Стандартизация надежности в технике

Отказ - событие, заключающееся в нарушении работоспособности объекта. Любой отказ возникает или может возникнуть через некоторый промежуток времени, который является случайной величиной и оценивается наработкой. Различные отказы имеют и разные последствия - от незначительных отклонений в работе объекта до аварийных ситуаций.

Здесь N - число наблюдаемых объектов;

T - установленная наработка или календарная продолжительность наблюдений;

r - число отказов.

Буквы U, R, M в обозначениях планов наблюдений указывают степень и характер восстановления объектов в процессе наблюдения:

U - невосстанавливаемые и незаменяемые в случае отказа;

R - невосстанавливаемые, но заменяемые в случае отказа;

M - восстанавливаемые в случае отказа.

Прочитаем, для примера, некоторые из них:

/N, U, N/ - под наблюдение поставлено N объектов, наблюдения ведутся до отказа всех объектов или достижения ими предельного состояния. Отказавшие объекты не восстанавливаются и не заменяются новыми;

/N, R, r/ - под наблюдение поставлено N объектов, наблюдения ведутся до возникновения r отказов или предельных состояний. Отказавшие объекты не восстанавливаются, но заменяются новыми;

/N, M, T/ - Под наблюдение поставлено N объектов, наблюдение ведется в течение времени T. Отказавшие объекты в случае отказа восстанавливаются.

2. Показатели надежности и методы их определения

Показатели надежности подразделяются на составляющие свойства надежности для невосстанавливаемых и восстанавливаемых объектов (таблица 2).

Таблица 2 - Составляющие надежности для невосстанавливаемых и восстанавливаемых объектов

, (2)

где r(t) - число отказов за время t.

При экспоненциальном законе распределения наработки на отказ, характерном для установившегося режима эксплуатации, вероятность безотказной работы определяется по формуле:

, (3)

где l - интенсивность отказов;

e - основание натуральных логарифмов (e=2,7183);

t - время.

Значение Р(t), как всякой вероятности, может находиться в пределах 0 P(t) 1.

Противоположное понятие - вероятность отказа Q(t). А сумма вероятностей противоположных событий равна единице.

P(t) + Q(t) = 1, (4)

Следует иметь ввиду, что применение вероятности безотказной работы и вероятности отказа без указания периода времени наблюдения не имеет смысла, ибо для различной продолжительности работы объекта вероятность безотказной работы и вероятность отказа будут так же различными.

Средняя наработка до отказа (для невосстанавливаемых объектов) - Тср - математическое ожидание наработки до первого отказа.

При плане наблюдений /N, U, T/ средняя наработка до отказа определяется по формуле

Тср= , (5)

где t_i - наработка i-го объекта до отказа;

T - время наблюдения;

N - число наблюдаемых объектов;

r - число отказов во время наблюдения.

При плане наблюдения /N, U, N/ средняя наработка до отказа определяется по формуле:

Т_ср= , (6)

где tH - суммарная наработка до первого отказа всех наблюдаемых объектов;

N - число наблюдаемых объектов.

Интенсивность отказов - l(t) (для невосстанавливаемого объекта) это вероятность отказа в единицу времени. При плане наблюдения /N, U, T/ определяется по формуле

, (7)

где r - число отказавших объектов за время Т (без их восстановления и замены новыми);

N - число объектов, поставленных под наблюдение;

Т - продолжительность наблюдения.

Для установившегося периода наблюдения при экспоненциальном законе распределения между показателем средней наработки до отказа Тср и интенсивностью отказов l(t) существует зависимость:

, (8)

Наработка на отказ Т0 - это отношение наработки к числу отказов в течение этой наработки и вычисляется по формуле:

, (9)

где t_H - суммарная наработка объекта за время наблюдения без учета времени восстановления;

r - число отказов за время наблюдения (при условии восстановления каждого отказавшего элемента).

Достоинством этого показателя безотказности восстанавливаемых объектов является удобство вычисления его по экспериментальным данным. Поэтому Т0 используется в тактико-технических требованиях (ТТТ) для задания количественных требований надежности восстанавливаемых объектов.

Параметр потока отказов w - это среднее количество отказов в единицу времени. Следовательно, параметр потока отказов - величина, обратная наработке до отказа, т.е.

, (10)

Показатели долговечности

Межгосударственный стандарт ГОСТ 27. 003-90 устанавливает восемь показателей долговечности. Основные из них:

Средний ресурс Тр - это средняя наработка изделия до достижения предельного состояния, оговоренного в технической документации (это может быть средний или капитальный ремонт).

