксплуатации, создание информационной базы данных о надежности системы и ее элементов.

При решении разнообразных задач надежности необходимо, в первую очередь, установить, как будет вести себя ТС при выполнении своих функций и во взаимодействии с окружающей средой, в результате каких причин будут постепенно изменяться ее технические характеристики.

Общий методологический подход для решения этих проблем представлен на рис. 1.1 в виде физико-вероятностной модели оценки параметрической надежности.

Рис. 1.1. Схема физико-вероятностной модели оценки параметрической надежности.

Данная схема раскрывает основные причинно-следственные связи, приводящие к изменению (деградации) во времени выходных параметров.

Деградация состояния ТС (машины) происходит потому, что при эксплуатации все виды энергии - механическая, тепловая, химическая, электромагнитная - воздействуют на неё и вызывают в ней обратимые и необратимые процессы, изменяющие ее начальные характеристики.

Можно указать следующие основные источники энергетических воздействий на машину:

• действие энергии окружающей среды, в которой находится ТС в процессе эксплуатации, включая человека, исполняющего функции оператора;

• внутренние источники энергии, связанные как с рабочими процессами, протекающими в ТС, так и с работой отдельных её агрегатов;

• потенциальная энергия, которая накоплена в материалах и деталях ТС в процессе их изготовления (внутренние напряжения в отливке, монтажные напряжения);

• воздействия на ТС при производстве ремонтных работ и при техническом обслуживании.

К основным видам энергии, влияющим на работоспособность ТС относят:

• Механическую энергию, которая не только передается по всем звеньям ТС в процессе работы, но и воздействует на неё в виде статических и динамических нагрузок от взаимодействия с внешней средой.

Силы, возникающие в ТС, определяются характером рабочего процесса, инерцией перемещающихся частей, трением в кинематических парах. Эти силы являются случайными функциями времени, так как природа их возникновения связана со сложными физическими явлениями и с переменными режимами работы ТС. Например, в достаточно широких пределах изменяются нагрузки в динамических системах, крутящий момент двигателей, усилия на рабочих органах сельскохозяйственных, строительных, текстильных и других машин, силы трения в кинематических парах и др.

Механическая энергия в ТС может проявиться также как следствие тех затрат энергии, которые имели место при изготовлении её частей и сохранились в них в потенциальной форме. Например, деформация деталей при перераспределении внутренних напряжений после сборки узла или после термической обработки детали.

• Тепловую энергию, действующую на ТС и ее части при колебаниях 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.
• Химическую энергию, оказывающую влияние на работу ТС, например, посредством коррозии отдельных узлов на воздухе, который содержит влагу и агрессивные составляющие.

Если же ТС работает в условиях агрессивных сред (оборудование химической промышленности, суда, многие машины текстильной промышленности и др.)‚ то химические воздействия вызывают процессы, приводящие к разрушению отдельных элементов и узлов.

• Ядерную (атомную) энергию, образующуюся в процессе ядерных реакций и воздействующую на материалы (особенно в космосе), изменяя их свойства.
• Электромагнитную энергию в виде радиоволн (электромагнитных колебаний), пронизывающих все пространство вокруг ТС и оказывающих негативное влияние на работу электронной аппаратуры, которая все в большем объеме применяется в современных системах.
• Биологические факторы также могут влиять на работоспособность ТС и вызывать биоповреждения, например, в виде биокоррозии металла, когда на его поверхности развиваются микроорганизмы (так называемые водородные бактерии). Особенно интенсивны эти процессы в тропических странах, где имеются микроорганизмы, которые не только разрушают некоторые виды пластмасс, но могут воздействовать и на металл.

Все виды энергии, действующие на ТС и ее агрегаты, вызывают в ней целый ряд нежелательных процессов, создают условия для ухудшения ее технических характеристик.

Часть процессов, происходящих в ТС, являются обратимыми. Обратимые процессы временно изменяют параметры деталей, узлов и всей системы в некоторых пределах, без тенденции прогрессивного ухудшения. Наиболее характерные примеры таких процессов – упругая деформация узлов и деталей машин, происходящая под действием внешних и внутренних сил, и тепловые деформации конструкций.

Необратимые процессы приводят к прогрессивному ухудшению технических характеристик ТС с течением времени и поэтому их называют процессами старения.

Наиболее характерными необратимыми процессами являются изнашивание, коррозия, усталость, перераспределение внутренних напряжений и коробление деталей с течением времени.

Процессы, изменяющие начальные характеристики ТС, протекают с различной скоростью и могут быть разделены на три основные категории.

Быстро протекающие процессы возникают сразу же, как только ТС начинает функционировать. Эти процессы имеют периодичность изменения, измеряемую обычно долями секунды. Они заканчиваются в пределах цикла работы ТС и вновь возникают при следующем цикле.

Сюда относятся вибрации узлов, изменения сил трения в подвижных соединениях, колебания рабочих нагрузок и другие процессы, влияющие на взаимное положение узлов ТС в каждый момент времени и искажающие цикл ее работы.

Процессы средней скорости связаны с периодом непрерывной работы ТС, их длительность измеряется обычно в минутах или часах. Они приводят к монотонному изменению начальных параметров. К этой категории относятся как обратимые процессы (например, изменение температуры самой ТС и окружающей среды), так и необратимые (например, процесс изнашивания режущего инструмента, который протекает во много раз интенсивнее, чем изнашиваются детали и узлы металлорежущего станка).

Медленно протекающие процессы проявляются в течение всего периода эксплуатации ТС. Они длятся дни и месяцы. К таким процессам относятся изнашивание основных элементов, ползучесть металлов, загрязнение поверхностей трения, коррозия, сезонные изменения температуры.

Эти процессы также влияют на точность, мощность, коэффициент полезного действия и другие параметры ТС, но изменения их происходят очень медленно. Обычные методы борьбы с этими процессами - ремонт и профилактические мероприятия, которые проводятся через определенные промежутки времени.

Следует подчеркнуть, что все процессы являются случайными функциями, для которых характерно рассеивание значений. Для многих ТСнаибольшую роль играет процесс изнашивания.

При рассмотрении влияния различных процессов на выходные параметры ТС следует учитывать и обратную связь, которая существует между ними и состоянием самой ТС. Например, износ отдельных механизмов машины может не только снизить точность ее функционирования, но и привести к возрастанию динамических нагрузок, которые, в свою очередь, интенсифицируют процесс изнашивания. Температурные деформации отдельных звеньев могут не только исказить положение узлов машины и этим повлиять на качество ее работы, но и привести к повышению нагрузок и, как следствие, к повышенному тепловыделению в механизмах.

Общая схема физико-вероятностной модели оценки параметрической надежности (рис. 1.1) показывает, что одной из главных причин необратимого изменения состояния ТС является протекание различных процессов старения в материалах, из которых она выполнена. Это существенно сказывается на работоспособном состоянии ТС. Оценка вероятности выхода технических характеристик ТС за допустимые пределы и является по существу оценкой уровня параметрической надежности машины. Закон распределения ‚ описывающий в дифференциальной или интегральной форме этот вероятностный процесс, называют законом надежности.

Лекция 2. Показатели надежности ТС. Виды отказов.

Для решения задач оценки и анализа надежности ТС, к которым относятся и ЛК военного и гражданского назначения, необходимо в первую очередь установить основные показатели, численные значения которых определяют уровень надежности ТС (изделия, машины, устройства и т.п.).

К основным показателям надежности, которые могут количественно оценивать уровень безотказности, долговечности, сохраняемости и ремонтопригодности ТС относят:

Показатели безотказности.

1.Вероятность безотказной работы является основным показателем безотказности ТС, который показывает вероятность того, что в заданном интервале времени (или в пределах заданной наработки) отказ системы не возникнет.

Вероятность безотказной работы может применяться для оценки уровня безотказности как восстанавливаемых, так и невосстанавливаемых систем и устройств. Значение ‚ как всякой вероятности, может находиться в пределах.

Например, если вероятность безотказной работы ТС в течение равняется 0,95‚ то это означает, что из большого количества систем в среднем 5% потеряют свою работоспособность раньше, чем через работы.

