Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

"Российский государственный аграрный университет - МСХА

имени К.А. Тимирязева"

Факультет Техносферная безопасность, экология и природопользование

Кафедра Защита в чрезвычайных ситуациях

Курсовая работа

по дисциплине Надёжность технических систем и техногенный риск

На тему: "Оценка надёжности технической системы методом разложения схемы относительно произвольного элемента"

Выполнил студент 3 курса группы Д-Т-317

Иманшапиев Р.М

Руководитель: Тарабаев Юрий Николаевич

Москва 2016

Оглавление

• Введениие
• 1. Основные понятия надёжности технических систем
• 1.1 Показатели безотказности
• 1.2 Показатели долговечности
• 2. Расчёт показателей надёжности технических систем
• 2.1 Структурные модели надёжности сложных систем
• 2.2 Структурная схема надёжности системы с последовательным соединением элементов
• 2.3 Cтруктурные схемы надёжности систем с параллельным соединением элементов
• 2.4 Cтруктурные схемы надёжности систем с другими видами соединения элементов
• 3. Расчёт безотказности технических систем
• Заключение
• Список литературы

Введениие

В современном обществе промышленное производство играет важную роль по удовлетворению материальных и духовных потребностей, что влечёт за собой увеличение масштабов производства. В результате чего промышленное производство стало постоянным источником возникновения несчастных случаев, аварий и катастроф. В наибольшей степени аварийность свойственна угольной, горнорудной, химической, нефтегазовой и металлургической отраслям промышленности, транспорту. Проблема предупреждения происшествий приобретает особую актуальность в атомной энергетике, химической промышленности, при эксплуатации военной техники, где используются и обращаются мощные источники энергии, высокотоксичные и агрессивные вещества. Решение проблемы обеспечения безопасности развития общества связано в том числе и с развитием теории надёжности технологического оборудования и оценка рисков производства.

В работе рассмотрена концепция надёжности технических систем и производственной безопасности как составной части техногенной безопасности. Приведены основные термины и определения надёжности технических систем, указаны основные опасности технических систем. Рассмотрены основные положения теории надёжности технических систем и техногенного риска. Приведены математические формулировки, используемые при оценке и расчёте основных свойств и параметров надёжности технических объектов, рассмотрены элементы физики отказов, структурные схемы надёжности технических систем и их расчёт. Рассмотрена методология анализа и оценки техногенного риска, приведены основные качественные и количественные методы оценки риска, методология оценки надёжности, безопасности и риска с использованием логико-графических методов анализа, критерии приемлемого риска, принципы управления риском, рассмотрены примеры использования концепции риска в инженерной практике.

1. Основные понятия надёжности технических систем

Обеспечение надёжности систем охватывает самые различные аспекты человеческой деятельности. Надёжность является одной из важнейших характеристик, учитываемых на этапах разработки, проектирования и эксплуатации самых различных технических систем.

С развитием и усложнением техники углубилась и развилась проблема её надёжности. Изучение причин, вызывающих отказы объектов, определение закономерностей, которым они подчиняются, разработка метода проверки надёжности изделий и способов контроля надёжности, методов расчётов и испытаний, изыскание путей и средств повышения надёжности являются предметом исследований надёжности.

Если в результате анализа требуется определить параметры, характеризующие безопасность, необходимо в дополнение к отказам оборудования и нарушениям работоспособности системы рассмотреть возможность повреждений самого оборудования или вызываемых ими других повреждений. Если на этой стадии анализа безопасности предполагается возможность отказов в системе, то проводится анализ риска для того, чтобы определить последствия отказов в смысле ущерба, наносимого оборудованию, и последствий для людей, находящихся вблизи него.

Наука о надёжности является комплексной наукой и развивается в тесном взаимодействии с другими науками, такими как физика, химия, математика и др., что особенно наглядно проявляется при определении надёжности систем большого масштаба и сложности.

При изучении вопросов надёжности рассматривают самые разнообразные объекты - изделия, сооружения, системы с их подсистемами. Надёжность изделия зависит от надёжности его элементов, и чем выше их надёжность, тем выше надёжность всего изделия.

Надёжность - свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования. Недостаточная надёжность объекта приводит к огромным затратам на его ремонт, простою машин, прекращению снабжения населения электроэнергией, водой, газом, транспортными средствами, невыполнению ответственных задач, иногда к авариям, связанным с большими экономическими потерями, разрушением крупных объектов и с человеческими жертвами. Чем меньше надёжность машин, тем большие партии их приходится изготовлять, что приводит к перерасходу металла, росту производственных мощностей, завышению расходов на ремонт и эксплуатацию.

