Современный человек не мыслит своего существования без различных механизмов, которые упрощают жизнь и делают ее намного безопаснее. Любая используемая техника в первую очередь ценится за свою безопас-ность. Это качество во многом вытекает из другого свойства — надежности.
Интуитивно надежность объектов связывают с недопустимостью отказов в работе. Это есть понимание надёжности в «узком» смысле — свойство объекта сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или некоторой наработки.
Иначе говоря, надёжность объекта заключается в отсутствии непредви-денных недопустимых изменений его качества в процессе эксплуатации и хранения.
Надёжность тесно связана с различными сторонами процесса эксплуатации. Надёжность в «широком» смысле — комплексное свойство, которое, в зависимости от назначения объекта и условий его эксплуатации, может включать в себя свойства безотказности, долговечности, ремонто-пригодности и сохраняемости, а также определённое сочетание этих свойств.
1. Основные понятия
Надежность — свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени и в заданных пределах значения установленных эксплуатационных показателей.
Объект- техническое изделие определенного целевого назначения, рассматриваемое в периоды проектирования, производства, испытаний и эксплуатации. Объектами могут быть различные системы и их элементы.
Элемент — простейшая составная часть изделия, в задачах надежности может состоять из многих деталей.
Система — совокупность совместно действующих элементов, предназначенная для самостоятельного выполнения заданных функций.
Понятия элемента и системы трансформируются в зависимости от поставленной задачи. Например, станок, при установлении его собственной надежности рассматривается как система, состоящая из отдельных элементов — механизмов, деталей и т.п., а при изучении надежности технологической линии — как элемент.
Надежность объекта характеризуется следующими основными состояниями и событиями:
Исправность- состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям, установленным нормативно-технической документацией (НТД).
Работоспособность- состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции, сохраняя значения основных параметров, установленных НТД.
Теория надежности информационных систем
... вопросам изучения критериев и качественных характеристик надежности информационных систем. Практическая значимость исследования, Обзор литературы., Структура исследования. Данна 1.1 Свойства информационных систем Для того чтобы сопоставить свойства информационных систем со свойствами других систем, обратимся к классическому определению, ...
Понятие исправность шире, чем понятие работоспособность. Работоспособный объект обязан удовлетворять лишь тем требования НТД, выполнение которых обеспечивает нормальное применение объекта по назначению.
Таким образом, если объект неработоспособен, то это свидетельствует о его неисправности. С другой стороны, если объект неисправен, то это не означает, что он неработоспособен.
Предельное состояние- состояние объекта, при котором его применение по назначению недопустимо или нецелесообразно. Применение (использование) объекта по назначению прекращается в следующих случаях:
- ь при неустранимом нарушении безопасности;
- ь при неустранимом отклонении величин заданных параметров;
- ь при недопустимом увеличении эксплуатационных расходов.
Для некоторых объектов предельное состояние является последним в его функционировании, т.е. объект снимается с эксплуатации, для других — определенной фазой в эксплуатационном графике, требующей проведения ремонтно-восстановительных работ.
В связи с этим, объекты могут быть:
- ь невосстанавливаемые, для которых работоспособность в случае возникновения отказа, не подлежит восстановлению;
- ь восстанавливаемые, работоспособность которых может быть восстановлена, в том числе и путем замены.
К числу невосстанавливаемых объектов можно отнести, например: подшипники качения, полупроводниковые изделия, зубчатые колеса и т.п.
Объекты, состоящие из многих элементов, например, станок, автомобиль, электронная аппаратура, являются восстанавливаемыми, поскольку их отказы связаны с повреждениями одного или немногих элементов, которые могут быть заменены.
В ряде случаев один и тот же объект в зависимости от особенностей, этапов эксплуатации или назначения может считаться восстанавливаемым или невосстанавливаемым.
Технический ресурс — наработка объекта от начала его эксплуатации или возобновления эксплуатации после ремонта до наступления предельного состояния. Строго говоря, технический ресурс может быть регламентирован следующим образом: до среднего, капитального, от капитального до ближайшего среднего ремонта и т. п. Если регламентация отсутствует, то имеется в виду ресурс от начала эксплуатации до достижения предельного состояния после всех видов ремонтов. Для невосстанавливаемых объектов понятия технического ресурса и наработки до отказа совпадают.