Показатель применим для оценки безотказности и одного изделия. В этом случае он определяет возможность изделия проработать без отказов заданный период времени. Вероятность безотказной работы и вероятность отказа образуют полную группу событий, поэтому

Значение характеризует степень опасности отказа и поэтому, чем ниже его значение, тем, при прочих равных условиях, изделие будет работать более надежно. Например‚ для ответственных изделий авиационной техники допустимые значения вероятности безотказной работы доходят до и выше.

Если последствия отказа связаны с незначительными экономическими потерями, допустимое значение принимается обычно в пределах.

Значение вероятности безотказной работы данного изделия можно определить, если известен закон распределения сроков наработок до отказа, который называют также законом надежности .

На рис. 2.1 представлена схема формирования закона надежности в дифференциальной (плотность вероятности) и интегральной формах .

Причиной отказа является случайный процесс изменения выходного параметра изделия с течением времени от начального до предельно допустимого значения. В силу случайности процесса он может протекать с различной интенсивностью. Поэтому наработки до предельного состояния, т.е. наработки до отказа проявляются как случайная величина.

Рис. 2.1. Схема формирования закона надежности.

Закон распределения может быть выражен в аналитической форме или в виде гистограммы, полученной на основании статистических данных.

Если для данного выходного параметра известен закон распределения наработок до отказа, то вероятность безотказной работы может быть определена для любого заданного значения по зависимости

Численно значения и равны соответственно площади под кривой распределения до и после значения (рис. 2.1,б).

Следует иметь в виду, что применение показателя без указания периода времени ‚ в течение которого рассматривается работа изделия, смысла не имеет .

Чем ниже требования безотказности, тем большую длительность работы изделия можно допускать.

1. При высоких требованиях к надежности изделия задаются допустимым значением и определяют время работы изделия, соответствующее данной регламентированной вероятности безотказной работы. Значение называется гамма-процентным ресурсом (неслучайная величина) и по его значению судят о большей или меньшей безотказности изделий. При γ =50% получим значение среднего ресурса Тср.р.

1. При обычных требованиях к надежности, если отказ не приводит к тяжелым последствиям, можно задаваться установленным ресурсом изделия t =Tу.р, (или cроком службы t =Тсл). В этом случае о безотказности изделия судят непосредственно по значению Р(t)‚ соответствующей установленному ресурсу.

2.Параметр потока отказов ω .

,

где:

Ω(t) - среднее число отказов в данном интервале времени от 0 до t (так

называемая ведущая функция);

Т m - наработка на отказ;

Параметр потока отказов ω - это среднее число отказов изделия в единицу времени.

Данный параметр применяется для восстанавливаемых ТС в случае отказов, которые легко устранимы и не приводят к каким-либо значительным последствиям (например, замена инструмента при работе на металлорежущем станке).

3.Запас надежности K н , который представляет отношение Х max к такому значению параметра Х γ, при котором с вероятностью γ параметр не выйдет за данные пределы, т.е.

.

Период времени, в течение которого обеспечивается выполнение условия (Кн≥1), называется гарантированным периодом безотказной работы изделия Tr .

4.Интенсивность отказов (λ-характеристика).

Это условная плотность вероятности возникновения отказа изделия, определяемая для рассматриваемого момента времени при условии, что до этого момента времени отказ не возник.

Интенсивность отказов в общем случае является функцией времени λ(t) и связана с другими характеристиками закона надежности зависимостью

.

Статистически интенсивность отказов оценивают по зависимости

1.14.

где:

Число всех изделий, участвующих в эксперименте;

Число оставшихся исправных изделий на момент времени

В практике расчетов безотказности ТС типа ЛК применение интенсивности отказов целесообразно на периоде нормальной эксплуатации, для которого значение λ-характеристика и принимается постоянной величиной (λ= const ).

Качественная зависимость интенсивности отказов от времени изображена на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Зависимость интенсивности отказов от времени.

Как следует из рисунка, условно можно выделить три временных интервала, на которых поведение λ(t) > 0 существенно различно.

Интервал длительностью от 0 до t 1 - интервал приработки .

На нем интенсивность отказов монотонно уменьшается, достигая к моменту времени некоторой стационарной интенсивности. Само название интервала указывает на то, что на нем отказы устройств обусловлены в основном некачественностью сборки, монтажа, нарушением технологии, дефектами комплектующих изделий и т.д. В начале интервала приработки устройства со скрытыми дефектами отказывают с большей вероятностью. Интенсивность отказов к концу интервала приработки падает.

После этого следует интервал нормальной работы длительностью

t н = t 2 - t 1 .

На этом интервале отказы устройств в основном обусловливаются случайными, факторами, действующими при эксплуатации и скрытыми дефектами. Интенсивность отказов λ можно считать постоянной (λ=const) на всем интервале нормальной работы. Именно эта интенсивность отказов λ, особенно в радиоэлектронике, приводится в справочниках по надежности .

В этом случае вероятность безотказной работы на интервале нормальной работы определяется зависимостью

За интервалом нормальной работы следует интервал старения, на котором интенсивность отказов монотонно возрастает.

На этом интервале все значительнее начинают сказываться усталостные напряжения в элементах конструкций ТС, деградация отдельных функциональных блоков и комплектующих.

Показатели долговечности.

К основным показателям долговечности относят технический ресурс, средний ресурс, гамма-процентный ресурс и срок службы.

5.Технический ресурс – наработка объекта от начала его эксплуатации или возобновления её после ремонта до перехода в предельное состояние.

Для неремонтируемых (невосстанавливаемых) объектов он совпадает с наработкой до отказа.

6.Средний ресурс – математическое ожидание технического ресурса.

7.Гамма-процентный ресурс – наработка, в течение которой объект не достигает предельного состояния с вероятностью γ , выраженной в процентах.

8.Срок службы – календарная продолжительность от начала эксплуатации объекта до перехода в предельное состояние.

Для ремонтируемых ТС различают доремонтный, межремонтный, послеремонтный и полный (до списания) сроки службы. Срок службы измеряется в единицах календарного времени.

Рассмотренные показатели надежности не характеризуют интегрально надежность восстанавливаемой системы. Для этой цели служат комплексные показатели надежности.

Комплексные показатели надежности.

К ним относятся коэффициент готовности, коэффициент оперативной готовности, коэффициент сохранения эффективности и коэффициент технического использования.

9. Коэффициент готовности Kг – вероятность того, что система окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых применение системы по назначению не предусматривается. В общем случае Kг(t) является функцией времени.

Для больших интервалов времени его определяют по формуле

Из этой формулы видно, что коэффициент готовности характеризует одновременно два различных свойства системы: безотказность и ремонтопригодность (восстанавливаемость). T 0 – средняя наработка на отказ. Тв – среднее время восстановления.

10.Коэффициент оперативной готовности характеризует надежность систем, необходимость применения которых возникает в произвольный момент времени и которые должны проработать определенное время с заданной вероятностью безотказной работы:

где

Tp – требуемое время безотказной работы после начала оперативного использования ТС.

До момента оперативного использования ТС может находиться в режиме дежурства (при полных или облегченных нагрузках, но без выполнения заданных рабочих функций) или в режиме применения – для выполнения других рабочих функций. В обоих режимах возможно возникновение отказов и восстановления работоспособности системы.

11.Коэффициент сохранения эффективности – это отношение реального значения показателя эффективности использования ТС по назначению за определенную продолжительность эксплуатации к номинальному значению показателя эффективности, вычисленному при условии, что отказы ТС в течение этого периода не возникают.

В практике, как правило, ограничиваются расчетом коэффициента оперативной готовности.

12.Коэффициент технического использования Kти – это отношение математического ожидания интервала времени пребывания объекта в работоспособном состоянии за некоторый период эксплуатации к длительности этого периода. Коэффициент технического использования (Kти) характеризует долю времени нахождения объекта в работоспособном состоянии за данный период эксплуатации, включающий все виды технического обслуживания и ремонтов, и определяется зависимостью

где Траб - общее время полезной работы машины при ее использовании по назначению за заданный период эксплуатации;

ΣTiрем - суммарное время простоев машины из-за ее ремонта и технического обслуживания за тот же период.

Коэффициент технического использования является безразмерной величиной (0≤Кти≤1), и чем выше его значение, тем машина более приспособлена к длительной работе. Коэффициент Кти численно равен вероятности того, что в данный, произвольно взятый момент времени ТС работает, а не ремонтируется и не находится на техническом обслуживании.