Надёжность объекта является комплексным свойством, её оценивают по четырём показателям безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости или по сочетанию этих свойств.

Безотказность - свойство объекта сохранять работоспособность непрерывно в течение некоторого времени или некоторой наработки. Это свойство особенно важно для машин, отказ в работе которых связан с опасностью для жизни людей. Безотказность свойственна объекту в любом из возможных режимов его существования, в том числе при хранении и транспортировке.

Долговечность - свойство объекта сохранять работоспособное со- стояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

1.1 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.

1.2 Показатели долговечности

Количественные показатели долговечности восстанавливаемых изделий делятся на две группы.

1. Показатели, связанные со сроком службы изделия:

? срок службы - календарная продолжительность эксплуатации от начала эксплуатации объекта или её 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 учётом времени работы после ремонта;

? гаммапроцентный 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 её 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 самолётов и авиационных двигателей естественной мерой ресурса служит налёт в часах, для автомобилей - пробег в километрах, для прокатных станов - масса прокатанного металла в тоннах).

2. Расчёт показателей надёжности технических систем

2.1 Структурные модели надёжности сложных систем

Большинство технических систем являются сложными системами, состоящими из отдельных узлов, деталей, агрегатов, систем управления и т.п. Под сложной системой понимается объект, предназначенный для выполнения заданных функций, который может быть расчленён на элементы (компоненты), каждый из которых также выполняет определённые функции и находится во взаимодействии с другими элементами системы.

С позиций надёжности сложная система обладает как отрицательными, так и положительными свойствами.

Факторы, отрицательно влияющие на надёжность сложных систем, следующие:

? во-первых, это большое число элементов, отказ каждого из которых может привести к отказу всей системы;

? во-вторых, оценить работоспособность сложных систем весьма затруднительно с точки зрения статистических данных, так как они часто являются уникальными или имеются в небольших количествах;

? в-третьих, даже у систем одинакового предназначения каждый экземпляр имеет свои незначительные вариации свойств отдельных элементов, что сказывается на выходных параметрах системы. Чем сложнее система, тем большими индивидуальными особенностями она обладает. Однако сложные системы обладают и такими свойствами, которые положительно влияют на их надёжность:

? во-первых, сложным системам свойственна самоорганизация, саморегулирование или самоприспособление, когда система способна найти наиболее устойчивое для своего функционирования состояние;

? во-вторых, для сложной системы часто возможно восстановление работоспособности по частям без прекращения её функционирования;

? в-третьих, не все элементы системы одинаково влияют на надёжность сложной системы.

Анализ работоспособности сложной системы связан с изучением её структуры и тех взаимосвязей, которые определяют её надёжное функционирование.

При анализе надёжности сложных систем их разбивают на элементы (компоненты) с тем, чтобы вначале рассмотреть параметры и характеристики элементов, а затем оценить работоспособность всей системы. Под элементом можно понимать составную часть сложной системы, которая может характеризоваться самостоятельными входными и выходными параметрами.

Анализ надёжности сложных систем имеет свои специфические особенности. Влияние различных отказов и снижение работоспособности элементов системы по-разному скажутся на надёжности всей системы.

При анализе надёжности сложной системы все её элементы и компоненты целесообразно разделить на следующие группы:

1) элементы, отказ которых практически не влияет на работоспособность системы (деформация ограждающего кожуха машины, изменение окраски поверхности и т.п.). Отказы (т.е. неисправное состояние) этих элементов могут рассматриваться изолированно от системы;

2) элементы, работоспособность которых за рассматриваемый пери- од времени практически не изменяется (станины и корпусные детали, малонагруженные элементы с большим запасом прочности);

3) элементы, ремонт или регулировка которых возможна при работе изделия или во время остановок, не влияющих на его эффективность (подналадка и замена режущего инструмента на станке, регулировка холостого хода карбюратора автомобильного двигателя);

4) элементы, отказ которых приводит к отказам системы.



2.2 Структурная схема надёжности системы с последовательным соединением элементов

Структурные схемы надёжности системы с последовательным соединением элементов (рис. 1) - это случай, когда отказ одного элемента вызывает отказ другого элемента, а затем третьего и т.д. Например, большинство приводов машин и механизмы передач подчиняются этому условию. Так, если в приводе машины выйдет из строя любая шестерня, подшипник, муфта, рычаг управления, электродвигатель, насос смазки, то весь привод перестанет функционировать. При этом отдельные элементы в этом приводе не обязательно должны быть соединены последовательно.