По статистической информации средний ресурс определяется

, (11)

где Tр,n - ресурс n-го объекта;

N - число объектов.

Гамма-процентный ресурс Тр g% - это наработка, в течение которого объект не достигает предельного состояния с заданной вероятностью g процентов. Если g=90%, то ресурс называют «девяностопроцентный ресурс».

Средний срок службы Тсл - это средняя календарная продолжительность срока службы изделия. Различают срок службы до списания, до капитального ремонта, межремонтный срок службы.

Гамма-процентный срок службы Тслg% - календарная продолжительность эксплуатации, в течение которой объект не достигает предельного состояния с вероятностью g процентов.

Как показатель надежности срок службы в отличие от ресурса характеризует долговечность объекта в процессе его эксплуатации и широко используется для нормирования надежности.

Показатели ремонтопригодности

Среднее время восстановления Тв - это математическое ожидание времени восстановления работоспособности объекта.

Под восстановлением работоспособности понимают ремонтный цикл, в течение которого осуществляют в определенной последовательности все установленные НД виды технического обслуживания и ремонта. Единица измерения - чел./часы.

В ряде случаев говорят о средней оперативной трудоемкости (продолжительности, стоимости) технического обслуживания (ремонта) данного вида объекта. Здесь под оперативной трудоемкостью понимают как среднее время восстановления в чел./час, так и стоимость технического обслуживания (ремонта) в рублях.

Показатели сохраняемости

Показателями сохраняемости оценивается способность объекта противостоять отрицательному влиянию условий хранения и (или) транспортирования на показатели безотказности, долговечности и ремонтопригодности, которые были у объекта до начала его хранения и (или) транспортирования.

Для восстанавливаемых и невосстанавливаемых объектов основными показателями сохраняемости являются:

Средний срок сохраняемости Тс - это средняя календарная продолжительность хранения и (или) транспортирования, в течение и после которой показатели безотказности, долговечности и ремонтопригодности объекта не выйдут за установленные пределы.

Гамма-процентный срок сохраняемости Тсg% - гарантируется срок сохраняемости с вероятностью g процентов.

Назначенный срок хранения - календарная продолжительность хранения в заданных условиях, по истечение которой применение объекта по назначению не допускается, независимо от технического состояния.

Комплексные показатели надежности

Комплексные показатели надежности отражают свойства безотказности и ремонтопригодности объектов. Рассмотрим три основных показателя.

Коэффициент готовности kг - вероятность того, что объект окажется работоспособным в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых применение объекта по назначению не предусматривается.

kг оценивает надежность объекта на определенном интервале эксплуатации. Статистически среднее значение коэффициента готовности за определенный интервал эксплуатации объекта оценивается по формуле:

k_г=, (12)

где t_n - суммарная наработка n-го объекта в заданном интервале эксплуатации (Т0);

tвn - суммарная продолжительность восстановления работоспособности n-го объекта в интервале эксплуатации (Тв).

Другими словами, коэффициент готовности это отношение безотказной работы объекта за определенный интервал эксплуатации к сумме безотказной работы и ремонта объекта за тот же период, т.е.:

kг= , (13)

Этот показатель часто используется в качестве нормируемого показателя надежности в ТТТ и в ТТЗ.

Коэффициент технического использования kти - отношение математического ожидания наработки объекта за некоторый период эксплуатации к сумме математических ожиданий наработки, продолжительности технического обслуживания и ремонтов за тот же период эксплуатации.

Статистически kти определяется отношением суммарного времени пребывания объектов в работоспособном состоянии (tn) к произведению числа наблюдаемых объектов (N) за время эксплуатации (Тэкс):

k_ти = , (14)

В отличии от k_г коэффициент kти учитывает так называемые «узаконенные отказы», т.е. простои, вызванные необходимостью проведения плановых технического обслуживания и ремонта. Обычно kти определяют на базе первого ремонтного цикла и на базе последующих ремонтных циклов, т.е. Тэкс это время до окончания ремонтного цикла или от текущего ремонтного цикла до окончания последующего ремонтного цикла.

Коэффициент оперативной готовности kог - это вероятность того, что объект, находясь в режиме ожидания, окажется работоспособным в произвольный момент времени и, начиная с этого момента времени, будет работать безотказно в течение заданного интервала времени:

kог = P(t)^.kг, (15)

где P(t) - вероятность безотказной работы за время с момента которого возникает необходимость применения объекта по назначению, до момента времени, когда применение объекта по назначению прекращается;

kг - коэффициент готовности.