На этапах проектирования и разработки ТС и устройств указанные показатели оцениваются расчетным путем, на этапах производства и эксплуатации определяются на основе результатов испытаний.

Основные виды и классификация отказов.

При расчете показателей надежности большое значение имеет вид и характер возникающих или возможных отказов.

Основными признаками, определяющими различные виды отказов, служат характер возникновения и протекания процессов, приводящих к отказу, последствия отказов и методы их устранения.

С этой точки зрения существуют следующие основные виды отказов:

1. Постепенные и внезапные отказы

Постепенные отказы возникают в результате протекания того или иного процесса старения, ухудшающего начальные параметры изделия .

Основным признаком постепенного отказа является то, что вероятность его возникновения в течение заданного периода времени от до, зависит от длительности предыдущей работы изделия t 1 . Чем дольше использовалось изделие, тем выше вероятность возникновения отказа, т.е. , если. К этому виду относится большинство отказов. Они связаны с изнашиванием, коррозией, усталостью, ползучестью и другими процессами старения материалов, из которых созданы изделия.

Внезапные отказы - это те, причиной которых являются процессы, возникшие в результате сочетания неблагоприятных факторов и случайных внешних воздействий, превышающих возможности изделия к их восприятию .

Основным признаком внезапного отказа является то, что вероятность его возникновения в течение заданного периода времени, не зависит от длительности предыдущей работы изделия.

Примерами таких отказов могут служить тепловые трещины, возникшие в детали вследствие прекращения подачи смазки; поломки детали из-за неправильных методов эксплуатации машины или возникновения перегрузок; деформация или поломка деталей, попавших в непредусмотренные условия работы.

Отказ при этом происходит, как правило, внезапно, без предшествующих симптомов разрушения и не зависит от степени изношенности.

Например, причиной отказа автомобильной покрышки может быть как износ протектора в результате длительной эксплуатации машины, так и прокол, возникший вследствие езды по плохой дороге и неблагоприятного сочетания случайных факторов.

Вероятность отказа покрышки из-за износа протектора у старой покрышки во много раз больше, чем у новой. В противоположность этому прокол - внезапный отказ - не связан с длительностью работы покрышки до данного события. Вероятность его возникновения одинакова как для новых покрышек, так и для изношенных.

Деление на постепенные и внезапные отказы определяется природой их возникновения.

Для постепенного отказа процесс потери работоспособности начинается сразу при эксплуатации изделия.

Для внезапного отказа время его возникновения является случайной величиной. Скорость процесса возникновения протекает весьма быстро.

Может быть и третий вид отказов, который включает особенности двух предыдущих и называется сложным отказом. Здесь время начала возникновения отказа - случайная величина, не зависящая от состояния изделия, а скорость процесса потери работоспособности изделия зависит от физики процесса старения. Например, внешние ударные воздействия на машину от посторонних предметов (редкое случайное событие) могут явиться источником возникновения усталостной трещины из-за первичного повреждения поверхности детали.

2. Отказы функционирования и параметрические отказы.

Отказ функционирования приводит к тому, что изделие не может выполнять возложенные на него функции. Например, в результате отказа редуктор не передает движения, двигатель внутреннего сгорания не запускается, насос не подает масла и т. п. Часто отказ функционирования связан с поломками или заклиниванием отдельных элементов изделия.

Параметрический отказ , который наиболее характерен для современных машин и изделий, возникает при выходе параметров (характеристик) изделия за допустимые пределы. Здесь изделие становится неработоспособным с точки зрения требований, установленных техническими условиями.

Продолжение использования изделия, имеющего параметрический отказ, может привести к весьма тяжелым экономическим и иным последствиям. Например, к выпуску некачественной продукции, которая может быть причиной отказов функционирования в сфере ее эксплуатации, к невыполнению изделием поставленных задач, к большим дополнительным затратам времени и средств. Но роль параметрических отказов важна еще и потому, что в сложных системах параметрические отказы элементов могут привести к отказу функционирования.

Поэтому параметрические отказы являются одним из основных объектов рассмотрения в теории надежности ТС и машин.

3. Фактические и потенциальные отказы.

При эксплуатации изделия рано или поздно наступит его первый, а затем и последующие отказы. Если эти отказы предотвращаются заблаговременным выполнением ремонта и регулировок, то они воспринимаются не как фактические, а как потенциально возможные события. Такие отказы будем называть потенциальными .

Для изготовителей и эксплуатационников характерно постоянное стремление к недопущению любых отказов при работе машины. Это может быть достигнуто не только за счет совершенства конструкции машины, но и путем предотвращения возможных отказов при правильной организации системы ремонта и технического обслуживания, строгого выполнения правил эксплуатации.

Однако отсутствие фактических отказов еще не свидетельствует о высокой надежности машины. Машина может вообще не иметь отказов при эксплуатации, тем не менее уровень ее надежности не будет удовлетворять разработчиков и потребителей, если это достигнуто за счет большого объема профилактических и ремонтных работ. Статистическая информация из сферы эксплуатации, когда учитываются лишь фактические отказы, часто дает неверное представление об уровне надежности ТС и машины.

4. Допустимые и недопустимые отказы.

Все возникающие при работе ТС и машин отказы можно разделить на те, появление которых неизбежно, так как изделие имеет ограниченные возможности по восприятию различных воздействий, и на отказы, которые являются следствием нарушения методов и правил проектирования, изготовления и эксплуатации машины и которые возможно и необходимо избежать.

Допустимые отказы связаны обычно с процессами старения, которые нельзя предотвратить и которые приводят к постепенному ухудшению выходных параметров изделия. Сюда же следует отнести внезапные отказы, которые вызваны неблагоприятным сочетанием факторов, если последние находятся в пределах, указанных в технических условиях. Конструктор может сознательно допускать некоторую (как правило, небольшую) вероятность возникновения отказа, чтобы облегчить и удешевить конструкцию. Это, конечно, допустимо лишь в тех случаях, когда отказ не вызовет катастрофических последствий . Например, даже в самолетных конструкциях допускается развитие усталостных трещин в некоторых элементах и панелях крыльев.

Недопустимые отказы связаны с нарушением условий производства и эксплуатации и с неучтенными факторами.

Во-первых, это отказы из-за нарушения технических условий при изготовлении и сборке изделий. Во-вторых, отказы могут наступить при нарушении правил и условий эксплуатации и ремонта – превышение режимов работы машины выше допустимых, нарушение правил ремонта, ошибки людей, управляющих машиной, и т.п. Кроме этого, существуют и скрытые причины возникновения недопустимых отказов – это неучтенные в технических условиях и нормативах параметры, влияющие на надежность. Изделие может быть выполнено в строгом соответствии с техническими условиями (ТУ), однако сами ТУ не учитывают всех тех объективно существующих факторов, которые влияют на надежность и проявляются в процессе эксплуатации. Анализ принадлежности каждого отказа к той или иной категории классификации позволяет выбирать показатели надежности и модель расчета, правильно отражающие реальную ситуацию, в которой используется изделие.

Нормирование показателей надежности

При создании новой ТС или машины необходимо назначить показатели надежности, чтобы при эксплуатации машины были гарантированы безопасность и высокая эффективность работы.

Обычно, в зависимости от требований к эффективности работы изделия и от требований к его надежности достигается компромисс между ними.

Нормированию подлежат в первую очередь вероятность безотказной работы изделия с оценкой продолжительности периода, в течение которого она оценивается, а для высоконадежных систем, у которых, должен устанавливаться запас надежности и значение.

При этом допустимое значение вероятности безотказной работы является мерой для оценки последствий отказа, которые могут быть самыми разнообразными - от незначительного материального ущерба до катастрофического. Эти последствия связаны с характером самого отказа, с категорией отказа и с такими факторами, как время, необходимое для устранения отказа, вид ремонта, продолжительность существования отказа (возможность самовосстановления работоспособности изделия), влияние данного отказа на вероятность возникновения других отказов и т.д.

Все особенности отказа и его последствий следует характеризовать допустимой вероятностью безотказной работы, которая аккумулирует в себе и численно оценивает опасность последствий отказа.

