Надежность технических систем лабораторная 1. Лабораторная работа 1. Исследование классификаций отказов по времени возникновения и последствиям
 Скачать 413 Kb.
|
|
Коэффициент сохранения эффективности Kэф − отношение значения показателя эффективности за определенную продолжительность эксплуатации к его номинальному значению, вычисленному при условии, что отказы объекта в течение того же периода эксплуатации не возникают. Коэффициент характеризует степень влияния отказов объекта на эффективность его применения по назначению. При этом под эффективностью понимается свойство создавать некоторый полезный результат (выходной эффект), характеризующийся соответствующими показателями. Показатель эффективности − показатель качества, характеризующий выполнение объектом его функций, он может выражаться в единицах объема произведенной продукции или ее качества, единицах наработки. При отсутствии отказов коэффициент сохранения эффективности равен единице, в реальных случаях он определяется с учетом надежности объекта. Экономические показатели надежности Надежность технических объектов существенно сказывается на экономических показателях их эксплуатации: повышение безотказности и долговечности с одной стороны приводит к увеличению материальных затрат, затрат на проектирование и изготовление, а с другой − к снижению эксплуатационных издержек (Рис. 5).  Рис. 5. Зависимость капитальных Си и эксплуатационных Сэ затрат от вероятности безотказной работы Экономический эффект от эксплуатации объекта изменяется во времени под влиянием трех факторов (Рис. 6): затрат на изготовление Си (включая проектирование, монтаж, отладку и т.д.), эксплуатационных затрат Сэ (включая техническое обслуживание, ремонт, профилактические мероприятия и т.д.) и прибыли Сп – полезного эффекта, получаемого от эксплуатации. Первые две величины снижают общий баланс эффективности эксплуатации, третья – увеличивает. Затраты на изготовление не изменяются от момента начала эксплуатации до списания. Эксплуатационные затраты имеют тенденцию к все более быстрому росту из-за процессов старения и износа. Изменение прибыли во времени, наоборот, имеет тенденцию к уменьшению, поскольку все более частые простои при ремонте и техническом обслуживании снижают производительность объекта. Поэтому кривая суммарной эффективности 𝐶 = 𝐶и + 𝐶э + 𝐶п (29) имеет максимум Cmax и дважды пересекает ось времени (Рис. 6). Продолжительность экономически целесообразного срока эксплуатации лежит между этими двумя точками: сроком окупаемости Tок и предельным Tпр, после которого эксплуатация объекта убыточна.  Рис. 6. Изменение затрат на изготовление Си, эксплуатационных затрат Сэ и прибыли Сп от времени (срока службы) Таким образом, показатели надежности связаны с экономическими показателями. Так как экономические показатели характеризуют сразу несколько свойств надежности, то их можно считать комплексными. Экономическим критерием надежности могут служить удельные затраты на изготовление и эксплуатацию: 𝐾э = 𝐶и + 𝐶э/𝑇э (30) где Си – стоимость изготовления объекта, Сэ – затраты на эксплуатацию, ремонт и обслуживание, Тэ – период целесообразной эксплуатации. Коэффициент эксплуатационных издержек Киз характеризует соотношение между стоимостью изготовления и эксплуатации изделия: 𝐾из = 𝐶и/𝐶и + 𝐶э (31) Более высокая надежность объекта обычно достигается за счет дополнительных затрат. Общие затраты на изготовление изделия складываются из постоянных затрат Ск, не зависящих от уровня надежности, и переменной составляющей Сн, обусловленной требованиями надежности: 𝐶и = 𝐶к + 𝐶н (32) Для прогнозирования значения величины Сн, которая часто называется «ценой надежности», обычно используется сравнение с прототипом на основании эмпирических зависимостей вида 𝐶н = 𝐶н0(𝑇/𝑇0)𝛼 (33) где Сн0 – цена надежности прототипа (аналога), Т и Т0 – наработка на отказ или средний срок службы проектируемого объекта и прототипа, α – эмпирический показатель, характеризующий уровень производства, обычно 𝛼 ≈ 0,5 ÷ 1,5. Экономические показатели надежности часто позволяют наиболее объективно и комплексно оценить надежность объектов и могут использоваться для ее оптимизации и нормировании. Нормируемые показатели надежности Для обеспечения высокого уровня надежности и эффективности важное значение имеет выбор номенклатуры нормируемых показателей, которые должны быть включены в нормативно-техническую, эксплуатационную и ремонтную документацию. В период эксплуатации любой объект должен соответствовать установленным требованиям