Такую структурную схему называют схемой с последовательным соединением зависимых элементов. В этом случае надёжность системы определяют по теореме умножения для зависимых событий.

Рис.1. Структурная схема надёжности системы с последовательным соединением элементов.

Рассмотрим систему, состоящую из двух или более элементов. Пусть А - событие, состоящее в том, что система работает безотказно, a Ai (i = 1, 2, ..., п) - события, состоящие в исправной работе всех её элементов. Далее предположим, что событие А имеет место тогда и только тогда, когда имеют место все события Ai, т.е. система исправна тогда и только тогда, когда исправны все её элементы. В этом случае систему называют последовательной системой.

Известно, что отказ любого элемента такой системы приводит, как правило, к отказу системы. Поэтому вероятность безотказной работы системы определяют как произведение вероятностей для независимых событий. Таким образом, надёжность всей системы равна произведению надёжностей подсистем или элементов:

где Р - надёжность.

Сложные системы, состоящие из элементов высокой надёжности, могут обладать низкой надёжностью за счёт наличия большого числа элементов. Например, если узел состоит всего из 50 деталей, а вероятность безотказной работы каждой детали за выбранный промежуток времени составляет рi = 0,99, то вероятность безотказной работы узла будет P(t) = (0,99)50 = 0,55.

Если же узел с аналогичной безотказностью элементов состоит из 400 деталей, то P(t) = (0,99)400 = 0,018, т.е. узел становится практически неработоспособным.

2.3 Cтруктурные схемы надёжности систем с параллельным соединением элементов

В практике проектирования сложных технических систем часто используют схемы с параллельным соединением элементов (рис. 2), которые построены таким образом, что отказ системы возможен лишь в случае, когда отказывают все её элементы, т.е. система исправна, если исправен хотя бы один её элемент. Такое соединение часто называют резервированием. В большинстве случаев резервирование оправдывает себя, несмотря на увеличение стоимости. Наиболее выгодным является резервирование отдельных элементов, которые непосредственно влияют на выполнение основной работы.

При конструировании технических систем в зависимости от выполняемой системой задачи применяют горячее или холодное резервирование.

Рис.2. Структурная схема надёжности системы с параллельным соединением элементов

Горячее резервирование применяют тогда, когда не допускается перерыв в работе на переключение отказавшего элемента на резервный с целью выполнения задачи в установленное время.

Чаще всего горячему резервированию подвергают отдельные элементы. Используют горячее резервирование элементов и подсистем, например источников питания (аккумуляторные батареи дублируются генератором и т.п.).

Холодное резервирование используют в тех случаях, когда необходимо увеличение ресурса работы элемента, и поэтому предусматривают время на переключение отказавшего элемента на резервный.

Существуют технические системы с частично параллельным резервированием, т.е. системы, которые оказываются работоспособными даже в случае отказа нескольких элементов.

Рассмотрим систему, имеющую ряд параллельных элементов с надёжностью p(t) и соответственно ненадёжностью

q(t) = 1 - p(t)

В случае если система содержит n элементов, которые соединены параллельно, вероятность отказа системы равна

,

а вероятность безотказной работы

.

При частично параллельном резервировании вероятность безотказной работы системы, состоящей из общего числа элементов n, определяют по формуле

где p(t) - вероятность безотказной работы одного элемента; j - число исправных элементов, при котором обеспечивается работоспособность системы; С - число сочетаний из n элементов по k.

С =n! / [k!(n - k)!]

В случае j=1 система будет полностью параллельной, в остальных случаях - частично параллельной.



2.4 Cтруктурные схемы надёжности систем с другими видами соединения элементов

техногенный риск надежность отказ

Следует отметить, что в практике проектирования технических систем часто используют структурные схемы надёжности с параллельно- последовательным соединением элементов. Так, например, часто при проектировании систем с радиоэлектронными элементами применяют схемы, работающие по принципу два из трёх, когда работоспособность обеспечивается благодаря исправному состоянию любых двух элементов. Надёжность такой схемы соединения определяют по формуле

,

где p(t) - надёжность каждого элемента за время работы t одинакова;

q(t) = 1 - p(t).

Широкое применение в проектировании нашли так называемые мостиковые схемы. Надёжность такой схемы определяют из соотношения вида

.