Так, если отказ существует непродолжительное время, а затем работоспособность машины самовосстанавливается и за это время не произойдет необратимых процессов, то будет допускаться более низкая вероятность безотказной работы, чем при «полном» отказе и более опасных последствиях. При оценке надежности сложных изделий не только машина в целом, но и отдельные ее узлы и агрегаты должны характеризоваться допустимой вероятностью безотказной работы. При нормировании показателей надежности необходимо учитывать специфику конструкции и назначение данной машины.

Обычно применяют шесть классов надежности в зависимости от допустимых значений (табл. 2.2).

Таблица 2.2.

В нулевой класс входят малоответственные детали и узлы, отказ которых остается практически без последствий. Для них хорошим показателем надежности может быть средний срок службы, наработка на отказ или параметр потока отказов.

Классы 1-4 характеризуются повышенными требованиями к безотказности (номер класса соответствует числу девяток после запятой у значения.

В пятый класс включаются высоконадежные изделия, отказ которых

в заданный период недопустим.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

СХЕМА, НАДЕЖНОСТЬ, ОТКАЗ, МОДЕЛИРОВАНИЕ, ОБРАЗЕЦ, БЕЗОТКАЗНОСТЬ, РЕМОНТОПРИГОДНОСТЬ, ИНТЕНСИВНОСТЬ ОТКАЗОВ, РЕЗЕРВИРОВАНИЕ.

Цель курсовой работы заключается в выполнении двух заданий. Первое задание связано с построением структурной схемы надежности технологического процесса. Второе задание связано с преобразованием заданной согласно варианту структурной схемы и определением показателей надежности.

Объектом данной работы является оценка надежности технических систем. Решалась задача по повышению параметров надежности при заданной гамма-процентной наработке.

Составлена структурная схема надежности технологического процесса. Произведен расчет единичных показателей надежности элементов технического устройства. Выполнено построение графика зависимости Р = f(t).

В результате были разработаны предложения по повышению параметров надежности при заданной гамма-процентной наработке. Сделаны выводы по работе и методам повышения надежности технических процессов устройств.

надежность технологический устройство

Термины и определения

Введение

2. Расчётная часть

2.2 Преобразование заданной структурной схемы и определение показателей надежности

Заключение

Приложение А (информационное) Расчет вероятности безотказной работы системы

Нормативные ссылки

В данной курсовой работе использованы следующие нормативные документы:

ГОСТ 7.1 - 2003 СИБИД. Библиографическая запись. Библиографическое описание. Общие требования и правила составления

ГОСТ 27.301 - 95 ССНТ. Расчет надежности. Основные положения

ГОСТ 27.310 - 95 ССНТ. Анализ видов, последствий и критичности отказов. Основные положения

СТП КубГТУ 1.9.2 - 2003 СМК. Документирование системы менеджмента качества. Стандарт предприятия

СТП КубГТУ 4.2.6 - 2004 СМК. Учебно-организационная деятельность. Курсовое проектирование

Термины и определения

В настоящей курсовой работе применяются следующие термины с соответствующими определениями:

1 Надежность - это свойство системы или элемента выполнять заданные функции, обусловленное безотказностью, долговечностью и ремонтопригодностью.

2 Безотказность- это свойство системы или элемента непрерывно сохранять работоспособное состояние в течении некоторого времени или некоторой наработки.

3 Вероятность безотказной работы - вероятность того, что в заданном интервале времени или в пределах заданной наработки отказ не возникает.

4 Элемент - составная часть системы.

5 Техническая система - совокупность технических устройств (элементов), предназначенных для выполнения определенной функции или функций.

Введение

В условиях перехода к рыночной экономики задача всемирного улучшения технического уровня и качества продукции приобретает первостепенное значение. Надежность и качество машин необходимо для повышения степени автоматизации, уменьшения огромных затрат на ремонт и убытков от простоя оборудования и техники, обеспечивающей безопасность людей и охрану окружающей среды. Расширение условий эксплуатации, повышение ответственности выполняемых техническими системами функций, их усложнение приводит к повышению требований к надежности изделий.

Надежность является сложным свойством, и формируется такими составляющими, как безотказность, долговечность, восстанавливаемость и сохраняемость. Основным здесь является свойство безотказности. Потому наиболее важным в обеспечении надежности технических систем является повышение их безотказности.

Особенностью проблемы надежности является ее связь со всеми этапами "жизненного цикла" технических систем от зарождения идеи создания до списания: при расчете и проектировании изделия его надежность закладывается в проект, при изготовлении надежность обеспечивается, при эксплуатации - реализуется. Поэтому проблема надежности - комплексная проблема и решать ее необходимо на всех этапах и разными средствами. На этапе проектирования изделия определяется его структура, производится выбор или разработка элементной базы, поэтому здесь имеются наибольшие возможности обеспечения требуемого уровня надежности технических систем. Основным методом решения этой задачи являются расчеты надежности (в первую очередь - безотказности), в зависимости от структуры объекта и характеристик его составляющих частей, с последующей необходимой коррекцией проекта.

1. Основные показатели надежности

Надежность невосстанавливаемых систем характеризуется следующими показателями: интенсивностью отказов ((t)) , наработкой на отказ (Тср), вероятностью безотказной работы (P(t)). Для восстанавливаемых систем, кроме указанных показателей надежности, определяется коэффициент готовности (kr).

Интенсивность отказов (t) есть отношение числа отказов изделий (n(t)) за некоторый промежуток времени (t) к числу работоспособных изделий (N-n(t)) в начале этого промежутка.

(t)= n(t)/(t*) (1)

где N - общее число изделий;

n(t) - число отказавших изделий к началу рассматриваемого промежутка времени.

Расчет основных показателей надежности аппаратуры основан на следующих допущениях:

а) отказ любого элемента влечет за собой отказ данного экземпляра аппаратуры;

б) отказы отдельных элементов являются случайными и независимыми событиями;

в) интенсивность отказов элементов изделия определяется исключительно режимами их работы и не зависит от времени их использования (старение элементов отсутствует), т.е. =сonst, что соответствует экспоненциальному закону распределения времени безотказной работы. Такие отказы принято называть внезапными. Они случайным образом проявляются при эксплуатации и принципиально не могут быть обнаружены профилактическим контролем или устранены тренировкой изделий.

Надежность элемента системы характеризуется вероятностью

безотказной работы элемента в заданных режимах и условиях в течение требуемого времени. Надежность элементов схемы изменяется в зависимости от режимов и условий работы.

Режим работы элемента определяется характеров включения его (длительным, кратковременным, импульсным) и величиной нагрузки. Для характеристики нагрузки элемента обычно вводят понятие коэффициента нагрузки (kн), под которым понимают отношение значения некоторого параметра, характеризующего работу элемента в реальном режиме, к его номинальному значению, предусмотренному техническими условиями. Например, у сопротивлений таким параметром является рассеиваемая мощность, у конденсаторов - приложенное напряжение.

Условиями работы элемента определяются параметрами окружающей среды: ее температурой, влажностью, давлением и т.д., а также механическими, электрическими, магнитными и другими внешними воздействиями.

Конечной целью расчета надежности технических устройств является оптимизация конструктивных решений и параметров, режимов эксплуатации, организация технического обслуживания и ремонтов. Поэтому уже на ранних стадиях проектирования важно оценить надежность объекта, выявить наиболее ненадежные узлы и детали, определить наиболее эффективные меры повышения показателей надежности. Решение этих задач возможно после предварительного структурно - логического анализа системы.

Большинство технических объектов являются сложными системами, состоящими из отдельных узлов, деталей, агрегатов, устройств контроля, управления и т.д.

Расчленение технической системы на элементы достаточно условно и зависит от постановки задачи расчета надежности. Например, при анализе работоспособности технологической линии ее элементами могут считаться отдельные установки и станки, транспортные и загрузочные устройства. В свою очередь станки и устройства также могут считаться техническими системами и при оценке их надежности должны быть разделены на элементы - узлы, блоки, которые, в свою очередь - на детали.