Назначенный ресурс — суммарная наработка объекта, при достижении которой эксплуатация должна быть прекращена независимо от его состояния. Срок службы — календарная продолжительность эксплуатации (в том числе, хранение, ремонт и т. п.) от ее начала до наступления предельного состояния.
безотказность ресурс надежность
2. Отказ
Отказ — событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта.
Критерий отказа — отличительный признак или совокупность признаков, согласно которым устанавливается факт возникновения отказа.
2.1 Классификация и характеристики отказов
По типу отказы подразделяются на:
- ь отказы функционирования (выполнение основных функций объектом прекращается, например, поломка зубьев шестерни);
- ь отказы параметрические (некоторые параметры объекта изменяются в недопустимых пределах, например, потеря точности станка).
По своей природе отказы могут быть:
- ь случайные, обусловленные непредусмотренными перегрузками, дефектами материала, ошибками персонала или сбоями системы и т. п.;
- ь систематические, обусловленные закономерными и неизбежными явлениями, вызывающими постепенное накопление повреждений: усталость, износ, старение, коррозия и т. п.
Основные признаки классификации отказов:
- ь характер возникновения;
- ь причина возникновения;
- ь характер устранения;
- ь последствия отказов;
- ь дальнейшее использование объекта;
- ь легкость обнаружения;
- ь время возникновения.
Рассмотрим подробнее каждый из классификационных признаков:
|
характер возникновения: |
внезапный отказ — отказ, проявляющийся в резком (мгновенном) изменении характеристик объекта; |
|
|
постепенный отказ — отказ, происходящий в результате медленного, постепенного ухудшения качества объекта |
||
Внезапные отказы обычно проявляются в виде механических повреждений элементов (трещины — хрупкое разрушение, пробои изоляции, обрывы и т. п.) и не сопровождаются предварительными видимыми признаками их приближения. Внезапный отказ характеризуется независимостью момента наступления от времени предыдущей работы.
Постепенные отказы — связаны с износом деталей и старением материалов.
|
причина возникновения: |
-конструкционный отказ , вызванный недостатками и неудачной конструкцией объекта |
|
|
-производственный отказ, связанный с ошибками при изготовлении объекта по причине несовершенства или нарушения технологии; |
||
|
-эксплуатационный отказ, вызванный нарушением правил эксплуатации. |
||
|
характер устранения: |
-устойчивый отказ; |
|
|
-перемежающийся отказ (возникающий/исчезающий). последствия отказа: легкий отказ (легкоустранимый); |
||
|
-средний отказ (не вызывающий отказы смежных узлов — вторичные отказы); |
||
|
-тяжелый отказ (вызывающий вторичные отказы или приводящий к угрозе жизни и здоровью человека).
|
||
|
дальнейшее использование объекта: |
-полные отказы, исключающие возможность работы объекта до их устранения; |
|
|
-частичные отказы, при которых объект может частично использоваться. |
||
|
легкость обнаружения: |
очевидные (явные) отказы; |
|
|
скрытые (неявные) отказы. |
||
|
время возникновения: |
приработочные отказы, возникающие в начальный период эксплуатации; |
|
|
отказы при нормальной эксплуатации; |
||
|
износовые отказы, вызванные необратимыми процессами износа деталей, старения материалов и пр. |
||
3. Составляющие надежности
Надежность является комплексным свойством, включающим в себя в зависимости от назначения объекта или условий его эксплуатации ряд простых свойств:
- ь безотказность;
- ь долговечность;
- ь ремонтопригодность;
- ь сохраняемость.
Безотказность — свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторой наработки или в течение некоторого времени.
Наработка — продолжительность или объем работы объекта, измеряемая в любых неубывающих величинах (единица времени, число циклов нагружения, километры пробега и т. п.).
Долговечность — свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов.
Ремонтопригодность — свойство объекта, заключающееся в его приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, поддержанию и восстановлению работоспособности путем проведения ремонтов и технического обслуживания.
Сохраняемость — свойство объекта непрерывно сохранять требуемые эксплуатационные показатели в течение (и после) срока хранения и транспортирования.
В зависимости от объекта надежность может определяться всеми перечисленными свойствами или частью их. Например, надежность колеса зубчатой передачи, подшипников определяется их долговечностью, а станка — долговечностью, безотказностью и ремонтопригодностью.
Безотказность и долговечность отражают две стороны события — отказ: первая — то, что он не произойдет в течение заданного времени, вторая — время, в течение которого он не произойдет. Поскольку отказ является случайным событием, то оба эти свойства характеризуются случайными величинами.
