Надежность технических систем и техногенный риск. Слайд 1 Приступаем к изучению дисциплины Надежность технических систем и техногенный риск. Слайды 24
 Скачать 1.23 Mb.
|
|
«Надежность технических систем и техногенный риск» Слайд 1 Приступаем к изучению дисциплины «Надежность технических систем и техногенный риск». Слайды 2–4 На слайдах приведены основные термины и определения. Слайд 5 В данном курсе будут рассмотрены следующие темы. Тема 1. Понятие о надежности. Термины и определения. Тема 2. Состав и общие правила задания требований по надежности. Тема 3. Расчет надежности. Тема 4. Анализ видов, последствий и критичности отказов. Тема 5. Модели отказов. Тема 6. Классификация и выбор методов для анализа надежности. Тема 7. Анализ надежности различными методами. Тема 8. Методы анализа рисков. Слайд 6 Тема «Понятие надежности. Термины и определения» Интенсивное развитие техники и технологий в современном мире неиз- бежно связано с широким применением различных технических систем. В настоящее время применяемые технические системы выполняют множество сложных функций и решают ответственные задачи. Одним из важнейших условий, которому должна удовлетворять любая система, является безотказ- ность ее работы в течение определенного промежутка времени. Отказ системы может привести к тяжелым последствиям. Особенно, если она решает вопросы контроля над сложными, тяжело управляемыми процессами с высокими уров- нями риска ущерба. Проблемами безотказной работы технических систем занимается теория надежности. Она изучает: • критерии и количественные характеристики надежности; • методы анализа надежности; • методы синтеза систем по критериям надежности; • методы повышения надежности; • методы испытания систем на надежность; • методы эксплуатации систем – обоснование режимов профилактических работ, норм запасных элементов; методов отыскания неисправностей, методов сбора и анализа статистических данных об отказах технических систем. Основным средством количественного определения и сравнения оценки надежности является теория вероятностей, а основным методом – статистиче- ский метод. Согласно государственному стандарту «Надежность в технике. Термины и определения» понятие «надежность» определяется следующим образом. Слайд 7 Надежностью называют свойство объекта сохранять во времени способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования. Терминология по надежности в технике распространяется на любые технические объекты – изделия, сооружения и системы. А также их подсисте- мы, рассматриваемые с точки зрения надежности на этапах проектирования, производства, испытаний, эксплуатации и ремонта. В качестве подсистем мо- гут рассматриваться сборочные единицы, детали, компоненты или элементы. При необходимости в понятие «объект» могут быть включены информация и ее носители, а также человеческий фактор. Например, при рассмотрении надежности системы «машина-оператор». Понятие «эксплуатация» включает в себя, помимо применения по назначению, техническое обслуживание, ремонт, хранение и транспортирование. Термин «объект» может относиться как к конкретному объекту, так и к одному из представителей группы объектов. В частности, к случайно выбран- ному представителю из серии, партии или статистической выборки однотип- ных объектов. На стадии разработки термин «объект» применяется к наугад выбранному представителю из совокупности объектов. Данное определение не изменяет границ понятия «надежность». «Надежность – свойство объекта сохранять во времени способность к выпол- нению требуемых функций в заданных режимах и условиях эксплуатации, технического обслуживания, хранения и транспортирования». Это определение применяют тогда, когда параметрическое описание нецелесообразно. Например, для простейших объектов, работоспособность которых характеризуется по типу «да-нет». Или при невозможности такого описания. Например, для систем «машина-оператор». То есть таких систем, не все свойства которых могут быть охарактеризованы количественно. Надежность – комплексное свойство, состоящее в общем случае из безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости. Напри- мер, для неремонтируемых объектов основным свойством может являться безотказность. Для ремонтируемых объектов одним из важнейших свойств, составляющих понятие надежности, может быть ремонтопригодность. Слайд 8 В течение всего срока службы объект может находиться в одном из не- скольких состояний: в исправном, неисправном, работоспособном, неработо- способном, предельном. Исправное состояние или исправность – состояние объекта, в котором он соответствует всем требованиям, установленным в документации на него. Неисправное состояние или неисправность – состояние объекта, в кото- ром он не соответствует хотя бы одному из требований, установленных в до- кументации на него. Работоспособное состояние – состояние объекта, в котором он способен выполнять требуемые функции. Неработоспособное состояние – состояние объекта, в котором он не спо- собен выполнять хотя бы одну требуемую функцию по причинам, зависящим от него или из-за профилактического технического обслуживания. Предельное состояние – состояние объекта, в котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна либо восстановление его ра- ботоспособного состояния невозможно или нецелесообразно. Данные понятия охватывают основные технические состояния объекта. Каждое из них характеризуется