При определении структуры технической системы в первую очередь необходимо оценить влияние каждого элемента и его работоспособности на работоспособность системы в целом. С этой точки зрения целесообразно разделить все элементы на четыре группы:

а) элементы, отказ которых практически не влияет на работоспособность системы (например, деформация кожуха, изменение окраски поверхности и т.п.);

б) элементы, работоспособность которых за время эксплуатации практически не изменяется и вероятность безотказной работы близка к единице (корпусные детали, малонагруженные элементы с большим запасом прочности);

в) элементы, ремонт или регулировка которых возможна при работе изделия или во время планового технического обслуживания (наладка или замена технологического инструмента оборудования, настройка частоты селективных цепей ТС и т.д.);

г) элементы, отказ которых сам по себе или в сочетании с отказами других элементов приводит к отказу системы.

Очевидно, при анализе надежности технической системы имеет смысл включать в рассмотрение только элементы последней группы.

Для расчетов параметров надежности удобно использовать структурно - логические схемы надежности технической системы, которые графически отображают взаимосвязь элементов и их влияние на работоспособность системы в целом. Структурно - логическая схема представляет собой совокупность ранее выделенных элементов, соединенных друг с другом последовательно или параллельно. Критерием для определения вида соединения элементов (последовательного или параллельного) при построении схемы является влияние их отказа на работоспособность технической системы.

Системой с последовательным соединением элементов называется система, в которой отказ любого элемента приводит к отказу всей системы. Такое соединение элементов в технике встречается наиболее часто, поэтому его называют основным соединением.

В системе с последовательным соединением для безотказной работы в течении некоторой наработки t необходимо и достаточно, чтобы каждый из ее n элементов работал безотказно в течении этой наработки. Считая отказы элементов независимыми, вероятность одновременной безотказной работы n элементов определяется по теореме умножения вероятностей: вероятность совместного появления независимых событий равна произведению вероятностей этих событий:

Соответственно, вероятность отказа такой ТС

Если система состоит из равнонадёжных элементов (), то

Если все элементы системы работают в периоде нормальной эксплуатации и имеет место простейший поток отказов, наработки элементов и системы подчиняются экспоненциальному распределению и на основании (2) можно записать

есть интенсивность отказов системы. Таким образом, интенсивность отказов системы при последовательном соединении элементов и простейшем потоке отказов равна сумме интенсивностей отказов элементов.

Системой с параллельным соединением элементов называется система, отказ которой происходит только в случае отказа всех ее элементов. Такие схемы надежности характерны для ТС, в которых элементы дублируются или резервируются, т.е. параллельное соединение используется как метод повышения надежности. Однако такие системы встречаются и самостоятельно (например, системы двигателей четырехмоторного самолета или параллельное включение диодов в мощных выпрямителях).

Для отказа системы с параллельным соединением элементов в течение наработки t необходимо и достаточно, чтобы все ее элементы отказали в

течение этой наработки. Так что отказ системы заключается в совместном отказе всех элементов, вероятность чего (при допущении независимости отказов) может быть найдена по теореме умножения вероятностей как произведение вероятностей отказа элементов:

Соответственно, вероятность безотказной работы

Для систем из равнонадежных элементов ()

т.е. надежность системы с параллельным соединением повышается при увеличении числа элементов.

Поскольку, произведение в правой части (7) всегда меньше любого из сомножителей, т.е. вероятность отказа системы не может быть выше вероятности самого надежного ее элемента (“лучше лучшего”) и даже из сравнительно ненадежных элементов возможно построение вполне надежной системы.

Мостиковая структура не сводится к параллельному или последовательному типу соединения элементов, а представляет собой параллельное соединение последовательных цепочек элементов с диагональными элементами, включенными между узлами различных параллельных ветвей. Работоспособность такой системы определяется не только количеством отказавших элементов, но и их положением в структурной схеме.

Для расчета надежности мостиковых систем, представленной на рисунке 1,можно воспользоваться методом прямого перебора, но при анализе работоспособности каждого состояния системы необходимо учитывать не только число отказавших элементов, но и их положение в схеме. Вероятность безотказной работы системы определяется как сумма вероятностей всех работоспособных состояний.

Для анализа надежности ТС, структурные схемы которых не сводятся к параллельному или последовательному типу, можно воспользоваться также методом логических схем с применением алгебры логики (булевой алгебры).

Рисунок 1- Мостиковые системы

Применение этого метода сводится к составлению для ТС формулы алгебры логики, которая определяет условие работоспособности системы. При этом для каждого элемента и системы в целом рассматриваются два противоположных события - отказ и сохранение работоспособности.

Для составления логической схемы можно воспользоваться двумя методами - минимальных путей и минимальных сечений.

Рассмотрим метод минимальных путей для расчета вероятности безотказной работы на примере мостиковой схемы (рис. 1,а).

Минимальным путем называется последовательный набор работоспособных элементов системы, который обеспечивает ее работоспособность, а отказ любого из них приводит к ее отказу.

Минимальных путей в системе может быть один или несколько. Метод минимальных путей дает точное значение только для сравнительно простых систем с небольшим числом элементов. Для более сложных систем результат расчета является нижней границей вероятности безотказной работы.

Для расчета верхней границы вероятности безотказной работы системы служит метод минимальных сечений.

Минимальным сечением называется набор неработоспособных элементов, отказ которых приводит к отказу системы, а восстановление работоспособности любого из них - к восстановлению работоспособности системы. Как и минимальных путей, минимальных сечений может быть несколько. Очевидно, система с параллельным соединением элементов имеет только одно минимальное сечение, включающее все ее элементы (восстановление любого восстановит работоспособность системы). В системе с последовательным соединением элементов число минимальных путей совпадает с числом элементов, и каждое сечение включает один из них.

2. Расчетная часть

2.1 Построение структурной схемы надёжности

Для расчета используется установка фтористоводородного алкилирования изобутана олефинами, представленная на рисунке 2.

1 - колонны для осушки; 2 - реакторы; 3 - печь; 4 - колонна-регенератор; 5 - отстойник; 6 - пропановая колонна; 7 -паровые нагреватели; 8 - теплообменники; 9 - центробежные насосы.

Потоки: I - олефины; II - изобутан; III - катализатор на регенерацию; IV - свежий катализатор; V - циркулирующий изобутан; VI - смесь катализатора с углеводородами; VII - алкилат; VIII - пропан

Рисунок 2 - Установка фтористоводородного алкилирования изобутана олефинами

Исходное сырьё проходит бокситную осушку в колоннах 1 и поступает в реакторы 2. Реакторы применяются трубчатого типа, с водяным охлаждением, так как реакция протекает при 20 - 40 °С. На некоторых установках реакторы конструктивно объединены с отстойниками. Особенность установок фтористоводородного алкилирования - наличие системы регенерации катализатора. Алкилат после отстоя от основного объёма фтористоводородной кислоты поступает в колонну-регенератор 4, где циркулирующий изобутан отделяется в виде бокового погона. Колонна-регенератор 4 обогревается внизу посредством циркуляции остатка через печь 3. При этом от алкилата отпаривается изобутан, пропан и катализатор. При нагреве остатка до 200 - 205 °С разрушаются также органические фториды, образующиеся в качестве побочного продукта реакции. С верха колонны-регенератора 4 уходят пары пропана, фтористого водорода и некоторое количество изобутана. После конденсации часть этой смеси возвращают в реакторы, часть подают на орошение колонны 4, а остальной поток направляют в пропановую колонну 6, с верха которой уходит отпаренная фтористоводородная кислота, а с низа - пропан со следами изобутана.

Для ещё более полного возврата катализатора предусмотрена также регенерация в отдельном блоке части кислотного слоя из отстойника. Алкилат с низа колонны 4 после охлаждения проходит через бокситные колонны, где освобождается от остатка фтористых соединений.

Для расчетов параметров надежности используют структурно - логические схемы надежности технической системы.

Структурная схема надежности производства мороженого представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Структурная схема надёжности установки фтористоводородного алкилирования

Сначала упростим эту схему. Заменим параллельно соединённые элементы 2 квазиэлементом А и параллельно соединённые элементы 7 - квазиэлементом В. Преобразованная схема изображена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Преобразованная структурная схема надёжности

Вероятность безотказной работы квазиэлемента А будет равна:

Вероятность безотказной работы квазиэлемента В равна:

Вероятность безотказной работы всей системы:

Полученная вероятность является вероятностью безотказной работы исходной схемы.