В данном случае kог характеризует надежность объекта, находящегося в режиме ожидания. Под режимом ожидания понимается не только то время, когда объект, находясь в работоспособном состоянии, бездействует, но и то время, когда он работает (или работают его отдельные механизмы), однако эффект от функционирования не используется (например, режим работы в учебных целях и др.).

В режиме ожидания объекты эксплуатируются как восстанавливаемые.

В режиме работы объекты эксплуатируются как невосстанавливаемые и характеризуются вероятностью безотказной работы Р(t) в течение времени их работы по назначению.

Показатель kог достаточно полно отражает модели функционирования различных образцов вооружения, использование которых в боевой обстановке осуществляется в режиме ожидания и в режиме работы.

В заключение рассмотрения количественных показателей надежности следует отметить следующее:

1. Показатели надежности объектов имеют характер системы. Чем большее число показателей используется для анализа надежности объекта, тем более полным становится этот анализ. Но это не означает, что всякий раз надо использовать весь перечень возможных показателей надежности. Этот перечень должен быть целесообразным, т.е. отвечать задаче объективной характеристики свойств объекта.

2. В системе показателей надежности целесообразно выделять главные показатели и вспомогательные, Для объектов сложных по своей структуре, многофункциональным по своим задачам к главным показателям относятся комплексные показатели.

3. Количественные значения показателей надежности следует задавать с учетом двух требований: с одной стороны показатель надежности должен быть не ниже некоторого уровня, который обеспечивает требуемую эффективность; с другой стороны - он не должен превышать этого уровня, ибо это приводит к удорожанию объекта.

4. Показатель надежности объекта всегда должен быть четко сформулирован на понятном для пользователя языке. Если, например, в ТТТ (ТТЗ) указываются требования к наработке на отказ (То), то обязательно должно быть разъяснено, что понимается под отказом данного объекта.

Физическая сущность и классификация отказов

Успешное решение практических вопросов обеспечения надежности военной техники зависит от правильного понимания физической сущности отказов, причин их возникновения, возможных последствий и способов борьбы с ними.

Напомним, что отказ - это событие, заключающееся в нарушении работоспособности объекта. Следовательно, в процессе воздействия на объект эксплуатационных факторов в любой произвольно выбранный момент времени может быть зафиксировано одно из двух возможных состояний объекта: работоспособное и неработоспособное. Но если все же отказ произошел и объект оказался в неработоспособном состоянии, то в каждом конкретном случае причины отказа и его проявления могут оказаться различными.

Различают два основных вида отказов: постепенный и внезапный.

Постепенные отказы возникают в результате изменения параметров и технических характеристик во времени. Они обусловлены физико-химическими процессами, протекающими в объекте под воздействием механической, тепловой, химической, электромагнитной и других видов энергии.

Перечисленные виды энергии воздействуют на объект, вызывая в нем ряд нежелательных процессов, и создают условия для ухудшения технических характеристик. Сам же процесс ухудшения технических характеристик объекта под воздействием физико-химических факторов и фактора времени принято называть «износом» или «старением». Процессы эти, как правило, необратимы и могут протекать с различной скоростью. Они проявляются в виде поломок, деформаций, износа, тепловых трещин, коррозии и т.д.

Постепенный отказ является неизбежным, закономерным результатом износа и старения любого объекта. Поэтому его возникновение нельзя рассматривать как случайное событие. Случайной величиной является только момент наступления отказа, то есть наработка объекта до отказа или предельного состояния. Вероятность отказа Q(t) в течение заданного периода времени от t1 до t2 зависит от длительности предыдущей работы объекта t1ч и связано с процессами износа, коррозии, усталости, ползучести материалов и др. факторами.

Внезапные отказы возникают в результате сочетания неблагоприятных факторов и внешних воздействий, превышающих возможности объекта к их восприятию. Отказ характеризуется скачкообразным изменением одного или нескольких параметров объекта. Сам факт возникновения внезапного отказа можно считать случайным событием, то есть вероятность наступления такого события не равна единице, а сам отказ в течение рассматриваемого отрезка времени может произойти или не произойти. Естественно, что и момент возникновения внезапного отказа тоже является случайной величиной, то есть вероятность его наступления меньше единицы и больше нуля. При этом выход из строя объекта происходит, как правило, внезапно, без предшествующих симптомов разрушения.

Интенсивность отказов при эксплуатации военной техники схематически изображена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Зависимость интенсивности отказов (?) от продолжительности эксплуатации (t)

На рисунке 1 представлена зависимость интенсивности отказов (?) от продолжительности эксплуатации (t), характерная для ВТ, на которой можно, как правило, различить три периода (зависимость а).