Всякое изделие с наработкой в большей или меньшей степени утрачивает безотказность.
Вместе с тем есть изделия, продолжительность эксплуатации которых по разным причинам ограничена, в некоторых случаях изделия используются один раз. В случаях, когда продолжительность эксплуатации ограничена, безотказность его становится важнейшей составляющей надежности
Показателями безотказности являются:
- ь вероятность безотказной работы — вероятность того, что наработка объекта до отказа окажется не меньше заданной;
- ь интенсивность отказов — условная плотность распределения вероятности отказов невосстанавливаемых объектов для заданной наработки до отказа t при условии, что до этого момента отказ не наступил;
- ь средняя наработка до отказа (между отказами) — математическое ожидание наработки объекта до первого отказа (между отказами для установившегося процесса эксплуатации);
- для периода нормальной эксплуатации интенсивность отказов является постоянной величиной;
- ь наработка на отказ — отношение наработки восстанавливаемого объекта к математическому ожиданию числа отказов в течение этой наработки.
Для восстанавливаемых изделий, кроме того, вводят два дополнительных показателя безотказности;
- ь ведущая функция потока отказов (функция восстановления) — математическое ожидание числа потока отказов восстанавливаемого изделия за заданную наработку;
- ь параметр потока отказов — плотность распределения вероятностей отказа для рассматриваемого момента наработки.
3.1 Показатели долговечности и сохраняемости
Средний ресурс (срок службы) -математическое ожидание ресурса (срока службы); ресурс — наработка объекта от определенного момента времени до наступления предельного состояния (не включает время простоя), в отличие от этого срок службы включает время простоя в ремонтах и в резерве;
- ь назначенный ресурс (срок службы) — суммарная наработка объекта, при достижении которой эксплуатация должна быть прекращена независимо от его состояния;
- ь средний межремонтный ресурс (срок службы) — средний ресурс (срок службы) между смежными видами ремонта;
- ь гамма-процентный ресурс (срок службы) — наработка, в течение которой объект не достигает предельного состояния с вероятностью у;
- ь средний ресурс (срок службы) до списания — средний ресурс (срок службы) от начала эксплуатации до списания;
- ь средний срок сохраняемости -математическое ожидание срока сохраняемости;
ь гамма-процентный срок сохраняемости — продолжительность хранения, в течение которой объект сохраняет установленные показатели с заданной вероятностью Y
3.2 Показатели ремонтопригодности
Среднее время простоя или восстановления — математическое ожидание времени вынужденного пребывания объекта в неработоспособном состоянии или времени восстановления работоспособности;
- ь интенсивность восстановления — то же, что и интенсивность отказов;
— ь вероятность восстановления — вероятность того, что фактическая продолжительность работ по восстановлению работоспособности объекта не превысит заданной.
4. Комплексные показатели надежности
4.1 Коэффициент готовности
Коэффициент готовности выражает вероятность того, что объект окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых применение объекта по назначению не предусматривается
Представляет собой отношение времени исправной работы к сумме времен исправной работы и вынужденных простоев объекта, взятых за один и тот же календарный срок.
Кg = tw/(tw+tp)
где tw — суммарное время исправной работы объекта;
tp — суммарное время вынужденного простоя
Для перехода к вероятностной трактовке величины tw и tp заменяются математическими ожиданиями времени между соседними отказами и времени восстановления соответственно
Кg = tср/(tср+tВ)
Где tср -наработка на отказ, tВ- среднее время восстановления
4.2 Коэффициент оперативной готовности
Коэффициент оперативной готовности это 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.
Коэффициент оперативной готовности характеризует надежность объектов, необходимость применения которых возникает в произвольный момент времени, после которого требуется определенная безотказная работа. До этого момента такие объекты могут находиться как в режиме дежурства, так и в режиме применения — для выполнения других рабочих функций. В обоих режимах возможно возникновение отказов и восстановление работоспособности объекта.
4.3 Коэффициент технического использования
Коэффициент технического использования — отношение математического ожидания интервалов времени, пребывания объекта в работоспособном состоянии за некоторый период эксплуатации к сумме математических ожиданий интервалов времени пребывания объекта в работоспособном состоянии, простоев, обусловленных техническим обслуживанием (ТО), и ремонтов за тот же период эксплуатации.