2.2 Преобразование заданной структурной схемы и определение показателей надёжности

Структурная схема надежности приведена на рисунке 5. Значения интенсивности отказов элементов даны в 106 1/ч:

л2 = л3 = л4 = л5 = л6= л7 = л8 = 5

л11 = л12 = л13 = 9

Рисунок 5 - Исходная схема системы

Так как по условию все элементы системы работают в периоде нормальной эксплуатации, то вероятность безотказной работы элементов с 1 по 17 (рис. 4) подчиняются экспоненциальному закону:

В исходной схеме элементы 5 и 6 соединены последовательно. Заменяем их квазиэлементом A.

Элементы 7 и 8 образуют последовательное соединение. Заменяем их квазиэлементом B.

Элементы 9 и 10 образуют параллельное соединение. Заменяем их квазиэлементом C.

Элементы 11,12 и 13 образуют параллельное соединение. Заменяем их квазиэлементом D.

Элементы 14,15,16 и 17 образуют последовательное соединение. Заменяем их квазиэлементом E.

После преобразований схема изображена на рисунке 6.

Рисунок 6- Промежуточная схема после преобразований

Элементы 2, 3, 4, A и В образуют мостиковое соединение. Заменяем их квазиэлементом F. Для расчета вероятности безотказной работы воспользуемся методом разложения относительно особого элемента, в качестве которого выберем элемент (4).

Тогда вероятность безотказной работы квазиэлемента (F) определяется следующим образом:

где pF - вероятность безотказной работы квазиэлемента (F);

pF(p4=1) - вероятность безотказной работы мостиковой системы при абсолютно надежном элементе (4), что представлено на рисунке 7;

Рисунок 7 - Преобразованная мостиковая схема при абсолютно надежном элементе (4)

pF(p4=0) - вероятность работы мостиковой схемы при абсолютно отказавшем элементе (4), что показано на рисунке 8.

Рисунок 8 - Преобразованная мостиковая схема при абсолютно отказавшем элементе (4)

Учитывая, что, получим

После преобразований схема изображена на рисунке 9.

Рисунок 9 - Окончательная преобразованная схема

В преобразованной схеме элементы 1, F, C, D и E образуют последовательное соединение. Тогда вероятность безотказной работы всей системы:

Так как по условию все элементы системы работают в периоде нормальной эксплуатации, то вероятность безотказной работы элементов с (1) по (15) подчиняются экспоненциальному закону:

Рассчитаем вероятности безотказной работы элементов и вероятность безотказной работы всей системы при разной наработке.

При наработке t=1 104 ч:

При наработке t=3 104 ч:

При наработке t=5 104 ч:

При наработке t=7 104 ч:

Результаты расчетов вероятностей безотказной работы элементов с (1) по (17) исходной схемы для наработки до 7·104 часов, а также результаты расчетов вероятностей безотказной работы квазиэлементов (А, В, С, D, E, F) и всей системы представлены в таблице A.1.

Рисунок 10 - график зависимости вероятности безотказной работы системы (Р) от наработки (t)

График зависимости вероятности безотказной работы системы (Р) от наработки (t) представлен на рисунке10.

На нем находим для г=65%, Рг=0,65 г - процентную наработку системы tг=2,7 104 ч.

Проведем проверочный расчет вероятностей безотказной работы элементов и всей системы при наработке t=2,7 104 ч:

Таким образом, проверочный расчет при tг=2,7 104 ч показывает, что Рг=0,6428.

По условиям задания повышенная г - процентная наработка системы:

где Tг - повышенная г - процентная наработка системы, ч.

Расчет вероятностей безотказной работы элементов и всей системы для повышенной наработки t=4,05 104 ч:

Расчет показывает, что при Tг=4,05 104 ч для элементов окончательно преобразованной схемы p1=0,9799, pF=0,8512, pС=0,9390, pD=0,9385, pE=0,6276. Следовательно, из всех последовательно соединенных элементов минимальное значение вероятности безотказной работы имеет квазиэлемент (E) и именно увеличение его надежности даст максимальное увеличение надежности системы в целом.

Для того, чтобы при Tг=4,05 104 ч система в целом имела вероятность безотказной работы Рг=0,65, необходимо, чтобы квазиэлемент (E) имел вероятность безотказной работы, исходя из формулы (11):

где необходимая вероятность безотказной работы квазиэлемента (E).

При этом значении квазиэлемент (E) станет более надежным.

Очевидно, полученное значение() является минимальным для выполнения условия увеличения наработки не менее, чем в полтора раза, при более высоких значениях () увеличение надежности системы будет большим. В состав квазиэлемента (E) входят элементы (14, 15, 16, 17).

Для определения минимально необходимой вероятности безотказной работы этих элементов построим графики:

По графику, представленному на рисунке 11, при =0,8542 находим р14?0,955.

По графику, представленному на рисунке 12, при =0,8542 находим р15?0,97.

По графику, представленному на рисунке 13, при =0,8542 находим р16?0,957.

По графику, представленному на рисунке 14, при =0,8542 находим р17?0,94.

Рисунок 11 - График зависимости вероятности безотказной работы квазиэлемента E от вероятности безотказной работы его элементов

Рисунок 12 - График зависимости вероятности безотказной работы квазиэлемента E от вероятности безотказной работы его элементов

Рисунок 13 - График зависимости вероятности безотказной работы квазиэлемента E от вероятности безотказной работы его элементов

Рисунок 14 - График зависимости вероятности безотказной работы квазиэлемента E от вероятности безотказной работы его элементов

Так как по условиям задания все элементы работают в периоде нормальной эксплуатации и подчиняются экспоненциальному закону, то для элементов 14 ,15, 16 и 17 при Tг=4,05 104 ч находим:

Рассчитаем вероятности безотказной работы элементов (14, 15, 16, 17,), квазиэлемента (E), а также всей системы (РE").

При наработке t = 1·104 ч.:

При наработке t = 3·104 ч.:

При наработке t = 5 ·104 ч.:

При наработке t = 7·104 ч.:

При наработке t = 2,7·104 ч.:

Результаты расчетов для системы с увеличенной надежностью

элементов (14, 15, 16, 17) приведены в таблице А.1. Там же приведены расчетные значения вероятности безотказной работы для квазиэлемента (E) и системы в целом (P`). При Tг=4,05 104 ч вероятность безотказной работы системы, что соответствует условиям задания.

Для второго способа увеличения вероятности безотказной работы системы - структурного резервирования - по тем же соображениям выбираем квазиэлемент (E), вероятность безотказной работы которого после резервирования должна быть не ниже.

Для квазиэлемента (E) выбираем раздельное резервирование элементами с интенсивностью отказа такой же, как и у элемента (E).

Добавляем параллельно элементу (Е) элемент 18. Заменяем эти элементы квазиэлементом (G).

Вероятность безотказной работы квазиэлемента (G) рассчитывается по формуле:

где вероятность безотказной работы квазиэлемента G.

Таким образом, для повышения надежности до требуемого уровня необходимо в исходной схеме элемент (Е) достроить элементом (18). Резервирование квазиэлемента (Е) представлено на рисунке 15.

Рисунок 15 - Резервирование квазиэлемента (Е)

Преобразованная схема представлена на рисунке 16.

Рисунок 16 - Преобразованная схема после резервирования

Тогда, вероятность безотказной работы квазиэлемента (G) и вероятность безотказной работы всей системы при наработке t = 104 ч.равна:

При наработке t = 3·104 ч.:

При наработке t = 5·104 ч.:

При наработке t =7·104 ч.:

При наработке t = 2,7·104 ч.:

При наработке t = 4,05·104 ч.:

Результаты расчетов вероятностей безотказной работы элемента (G) и системы в целом (P``) представлены в таблице А.1.

Расчеты показывают, что при ч, что соответствует условию задания.

На рисунке 17 нанесены кривые зависимостей вероятности безотказной работы системы после повышения надежности элементов (14, 15, 16, 17) (кривая) и после структурного резервирования (кривая).

Р - исходная системы; Р` - система с повышенной надежностью;

Р`` - система со структурным резервированием.