по надежности. Требования по надежности − совокупность количественных и качественных требований к безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости, выполнение которых обеспечивает эксплуатацию объекта с заданными показателями эффективности, безопасности, экологичности, живучести и других составляющих качества, зависящими от надежности, или возможность применения данного изделия в качестве составной части другого изделия с заданным уровнем надежности. Нормируемый показатель надежности – показатель, который прямо или косвенно входит в общую оценку функционирования объекта в виде некоторой функции полезности или критерия эффективности, он характеризует количественные показатели надежности с учетом степени и характера их влияния на выполнение возложенных на объект функций. Нормативное значение показателя надежности – значение показателя надежности, установленное в результате задания требований по надежности или нормирования надежности и внесенное в нормативно-техническую документацию. Процедура установления номенклатуры и количественных значений показателей надежности, а также требований к точности и достоверности определения показателей, исходя из требований по надежности объекта в целом называется нормированием надежности. Номенклатура нормируемых показателей надежности устанавливается для каждого объекта в зависимости от его вида и назначения, с учетом особенностей использования, последствий отказов, принятой системы технического обслуживания и ремонта. Для разных классов и групп объектов наиболее важными могут быть показатели безотказности, долговечности, ремонтопригодности или сохраняемости. При выборе нормируемых показателей надежности необходимо придерживаться следующих рекомендаций: • общее число показателей должно быть минимальным, но они должны характеризовать все этапы эксплуатации объекта; • единичные показатели предпочтительнее сложных комплексных; • показатели надежности должны иметь однозначное толкование и простой физический смысл; • показатели надежности должны допускать возможность статистической оценки при испытаниях или по результатам эксплуатации; • показатели надежности должны допускать возможность проведения подтверждающих (проверочных) оценок на этапе проектирования; • показатели надежности должны (по возможности) задаваться количественно. Показатели надежности, включаемые в проектно-конструкторскую документацию объекта, должны соответствовать режиму его использования и конструкции, при этом должны также учитываться возможные последствия потенциальных отказов и предусмотрена возможность проверки показателей при испытаниях и эксплуатации. Правильный выбор основных показателей надежности часто определяет общую оценку качества объекта. Например, на рисунке 7 приведены графики изменения вероятности безотказной работы двух однотипных объектов. Если в качестве основного показателя надежности принять вероятность безотказной работы объекта в течение заданной наработки t0 (или ресурса) или γ-процентную наработку, то более надежным будет считаться первый объект, если в качестве показателя принять среднюю наработку до отказа, то предпочтительнее выглядит второй.  Рис. 7. Графики изменения вероятности безотказной работы При выборе нормируемых показателей надежности необходимо исходить из назначения объекта и условий его использования. При этом все объекты можно разделить на три группы: ∙ объекты, предназначенные для работы в системах, эффективность функционирования которых может быть оценена экономическими критериями; ∙ объекты, функционирование которых связано с обеспечением безопасности; ∙ объекты, для которых нельзя заранее определить условия их использования. Для объектов первой группы выбор показателей надежности определяется режимом их применения. Поэтому на первом этапе необходимо конкретизировать режим применения, отнеся объект к одному из классов: ∙ невосстанавливаемые, ∙ восстанавливаемые вне процесса применения, ∙ восстанавливаемые в процессе применения с допустимыми перерывами в работе. ∙ восстанавливаемые в процессе применения с недопустимыми перерывами в работе. На втором этапе выбирается тип показателей надежности (табл. 3): ∙ интервальные, относящиеся к заданному интервалу наработки или времени; ∙ мгновенные, соответствующие заданному значению времени или наработки; ∙ числовые, не связанные с расположением заданного интервала или момента времени (или наработки). При этом учитываются и экономические соображения: тип показателя экономической эффективности и его зависимость от режима применения.  