Здесь все элементы также имеют одинаковую надёжность.



Рис.3. Структурная схема надёжности с поканальным резервированием

Различают структурные схемы надёжности с поканальным и поэле- ментным резервированием. Структурная схема надёжности с поканаль- ным резервированием показана на рис. 3.

Формула надёжности выглядит так:

.

При

Если , то

.

Анализ последних двух схем показывает, что структурная схема с поэлементным резервированием имеет более высокую надёжность по сравнению с поканальным резервированием.

Рис. 4. Структурная схема надёжности с поэлементным резервированием



3. Расчёт безотказности технических систем

Исходные данные:

T=160

л₁=0,014 R₁= e^(-л*t)= 0,106459

л₂=0,022 R₂= 0,029599

л₃=0,017 R₃=0,065875

л₄=0,019 R₄= 0,047835

л₅=0,012 R₅= 0,146607

л₆=0,015 R₆= 0,090718

л₇=0,013 R₇= 0,12493

Схема:

Расчёт ведём способом преобразования с помощью разложения сложной структуры по некоторому базовому элементу.

Согласно схеме базовым элементом выбираем 5 элемент.

На схеме 1 базовый элемент находится в работоспособном состоянии.

На схеме 2 базовый элемент находится в отказавшем состоянии.



Схема 1. Базовый элемент находится в работоспособном состоянии

Схема №1 R(ф=1;?₅=1) - 5 элемент абсолютно надежен

Вычисляем вероятность безотказной работы участка I.

R₂₆=1-(1-R₂)*(1-R₆)=1-(1- 0,029599)*(1- 0,090718)= 0,117632

Вычисляем вероятность безотказной работы участка II.

R₁₇=1-(1-R₁)*(1-R₇)=1-(1- 0,106459)*(1- 0,12493)= 0,218089

Cхема R(ф=1;?5=1)

Вероятность безотказной работы схемы 1 вычисляется по формуле:

R(ф=1;?5=1)=R3*R26*R17*R4

R(t)=0,065875*0,117632*0,218089*0,047835=0,000080



Схема 2. Базовый элемент находится в отказавшем состоянии

Вычисляем вероятность безотказной работы участка I.

R₁₂=R₁*R₂= 0,106459* 0,029599=0,00315108

Вычисляем вероятность безотказной работы участка II.

R₆₇=R₆*R₇=0,090718*0,12493=0,0113334

Вычисляем вероятность безотказной работы участка III

R₁₂₆₇=1-(1-R₁₂)*(1-R₆₇)

R(t) = R₁₂₆₇ = 1- (1-R₁₂) * (1-R₆₇) = 1 - (1-0,00315108) * (1-0,0113334) = =0,014448768



Вероятность безотказной работы схемы 2 вычисляется по формуле:

R(ф=1;?₅=0)= R₁₂₆₇*R₃*R₄

R(ф=1;?₅=0)=0,014448768*0,065875*0,047835=0,00004553

По теории разложения функции логики по произвольному элементу вероятность безотказной работы вычисляется по формуле:

R(t)=R₅* R(ф=1;?₅=1)+ (1-R₅)*(ф=1;?₅=0)

Где R(t) - вероятность безотказной работы системы

R₅ -вероятность безотказной работы 5 элемента

R(ф=1;?₅=1) - вероятность безотказной работы при условии что 5 элемент надежен

R(ф=1;?₅=0) - вероятность безотказной работы при условии что 5 элемент отказал

R(t)= 0,146607*0,000080+(1-0,146607)* 0,00004553=0,00005058



Заключение

В данной работе производится расчет вероятности безотказной работы системы способом преобразования с помощью разложения сложной структуры по некоторому базовому элементу. Вероятность безотказной работы в данной системе R(t)= 0,00005058. Данный показатель является очень плохим для технической системы, так как практически равен нулю. Данную систему практически можно считать не работоспособной.

Список литературы

1. Надёжность технических систем: справочник / Ю.К. Беляев и др. -

М. : Радио и связь, 1985.

2. ГОСТ 27.002-89. Надёжность в технике. Основные понятия, термины и определения.

3. Надёжность технических систем и техногенный риск: учебное пособие / Р.А. Шубин. - Тамбов: Изд-во ФГБОУ ВПО "ТГТУ", 2012. - 80 с. - 50 экз. - ISBN 978-5-8265-1086-5.

Размещено на Allbest.ru