Рисунок 17 - Изменение вероятности безотказной работы системы

а) на рисунке 10 представлена зависимость вероятности безотказной работы системы (кривая). Из графика видно, что 65% - наработка исходной системы составляет часов;

б) для повышения надежности и увеличения 65% - наработки системы в 1.5 раза (до часов) предложены два способа:

Повышение надежности элементов (14, 15, 16 и 17) и уменьшение их отказов;

Раздельное резервирование элементом (18) основного элемента (Е) соответственно идентичным по надежности;

в) анализ зависимостей вероятности безотказной работы системы от времени (наработки) показывает, что второй способ повышения надежности системы (структурное резервирование) предпочтительнее первого, так как в период наработки до часов вероятность безотказной работы системы при структурном резервировании (кривая) выше, чем при увеличении надежности элементов (кривая).Однако, данный метод экономически не выгоден, так как требует больше материальных затрат чем первый метод. Следовательно, мы выбираем способ повышения надежности системы путем повышения надежности элементов (14, 15, 16 и 17) и уменьшеня их отказов.

Заключение

При выполнении данной курсовой работы были выполнены два задания. Первое задание связано с построением структурной схемы надежности производства мороженого и расчетом надежности данной системы.

Второе задание - преобразование заданной, согласно варианту, структурной схемы и определение показателей надежности. А так же разработка вариантов повышения надежности данной схемы.

Анализ зависимостей вероятности безотказной работы системы от времени (наработки) на рисунке 17 показывает, что первый способ повышения надежности системы (повышение надежности элементов (14, 15, 16 и 17) и уменьшение их отказов) предпочтительнее второго, так как является более выгодным с точки зрения экономичности.

Список использованных источников

1 Маринин С.Ю. Методические указания к выполнению курсовых проектов по дисциплинам кафедры. Краснодар: КубГТУ, 2006. 29с.

2 Нечипоренко В.И. Структурный анализ систем. М.: Сов. радио, 1977. 214 с.

3 Острейковский В.А. Теория надежности: Учеб. для вузов. М.: Высш. шк., 2003. 463 с.

4 Рябинин И.А. Логико-вероятностные методы исследования надежности структурно-сложных систем. М.: Радио и связь, 1981. 216 с.

5 Сотсков Б.С. Основы теории и расчета надежности элементов и устройств автоматики и вычислительной техники. М.: Высш. школа, 1970. 270 с.

6 Ушаков И.А. Надежность технических систем: Справочник. М.: Радио и связь, 1985. 608 с.

Приложение А

(информационное)

Таблица А.1 - Расчет вероятности безотказной работы системы

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Методология анализа и оценки техногенного риска, математические формулировки, используемые при оценке основных свойств и параметров надежности технических объектов, элементы физики отказов, структурные схемы надежности технических систем и их расчет.

курсовая работа , добавлен 15.02.2017


Место вопросов надежности изделий в системе управления качеством. Структура системы обеспечения надежности на базе стандартизации. Методы оценки и повышения надежности технологических систем. Предпосылки современного развития работ по теории надежности.

реферат , добавлен 31.05.2010


Определение основных показателей надежности технических объектов с применением математических методов. Анализ показателей надежности сельскохозяйственной техники и разработка мероприятий по ее повышению. Организации испытания машин на надежность.

курсовая работа , добавлен 22.08.2013


Понятие и основные этапы жизненного цикла технических систем, средства обеспечения их надежности и безопасности. Организационно-технические мероприятия повышения надежности. Диагностика нарушений и аварийных ситуаций, их профилактика и значение.

презентация , добавлен 03.01.2014


Основные количественные показатели надежности технических систем. Методы повышения надежности. Расчет структурной схемы надёжности системы. Расчет для системы с увеличенной надежностью элементов. Расчет для системы со структурным резервированием.

курсовая работа , добавлен 01.12.2014


Критерии надежности. Надежность станков и промышленных роботов. Экономический аспект надежности. Уровень надежности как определяющий фактор развития техники по основным направлениям а также экономии материалов и энергии.

реферат , добавлен 07.07.2007


Краткое описание конструкции двигателя. Нормирование уровня надежности лопатки турбины. Определение среднего времени безотказной работы. Расчет надежности турбины при повторно-статических нагружениях и надежности деталей с учетом длительной прочности.

курсовая работа , добавлен 18.03.2012


Сбор и обработка информации о надежности. Построение статистического ряда и статистических графиков. Определение математического ожидания, среднеквадратического отклонения и коэффициента вариации. Задачи микрометража партии деталей, методика измерений.

курсовая работа , добавлен 18.04.2013


Анализ изменения вероятности безотказной работы системы от времени наработки. Понятие процентной наработки технической системы, особенности обеспечения ее увеличения за счет повышения надежности элементов и структурного резервирования элементов системы.

контрольная работа , добавлен 16.04.2010


Определения требований надежности и работоспособности системы промышленного тахометра ИЛМ1. Распределение требований ее надежности по различным подсистемам. Проведение анализа надежности системы и техногенного риска на основе методов надежности.

Надежность - способность технических систем (устройств) безотказно (исправно) работать в течение определенного периода времени в заданных условиях эксплуатации.

Основное понятие в теории надежности - отказ, означающий полную или частичную потерю работоспособности системы (устройства). Виды отказов:

• внезапный отказ - повреждение (например, поломка) какого-либо элемента устройства;
• постепенный отказ возникает в результате непрерывного изменения характеристик системы, например износа в кинематических звеньях и возрастания зазоров, приводящих к поломке.

Основные параметры надежности

Надежность является комплексным показателем, который включает несколько параметров.

1. Интенсивность (или плотность) потока отказов - среднее число отказов в единицу времени:

Х(0 = 1 і т

Рщ ("? АО

где Р т Ц, ДО - вероятность отказа за период Д/.

Приближенно можно принять Р от и, ДО = - , где т - число отка-

завших элементов за период Дг; п - общее число элементов устройст-т

ва;--относительная частота отказов.

Тогда интенсивность потока отказов, ч -1:

Значения А,(0 для различных типов систем определяются опытным путем (по специальным методикам испытаний) и заносятся в справочные таблицы. Примерное распределение отказов по видам: 48 % - электронное и электрическое оборудование; 37 % - механические узлы; 15 % - гидро- и пневмоприводы.

Нормальные значения X: для отдельных элементов А.(0 = 10 4 ... ...10 6 ч -1 ; для систем А,(0 = 10 2 ... 10 4 ч _1 (по данным японских фирм,

X для ГПС среднего уровня - не более одного отказа в год при односменной работе, т. е. Х(0 = 1/2000 = 0,0005 ч -1). Для большинства отечественных систем удовлетворительным считается значение Х(0 = 0,0025 ч, что означает безотказную работу системы в течение одного месяца в трехсменном режиме, т. е. в течение 400 ч (20 ч х х 20 дней = 400 ч).

• 2. Средняя наработка на отказ (или математическое ожидание отказа), ч:

Этот параметр, как и X, характеризует запас надежности системы (в старом ГОСТе / от назывался коэффициентом надежности). Поэтому можно использовать любую из этих двух величин для характеристики надежности элемента, устройства или системы. В соответствии с указанными X нормальные значения / от для систем равны:

/ от = 300...10 4 ч.

3. Коэффициент готовности системы характеризует ее ремонтопригодность, т. е. быстроту и удобство восстановления системы:

к г =

где / в = V -- среднее время восстановления системы;

т, - время восстановления /-го элемента; т - число отказавших элементов за время / от.

4. Долговечность технической системы - свойство сохранять работоспособность в течение всего срока службы системы:

где Г р - время работы системы за весь период эксплуатации в часах; т п/ - время простоя системы по причине отказа /-го элемента;

х П 1 - суммарное время простоев за весь период эксплуатации

Для инженеров-разработчиков сложных автоматизированных систем большой интерес представляют две задачи, связанные с расчетом характеристик надежности.

Расчет вероятностей числа отказов к при п испытаниях системы

Для расчета вероятностей числа отказов к используется формула Бернулли, в основе которой лежит теорема умножения вероятностей независимых событий, т. е. вероятности их совместного появления

где р - вероятность отказа в каждом испытании (или вероятность отказа /-го элемента при п элементов системы); q - вероятность неотказа;

п - число испытаний (или число элементов системы); к - число отказов;

С„ = - : --биномиальный коэффициент (так как (р + ц) п -

к(п - к)

бином Ньютона).