Kти=Тработа/( Тработа + Тремонт + Тто),
где Тработа — время нахождения объекта в работоспособном состоянии за наблюдаемый интервал (обычно год, месяц);
- Тремонт — время нахождения объекта в плановом и неплановом ремонте;
- Тто — время нахождения объекта в плановом и неплановом техническом обслуживании.
5. Факторы, влияющие на надежность
Факторы, влияющие на надежность, можно подразделить на две большие группы: субъективные и объективные.
Субъективные факторы определяются деятельностью обслуживающего персонала.
Объективные факторы определяются временем и условиями эксплуатации и включают: время эксплуатации, климатические, механические и биологические условия работы объекта. Время эксплуатации является одним из основных факторов, который необходимо учитывать на всех этапах эксплуатации технического устройства, сооружения.
В начальный период эксплуатации выявляются технологические и конструкционные недостатки, что приводит к возрастанию интенсивности отказов.
Длительность этого периода для различного оборудования может колебаться от нескольких десятков до сотен часов. Для уменьшения числа отказов в начальный период эксплуатации проводят предварительную тренировку объектов в течение определенного времени, чтобы до ввода в эксплуатацию они прошли приработку и ненадежные узлы были своевременно заменены.
После достаточно длительной эксплуатации (несколько тысяч часов работы) на состоянии объектов начинает сказываться старение (износ), причиной которого являются физико-химические процессы, происходящие в элементах оборудования в течение всего времени эксплуатации. Оборудование начинает чаще отказывать.
Например, у переменных резисторов и щеток электрических машин со временем изменяется сопротивление проводящего слоя; электропроводка приходит в негодность из-за высыхания и растрескивания изоляции проводов.
Механические и электромеханические элементы и узлы больше подвержены износу, чем старению (редукторы, сельсины, реле, подшипники и т. п.).
Скорость износа и старения определяется режимами работы и интенсивностью воздействия других факторов (температуры, влажности).
С целью замедления процесса старения широко применяют герметизацию элементов или целых узлов. Износ механических элементов замедляется своевременным проведением профилактических мероприятий. В несущих элементах и конструкциях накапливаются усталостные повреждения, что может привести к появлению трещин.
К климатическим факторам относятся температура окружающей среды, влажность и атмосферные осадки, атмосферное давление, солнечная радиация. Устройства ж.-д. транспорта эксплуатируются при различных температурных условиях. Температурное влияние тем больше, чем больше скорость и частота изменения температуры. В наихудших (в этом смысле) условиях находится оборудование, расположенное вне помещений.
При низких температурах пластмассы теряют прочность, резиновые изделия становятся хрупкими и растрескиваются, металлы делаются ломкими, нарушается пайка, регулировка зазоров и т. п.
Повышенная температура способствует ускорению распада органических изоляционных материалов, перегреву и выходу из строя полупроводниковых элементов.
Влажность также является одним из наиболее сильно действующих факторов; ее влияние сказывается на ускоренном разрушении лакокрасочных защитных покрытий, нарушении герметизации и заливок, электрической прочности изоляции и элементов электроники, окислении контактов.
Атмосферные осадки способствуют возрастанию влажности со всеми вытекающими последствиями.
Атмосферное давление воздействует на оборудование как непосредственно, так и косвенным путем. С изменением давления изменяются значения допустимых пробивных электрических напряжений, искажается форма сигналов.
С понижением давления ухудшается отвод тепла от элементов, что может привести к их перегреву. Инфракрасная составляющая солнечного излучения ухудшает условия охлаждения аппаратуры и способствует ее местному или общему перегреву. Воздействие ультрафиолетовых лучей приводит к активизации процессов старения.
Механические факторы обусловлены ударами и вибрациями в процессе эксплуатации, которые могут привести к нарушению целостности паек, контактов, разрушению элементов электроники, крепежных и несущих деталей и т. п.
6. Основные показатели безотказности объектов
6.1 Вероятность безотказной работы
Вероятность безотказной работы — это вероятность того, что в пределах заданий наработки отказ объекта не возникает. На практике этот показатель определяется статистической оценкой
где No — число однотипных объектов (элементов), поставленных на испытания (находящихся под контролем); во время испытаний отказавший объект не восстанавливается и не заменяется исправным; n(t) — число отказавших объектов за время t.
Из определения вероятности безотказной работы видно, что эта характеристика является функцией времени, причем она является убывающей функцией и может принимать значения от 1 до 0.
График вероятности безотказной работы объекта изображен на рис. 2.1.