совокупностью значений параметров, описы- вающих состояние объекта, а также качественных признаков, для которых не применяют количественные оценки. Номенклатуру этих параметров и призна- ков, а также пределы допустимых их изменений устанавливают в нормативно- технической и конструкторской документации. Работоспособный объект в отличие от исправного должен удовлетво- рять лишь тем требованиям нормативно-технической и конструкторской до- кументации, выполнение которых обеспечивает нормальное применение объ- екта по назначению. Работоспособный объект может быть неисправным, например, если он не удовлетворяет эстетическим требованиям, причем ухуд- шение внешнего вида объекта не препятствует его применению по назначе- нию. Для сложных объектов возможны частично неработоспособные состоя- ния, при которых объект способен выполнять требуемые функции с понижен- ными показателями или способен выполнять лишь часть требуемых функций. Кроме того, для некоторых объектов признаками неработоспособного состояния являются отклонения показателей качества изготавливаемой ими продукции. Например, к неработоспособному состоянию может быть отнесено такое, при котором значение хотя бы одного параметра качества изготавлива- емой продукции не соответствует требованиям. Переход объекта из одного состояния в другое обычно происходит вследствие повреждения или отказа. Переход объекта из исправного состоя- ния в неисправное работоспособное состояние происходит из-за повреждений. Кроме того, объект может переходить в так называемое предельное со- стояние. Переход объекта в предельное состояние влечет за собой временное или окончательное прекращение эксплуатации объекта. При достижении пре- дельного состояния объект должен быть снят с эксплуатации, направлен на средний или капитальный ремонт, списан или уничтожен. Если критерий пре- дельного состояния установлен из соображений безопасности хранения и транспортирования объекта, то при наступлении предельного состояния хра- нение и транспортирование объекта должно быть прекращено. В других слу- чаях при наступлении предельного состояния должно быть прекращено при- менение объекта по назначению. В зависимости от условий эксплуатации для одного и того же объекта могут быть установлены два и более критериев предельного состояния. Слайд 9 Переход объекта из одного состояния в другое происходит вследствие дефектов, повреждений и отказов, восстановления и ремонта. Отказом называют событие, заключающееся в нарушении работоспо- собного состояния объекта. Критерием отказа называют признак или совокупность признаков нару- шения работоспособного состояния объекта, описанные в нормативно- технической и конструкторской документации. Если работоспособность объекта характеризуют совокупностью течений некоторых технических параметров, то признаком возникновения отказа явля- ется выход значений любого из этих параметров за пределы допустимого. В критерии отказов могут входить качественные признаки, указывающие на нарушение нормальной работы объекта. Критерии отказов следует отличать от критериев повреждений. Под критериями повреждений понимают признаки или совокупность признаков неисправного, но работоспособного состояния объекта. Совокупность признаков, характеризующих последствия отказа называ- ют критичностью отказа. Понятие критичности отказа введено для того, чтобы проводить класси- фикацию отказов по их последствиям. Критерием для классификации могут служить прямые и косвенные потери, вызванные отказами, затраты труда и времени на устранение последствий отказов и тому подобное. Классификация отказов по последствиям устанавливается по согласованию между заказчиком и разработчиком. Для простых объектов эта классификация не используется. Классификация отказов по критичности устанавливается нормативно- технической и конструкторской документацией по согласованию с заказчиком на основании технико-экономических соображений и соображений безопасно- сти. Согласно ГОСТу отказы бывают ресурсными, независимыми и зависи- мыми, внезапными и постепенными. Слайд 10 В рассматриваемом стандарте отказы классифицируют по следующим основаниям: сбои, перемежающиеся отказы, явные и скрытые отказы, кон- структивные, производственные, эксплуатационные и деградационные. Сбой– самоустраняющийся отказ или однократный отказ, устраняемый незначительным вмешательством оператора. Отличительным признаком сбоя является возможность восстановления работоспособного состояния объекта может без ремонта. Например, путем воздействия оператора на органы управления, устранением обрыва нити или магнитной ленты, коррекцией положения заготовки. Характерным примером сбоя служит остановка ЭВМ, устраняемая по- вторным за пуском программы с места остановки или ее перезапуском с нача- ла. Рассмотрим подробнее деградационные отказы. При анализе надежно- сти различают ранние отказы, когда проявляется влияние дефектов, не обна- руженных в процессе изготовления, испытаний и приемочного контроля, и поздние, деградационные отказы. Последние происходят на заключительной стадии эксплуатации объекта. В этом случае вследствие естественных процес- сов старения, изнашивания объект или его составные части приближаются к предельному состоянию по условиям физического износа. Вероятность воз- никновения деградационных отказов в пределах планируемого полного или межремонтного срока службы должна быть достаточно мала. Это