Распределение вероятностей, определяемое формулой Бернулли, называется биномиальным распределением дискретной случайной величины (в нашем случае отказов), которое при п -> °° приближается к нормальному распределению вероятностей (рис. 2.2).

При больших значениях п вычисление вероятностей по формуле Бернулли затруднено, поэтому используется приближенная формула Пуассона, как предельный случай формулы Бернулли

Рп(к)і

ч-1-І-1- Т?

• 0ф27 о,006 0.001
• -Т т -

Рис. 2.2. График биномиального распределения дискретной случайной величины

при п = 10,/? = 0,2

Рассмотрим пример. Пусть техническая система состоит из п - 500 элементов при р = 0,002.

Требуется найти следующее распределение вероятностей:

• а) откажет ровно к - 3 элемента;
• б) менее 3;
• в) более 3;
• г) хотя бы 1 элемент.

Решение. Условия задачи удовлетворяют распределению Пуассона. Определим интенсивность потока отказов: X = 500 0,002 = 1.

• 1. /> 500 (3) = 1 3 /3! е~" = 0,36788/6 = 0,0613.
• 2. Сумма вероятностей, кроме к - 3:

^оо«3> = /V0) + / 5 оо + /* 5 оо(2) = е“ 1 + е~" + г“ "/2 = 0,9197.

3. Противоположное событие - отказало не более 3 элементов (это сумма вероятностей, включая к = 3):

/> 500 (>3) = 1 - (? = 1 - (0,9197 + 0,0613) = 0,019 (см. п. 1 и 2).

4. Противоположное событие - не отказал ни один элемент (к = 0):

Р= 1 - />500(0) = 1 - 0,36788 = 0,632.

Если в п испытаниях вероятности р 1 появления события (отказа) не равны, то используют производящую функцию типа

Ф„(г) = (Р1 + )(р 2 1 + Ь) - (Рп* + %)’

где г - некоторая переменная.

Вероятность Р„(к) равна коэффициенту при ^ в разложении производящей функции по степеням Например, для п = 2 имеем:

ф 2 (г) = (р { 1 + 4|){р 2 1 + ? 2) =РР2 ? + (Р Ь +Р2 д)1 + дЬ’ где Р 2 (2) =р х р 2 р 2 () = (р 1 д 2 +р 2 Я) Р 2 (®) = д Ь-

Рассмотрим пример. Устройство состоит из трех независимо работающих элементов, вероятности безотказной работы которых за период / равны: р х - 0,7; р 2 - 0,8; р ъ - 0.9.

Найти следующее распределение вероятностей отказов за период V.

• а) все 3 элемента будут работать безотказно (к = 0);
• б) только 2 элемента (к = 1);
• в) только 1 элемент (к - 2);
• г) ни один из элементов (к - 3).

Решение. Сначала найдем вероятности отказов:

Составим производящую функцию для п - 3:

Фз(*) = + 4){р& + Я 2)(Р& + Яъ ) =

= (0,7* + 0,3)(0,8* + 0,2)(0,9* + 0,1) =

0,504г 3 + 0,398* 2 + 0,092* + 0,006.

Таким образом, имеем:

• а) Я 3 (0) = 0,504 - не отказал ни один элемент;
• б) /*3(1) = 0,398 - отказал один элемент;
• в) Р 3 (2) = 0,092 - отказали 2 элемента;
• г) Я 3 (3) = 0,006 - отказали 3 элемента.

Для проверки решения используем контрольную функцию

• ? р 1 = 0,504 + 0,398 + 0,092 + 0,006 = 1.

Расчет вероятностей числа отказов на заданном интервале времени t

Для вычисления функции Р г (к) используют разновидность формулы Пуассона

Р (к) = 09- е~ х ".

Вероятность того, что за время t не произойдет ни одного отказа

(к = 0):

P t (0) = P(t) = e~ Xt .

В теории надежности эта формула известна как функция надежности. Она показывает экспоненциальное распределение времени между отказами (рис. 2.3, а). Противоположная функция позволяет вычислять вероятность отказа (рис. 2.3, б):

РотО ) = 1 - е +

Вероятность безотказной работы системы для малых промежутков времени At можно рассчитывать по приближенной формуле :

P(t) = 1 -Xt y

Рис. 2.3. Графики экспоненциального распределение времени между отказами Р(1)

для различных X (а) и вероятности отказа Р от 0) (б)

которая получается разложением показательной функции в степенной ряд

е~ ь = - Xt +

м 3

В этом разложении членами выше первого порядка пренебрегаем.

Приближенная формула справедлива для малых значений

Расчет вероятностных характеристик с помощью функции надежности возможен при условии X = const. Известно, что по мере расходования резерва надежности значение X(t) в течение эксплуатации системы изменяется (рис. 2.4).

В начальный период повышенное значение X(t) - Х объясняется наличием скрытых дефектов в элементах системы, которые проявляются в процессе приработки узлов. В самый длительный период нормальной эксплуатации системы интенсивность потока отказов X(t) = - Х 2 снижается и остается приблизительно постоянным (Х 2 - const). Именно для этого периода справедлива функция надежности. Третий период характеризуется резким повышением X(t) = Х 3 , которое объяс-

Рис. 2.4.

• 1 - начальный период приработки узлов; 2 - период нормальной эксплуатации;
• 3 - период катастрофического износа узлов

няется появлением недопустимо больших зазоров в кинематических парах системы в результате прогрессирующего износа деталей.

Рассмотрим пример использования функции надежности.

Испытывают два независимо работающих элемента с характеристиками:

^ = 0,02; Х 2 = 0,05.

Найти вероятность того, что за период / = 6 ч: а) оба элемента откажут; б) оба не откажут; в) только один элемент откажет; г) хотя бы один элемент откажет.

Решение

1. Вероятность отказа одного элемента:

р от1 = 1 - е -°" 02 6 = 1 - 0,887 = 0,113,

где р х - 0,887 - вероятность безотказной работы; р от2 = 1 _ е -°" 05 6 = 1 - 0,741 = 0,259, где р 2 = 0,741.

Вероятность отказа обоих событий рассчитаем по формуле умножения вероятностей независимых событий

Рот (2 эл) -р от -р от2 = 0,113 0,259 = 0,03.

2. Вероятность безотказной работы обоих элементов находим аналогично:

Р(Г) =р г р 2 = 0,887 0,741 = 0,66.

3. Вероятность отказа только одного элемента находим как сумму произведений р {

Р2" Ц + Р " #2 = 0,113 0,741 + 0,259 0,887 = 0,31,

где д 2 =Рот2-

4. Вероятность отказа хотя бы одного элемента находим как событие, противоположное событию по п. 2:

/^(1 эл) = 1 -р х? р 2 - 1 - 0,66 - 0,34.

Пути повышения надежности технических систем

Статистика показывает, что затраты на восстановительные работы и производство запасных частей составляют более половины стоимости новой техники.

Основные пути повышения надежности:

• 1) снижение интенсивности потока отказов X (повышение Г от) за счет применения новых материалов с высокими эксплуатационными свойствами (повышение износостойкости деталей кинематических пар);
• 2) входной контроль исходных материалов, деталей и комплектующих. Сохранение технологических и эксплуатационных норм в производстве и рабочем периоде;
• 3) сокращение числа деталей в узле (и числа узлов в системе) на стадии конструирования машин и механизмов. Следует помнить, что вероятность безотказной работы машины равна произведению вероятностей />,(г) безотказной работы ее элементов:

т=р, о.

Эта формула соответствует последовательному соединению элементов в узле (рис. 2.5, а );

4) применение принципа резервирования потенциально ненадежных элементов в особо ответственных узлах:

Р (0 = 1 - П Рои О-/ = 1

Эта формула соответствует параллельному соединению элементов, когда перемножаются вероятности отказов элементов р от!

Рис. 2.5. Последовательное (а) и параллельное (б) соединение элементов в узле

(рис. 2.5, б). При тройном резервировании элемента с p{t) - 0,9 (вероятность отказа каждого из трех элементов p m {t) = 1 - 0,9 = 0,1) вероятность безотказной работы элемента с резервированием равна:

/> р (0= 1 - (0,1) 3 = 0,999;

5) обеспечение фирменного обслуживания и ремонта технических систем. Повышение надежности ведет к росту коэффициента использования оборудования.