Как видно из графика, функция P(t) характеризует изменение надежности во времени и является достаточно наглядной оценкой. Например, на испытания поставлено 1000 образцов однотипных элементов, то есть No = 1000 изоляторов.
При испытании отказавшие элементы не заменялись исправными. За время t отказало 10 изоляторов.
Следовательно P(t) = 0,99 и наша уверенность состоит в том, что любой изолятор из данной выборки не откажет за время t с вероятностью P(t) = 0,99.
Иногда практически целесообразно пользоваться не вероятностью безотказной работы, а вероятностью отказа Q(t).
Поскольку работоспособность и отказ являются состояниями несовместимыми и противоположными, то их вероятности [4,13] связаны зависимостью:
Р(t) + Q(t) = 1,
следовательно:
Q(t) = 1 — Р(t).
Если задать время Т, определяющее наработку объекта до отказа, то Р(t) = P(T і t), то есть вероятность безотказной работы — это вероятность того, что время Т от момента включения объекта до его отказа будет больше или равно времени t, в течение которого определяется вероятность безотказной работы.
Из вышесказанного следует, что
Вероятность отказа есть функция распределения времени работы Т до отказа:
Статистическая оценка вероятности отказа:
Из [4, 13, 15] известно, что производная от вероятности отказа по времени есть плотность вероятности или дифференциальный закон распределения времени работы объекта до отказа
Полученная математическая связь позволяет записать
Таким образом, зная плотность вероятности ¦ (t), легко найти искомую величину P(t).
На практике достаточно часто приходится определять условную вероятность безотказной работы объекта в заданном интервале времени Р (t1, t2) при условии, что в момент времени t1 объект работоспособен и известны Р (t1) и Р (t2).
На основании формулы вероятности совместного появления двух 18 зависимых событий, определяемой произведением вероятности одного из них на условную вероятность другого, вычисленную при условии, что первое событие уже наступило [4, 13], запишем
, откуда
По известным статистическим данным можно записать:
где N (t1), N (t2) — число объектов, работоспособных соответственно к моментам времени t1 и t2:
Отметим, что не всегда в качестве наработки выступает время (в часах, годах).
К примеру, для оценки вероятности безотказной работы коммутационных аппаратов с большим количеством переключений (вакуумный выключатель) в качестве переменной величины наработки целесообразно брать количество циклов «включить» — «выключить».
При оценке надежности скользящих контактов удобнее в качестве наработки брать количество проходов токоприемника по этому контакту, а при оценке надежности движущихся объектов наработку целесообразно брать в километрах пробега.
Суть математических выражений оценки P(t), Q(t), f(t) при этом остается неизменной.
6.2 Средняя наработка до отказа
Средней наработкой до отказа называется математическое ожидание наработки объекта до первого отказа T1.
Вероятностное определение средней наработки до отказа выражается так:
Отметим, что как и в случае с определением P(t) средняя наработка до отказа может оцениваться не только в часах (годах), но и в циклах, километрах пробега и другими аргументами.
6.3 Интенсивность отказов
Интенсивность отказов — это условная плотность вероятности возникновения отказа объекта, определяемая при условии, что до рассматриваемого момента времени отказ не наступил. Из вероятностного определения следует, что
Если при статистической оценке время эксперимента разбить на достаточно большое количество одинаковых интервалов ? t за длительный срок, то результатом обработки опытных данных будет график, изображенный на рис:
6.4 Средняя наработка на отказ
Этот показатель относится к восстанавливаемым объектам, при эксплуатации которых допускаются многократно повторяющиеся отказы. Эксплуатация таких объектов может быть описана следующим образом: в начальный момент времени объект начинает работу и продолжает работу до первого отказа; после отказа происходит восстановление работоспособности, и объект вновь работает до отказа и т.д. На оси времени моменты отказов образуют поток отказов, а моменты восстановлений — поток восстановлений.
Средняя наработка на отказ объекта (наработка на отказ) определяется как отношение суммарной наработки восстанавливаемого объекта к числу отказов, происшедших за суммарную наработку:
- где ti — наработка между i-1 и i-м отказами, ч; n(t) — суммарное число отказов за время t.
6.5 Параметр потока отказов
Этот показатель также характеризует восстанавливаемый объект и по статистическим данным определяется с помощью формулы:
где n(t1) и n(t2) — количество отказов объекта, зафиксированных соответственно, по истечении времени t1и t2.