обеспечива- ется расчетом на долговечность эксплуатации с учетом физической природы деградационных отказов, а также надлежащей системой технического обслу- живания и ремонта объекта. Слайд 11 Согласно ГОСТу надежность технической системы характеризуется временными показателями. К ним относятся: наработка, наработка до отказа, время восстановления и так далее. Наработка – продолжительность или объем работы объекта. Наработка до отказа– наработка объекта от начала его эксплуатации или от момента его восстановления до отказа. Время восстановления – время, затрачиваемое непосредственно на вы- полнение операций по восстановлению объекта. Наработка может быть непрерывной величиной, например, выраженной продолжительностью работы в часах, километраже пробега. А также и цело- численной величиной, например, числом рабочих циклов, запусков. Наработку объекта, эксплуатируемого непрерывно, можно измерять в единицах календарного времени. Если объект работает с перерывами, то раз- личают непрерывную и суммарную наработку. В этом случае наработку также можно измерять в единицах времени. Для многих объектов физическое изна- шивание связано не только с календарной продолжительностью эксплуатации, но и с объемом работы объекта, и поэтому зависит от интенсивности приме- нения объекта по назначению. Для таких объектов наработку обычно выра- жают через объем произведенной работы или число рабочих циклов. В международных документах введена детальная классификация вре- менных понятий, относящихся к наработке: требуемая наработка, продолжи- тельность планового простоя, продолжительность планового простоя работо- способного объекта. Понятия «наработка до отказа», «наработка между отказами», «время восстановления», «ресурс», «срок службы», «срок сохранности», «остаточный ресурс» относятся к конкретно взятому объекту. Имеется важное различие между величинами, определяемыми этими понятиями, и большинством вели- чин, характеризующих механические, физические и другие свойства отдель- ного объекта. Например, геометрические размеры, масса, температура, ско- рость могут быть измерены непосредственно. Наработка индивидуального объекта до первого отказа, его наработка между отказами, ресурс могут быть определены лишь после того, как наступил отказ или было достигнуто пре- дельное состояние. Пока эти события не наступили, можно говорить лишь о прогнозировании этих величин с большей или меньшей степенью достоверно- сти. Цель установления назначенного срока службы и назначенного ресурса – обеспечить принудительное заблаговременное прекращение применения объекта по назначению, исходя из требований безопасности или технико- экономических соображений. Для объектов, подлежащих длительному хране- нию, может быть установлен назначенный срок, по истечении которого даль- нейшее хранение недопустимо, например, исходя из требований безопасности. При достижении объектом назначенного ресурса в зависимости от ряда факторов объект может быть списан, направлен в средний или капитальный ремонт или может быть принято решение о продолжении эксплуатации. Слайд 12 Надежность технических объектов характеризуется рядом показателей: единичный, комплексный, расчетный, экспериментальный, эксплуатационный и экстраполированный показатели надежности. К показателям надежности относят также количественные характеристики, которые вводят согласно пра- вилам статистической теории надежности. Область применения этой теории ограничена крупносерийными объектами, которые изготавливают и эксплуа- тируют в статистически однородных условиях и к совокупности которых при- менимо статистическое истолкование вероятности. Примером служат массо- вые изделия машиностроения, электротехнической и радиоэлектронной про- мышленности. Применение статистической теории надежности к уникальным и мало- серийным объектам ограничено. Эта теория применима для единичных вос- станавливаемых объектов, в которых допускаются многократные отказы, для описания последовательности которых применима модель потока случайных событий. Теорию применяют также к уникальным и малосерийным объектам, которые, в свою очередь, состоят из объектов массового производства. В этом случае расчет показателей надежности объекта в целом проводят методами статистической теории надежности по известным показателям надежности компонентов и элементов. Методы статистической теории надежности позволяют установить тре- бования к надежности компонентов и элементов на основании требований к надежности объекта в целом. Статистическая теория надежности является составной частью более общего подхода к расчетной оценке надежности технических объектов. При нем отказы рассматривают как результат взаимодействия объекта как физиче- ской системы с другими объектами и окружающей средой. Так, при проекти- ровании строительных сооружений и конструкций учитывают [в явной или неявной форме] статистический разброс механических свойств материалов, элементов и соединений. А также изменчивость параметров, характеризую- щих внешние нагрузки и воздействия. Большинство показателей надежности полностью сохраняют смысл и при более общем подходе к расчетной оценке надежности. Слайд 13 Безотказность эксплуатируемого объекта или процесса характеризуют рядом показателей: • гамма-процентной наработкой до отказа; • средней наработкой до отказа; • наработкой между отказами и так далее. Все показатели безотказности определены как вероятностные