Первый, начальный период характерен тем, что здесь проявляются так называемые приработочные отказы, интенсивность которых со временем снижается. Повышенная интенсивность отказов в этот период объясняется возможным наличием скрытых производственных дефектов и приработкой деталей. Этот период присущ лишь сложным образцам ВТ, собранных из комплектующих изделий и частей, изготовленных на разных предприятиях, при условии незначительных отклонений от технологического процесса, превышении допустимых величин внешних воздействующих факторов и др.

Второй период соответствует нормальной эксплуатации машины. Для этого периода характерен примерно постоянный уровень интенсивности отказов. Отказы первого и второго периодов возникают внезапно.

Для изделий, изготовленных на предприятиях с функционирующей сертифицированной системой качества, выпускаемых в строгом соответствии с существующими технологическими процессами, при использовании качественных материалов и комплектующих, первый и второй периоды эксплуатации между собой существенно не отличаются (зависимость б), поэтому стремление разработчиков и изготовителей изделий должно быть направлено на соблюдение этой зависимости. Как правило, реальная зависимость находится между линиями (а) и (б).

Третий период характеризуется нарастанием интенсивности отказов. Это связано с износом изделий и старением материалов. В этом периоде, наряду с внезапными отказами, все в большей степени появляются характерные постепенные, износные отказы. Но при правильной и умелой эксплуатации изделия можно отдалить наступление третьего периода. Путем своевременной профилактической замены близких к предельному состоянию деталей и узлов можно предотвратить их отказы в изделии в процессе их эксплуатации и тем самым исключить или свести к минимуму связанные с появлением отказов вредные последствия. При этом, систематическое выявление и изучение причин отказов позволяет устранить эти причины и тем самым повысить надежность объектов. То есть систематический, хорошо организованный сбор и изучение информации об отказах, анализ их физической природы, обнаружение и устранение их скрытых внутренних причин является реальной возможностью повышения надежности объектов.

Сбор и изучение информации об отказах вооружения и средств РХБ защиты

Сбор и изучение информации об отказах должен обеспечить выявление:

- наименее надежных составных частей и комплектующих элементов, лимитирующих надежность образцов;

- конструкционных и производственных недостатков, следствием которых является недостаточная надежность образцов;

- нарушений правил эксплуатации, недостатков системы технического обслуживания и ремонта образцов;

- несоответствия установленной номенклатуры и объема поставки ЗИП действительным потребностям.

Для реализации этого комплексной системой контроля качества (КСКК) в ГОСТ В 20.57.104 (112, 113, 114) изложены общие требования к формам сообщений о надежности изделий, планированию и организации наблюдений, а также требования к порядку и методам обработки информации о надежности изделий.

На основании перечисленных ГОСТов с учетом специфических особенностей разработано и введено в действие «Положение об организации сбора, обработки и реализации информации о надежности вооружения и средств РХБЗ».

В соответствии с этим Положением военные округа два раза в год (к 15 января и к 15 июня) представляют в ФГУ 33 ЦНИИИ МО РФ сведения о надежности вооружения и средств РХБ защиты по формам №2 и №5.

Форма 2 - это первичное сообщение об отказах и наработке изделий В и С РХБЗ. Она представляется в округа войсковыми частями на основе журналов наблюдений и содержит четыре раздела:

Раздел 1 - учет работы специального оборудования;

Раздел 2 - сведения об отказах специального оборудования;

Раздел 3 - учет технического обслуживания специального оборудования;

Раздел 4 - сведения о ремонтах специального оборудования.

Каждый раздел представляет собой таблицу.

На основании форм 2 военные округа обобщают сведения из войсковых частей в форму 5 - обобщенное сообщение об отказах, неисправностях и наработке специального оборудования, и вместе с формами 2 отправляют в ФГУ 33 ЦНИИИ МО РФ.

В ФГУ 33 ЦНИИИ МО РФ обобщают, обрабатывают всю эту информацию и представляют ее разработчикам и производителям для модернизации изделий с целью устранения причин, снижающих их надежность, совершенствования системы технического обслуживания, ремонта и обеспечения запасными частями.

Таким образом, система сбора, обработки и реализации информации о надежности вооружения и средств РХБ защиты обеспечивает решение задач повышения боевой готовности, качества и эффективности эксплуатации В и С РХБЗ.

Заключение

На сегодняшнем занятии мы рассмотрели следующие учебные вопросы:

- система стандартов «Надежность в технике».

- показатели надежности и методы их определения.

Размещено на Allbest.ru