Таблица 3 В таблице обозначены: tср – средняя наработка до отказа, tр- средний ресурс, tв – среднее время восстановления, p(t), p(t1,t2), pср(t+Δt) – вероятность безотказной работы за время или наработку t, в интервале от t1 до t2, на отрезке Δt, ω(t) – параметр потока отказов, Кг – коэффициент готовности, Ког – коэффициент оперативной готовности. При построении моделей режимов применения и выборе нормируемых показателей надежности учитываются также принцип действия и режим работы системы контроля работоспособности объекта, так как при непрерывном или достаточно частом контроле возникающие отказы сразу обнаруживаются и быстро принимаются меры к восстановлению работоспособности. Для обоснованного выбора номенклатуры нормируемых показателей надежности из условий безопасности (табл. 4) выделяются основные факторы, влияющие на показатели безопасности, с учетом процессов, происходящих после появления отказов.  Таблица 4 Для третьей группы объектов в качестве основных показателей целесообразнее всего назначить любую полную характеристику надежности: для невосстанавливаемых объектов – функцию вероятности безотказной работы p(t) или плотность распределения наработки до отказа f(t), или интенсивность отказов λ(t); для объектов, восстанавливаемых вне процесса применения - вероятность безотказной работы в течение заданного интервала времени p(t1,t2) или параметр потока отказов ω(t); для объектов, восстанавливаемых в процессе применения если перерывы в работе допустимы, – коэффициент оперативной готовности Ког(t); для объектов, восстанавливаемых в процессе применения, если перерывы в работе не допускаются, – вероятность безотказной работы в течение интервала времени p(t1,t2). Конкретные выражения для определения показателей безотказности зависят от вида законов распределения наработки до отказа. Наиболее широкое применение в теории и практике надежности нашли экспоненциальное, нормальное и логарифмически-нормальное распределения, распределение Вейбулла и гамма-распределение. Если известен вид распределения времени безотказной работы или наработки до отказа, рекомендуется задавать следующие показатели надежности: при однопараметрическом (экспоненциальном) распределении – интенсивность отказов λ (или параметр потока отказов ω), среднюю наработку до отказа tcp (или на отказ to), вероятность безотказной работы в течение заданного интервала времени (или наработки) p(t1,t2); при двухпараметрическом законе распределения (нормальном, логарифмически нормальном, Вейбулла и др.) – два параметра, характеризующих распределение (например, для нормального распределения – среднюю наработку и дисперсию или среднее квадратическое отклонение). В каждом конкретном случае вопрос об определении номенклатуры нормируемых показателей надежности приходится решать индивидуально, однако для большинства технических объектов при их использовании в установившемся режиме в качестве основных нормируемых показателей надежности можно использовать один из следующих показателей: интенсивность или параметр потока отказов, среднюю или γ-процентную наработку, вероятность безотказной работы в течение заданного времени, коэффициент готовности, среднее или γпроцентное время восстановления. В сложных случаях можно задавать два и более показателей надежности. Номенклатура нормируемых показателей надежности для многих видов технических объектов приведена в государственных и отраслевых стандартах, технических условиях и других нормативно-технических документах. Например, в качестве основных показателей для химического оборудования установлены наработка на отказ, установленный ресурс до капитального ремонта и установленный срок службы. В соответствии с ГОСТ 27.003-2016 номенклатура показателей надежности выбирается на основе следующих основных классификационных признаков: определенность назначения изделия (общего или конкретного назначения); число возможных (учитываемых) состояний по работоспособности при эксплуатации (наличие частично неработоспособных состояний); режим применения или функционирования; возможные последствия отказов или достижения предельного состояния при применении или хранении и транспортировании; возможность восстановления; характер процессов, определяющих переход в предельное состояние; возможность и способ восстановления ресурса или срока службы; возможность и необходимость технического обслуживания; возможность и необходимость контроля перед применением; наличие в составе средств вычислительной техники. |