характе- ристики. Их статистические аналоги определяют методами математической статистики. Вероятность безотказной работы определяется в предположении, что в начальный момент времени объект находился в работоспособном состоянии. Для некоторых систем целесообразно указать отдельно требования к безотказности. Безотказность наиболее правильно описывается вероятностью безотказной работы. Однако можно определять безотказность за счет исполь- зования альтернативных величин, таких как средняя наработка до отказа или средняя наработка между отказами. Примером, где средняя наработка до отказа является наилучшим показа- телем безотказности, служат электрические лампочки. Другим примером мо- жет быть производственный процесс, когда система работает постоянно, и наработка до отказа имеет важное значение для планирования работ по техни- ческому обслуживанию. Количественные требования к свойству безотказности должны быть уточнены до начала разработки системы. Для статистического подтверждения показателя безотказности должна быть указана достоверность, с которой тре- бование должно быть продемонстрировано или установлено. Слайд 14 В первую очередь следует рассматривать механизм отказов, которым подвергается система, так как это позволяет определять, какие из показателей безотказности уместны и целесообразны. Например, двигатели автомобилей отказывают, скорее, из-за израсходованного ресурса, а не из-за срока службы. Поэтому километраж пробега является соответствующей единицей измерения. Кроме того, они изнашиваются так, что предположение о постоянном пара- метре потока отказов является недопустимым. Бытовые электрические лам- почки в большей степени отказывают относительно числа включений и вы- ключений и в меньшей степени относительно количества часов горения. Это следует учитывать в определяемом эксплуатационном сроке службы. Наличие избыточных элементов является еще одним фактором, который влияет на вы- бор показателя безотказности. Показатели долговечности по ГОСТ 27.002-2015 следующие. Ресурс – суммарная наработка объекта от начала его эксплуатации или ее возобновления после ремонта до момента достижения предельного состоя- ния. Остаточный ресурс – суммарная наработка объекта от момента контроля его технического состояния до момента достижения предельного состояния. Срок службы – календарная продолжительность эксплуатации от начала эксплуатации объекта или ее возобновления после капитального ремонта до момента достижения предельного состояния. При использовании показателей долговечности следует указывать нача- ло отсчета и вид действий после наступления предельного состояния. Напри- мер, гамма-процентный ресурс от второго капитального ремонта до списания. Показатели долговечности, отсчитываемые от ввода объекта в эксплуатацию до окончательного снятия с эксплуатации, называются гамма-процентный полный ресурс или средний полный ресурс, либо срок службы. Слайд 15 Ремонтопригодность является важным показателем надежности для всех видов восстанавливаемых систем и отражает способность системы быть со- храненной в состоянии или восстановленной до состояния, в котором она мо- жет выполнять требуемую функцию. Кроме того, ремонтопригодность может иметь значительное влияние на достигнутую надежность особенно в системах, не содержащих избыточности. Перечислим некоторые показатели ремонтопригодности по ГОСТ 27.002-2015. Время восстановления – время, затрачиваемое непосредственно на вы- полнение операций по восстановлению объекта. Время до восстановления – время от момента отказа до восстановления работоспособного состояния объекта. Затраты времени и труда на проведение технического обслуживания и ремонтов с учетом конструктивных особенностей объекта, его технического состояния и условий эксплуатации характеризуются оперативными показате- лями ремонтопригодности. Для комплексной оценки ремонтопригодности допустимо дополнитель- но использовать показатели типа удельной трудоемкости ремонта и удельной трудоемкости технического обслуживания. Слайд 16 Сохранность характеризуется такими свойствами, как: гамма- процентный срок сохранности и средний срок сохранности. Комплексные показатели надежности характеризуют несколько ее свойств одновременно, а именно: коэффициент готовности, коэффициент оперативной готовности, коэффициент технического использования, коэффи- циент сохранения эффективности. Коэффициент готовности характеризует готовность объекта к примене- нию по назначению только в отношении его работоспособности в произволь- ный момент времени. Коэффициент оперативной готовности характеризует надежность объекта, необходимость применения которого возникает в произ- вольный момент времени. После этого предполагается безотказная работа в течение заданного интервала времени. Различают стационарный и нестацио- нарный коэффициенты готовности, а также средний коэффициент готовности. Коэффициент технического использования характеризует долю времени нахождения объекта в работоспособном состоянии относительно общей про- должительности эксплуатации. Коэффициент сохранения эффективности ха- рактеризует степень влияния отказов на эффективность его применения по назначению. Для каждого конкретного типа объектов содержание понятия эффективности и точный смысл показателя эффективности задаются техниче- ским заданием. Они вводятся в нормативно-техническую, конструкторскую или проектную документацию. Слайд 17 |