Состояние технических систем

С точки зрения надежности важна четкая классификация состояния объекта. Каждое состояние характеризуют некоторой совокупностью значений параметров, а также качественных величин. Номенклатуру этих параметров и признаков, пределы их допустимых изменений устанавливают в нормативно-технической или проектно-конструкторской документации.

Состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям документации, называют исправным. Если объект не соответствует хотя бы одному из требований документации, то его состояние называют неисправным.

Состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствует требованиям нормативно-технической и конструкторской документации, называют работоспособным.

Если значения хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, соответствует указанным требованиям, то состояние называют неработоспособным.

Работоспособный объект, в отличие от исправного, должен удовлетворять лишь тем требованиям документации, выполнение которых обеспечивает нормальное применение объекта по назначению. Однако работоспособный объект может быть неисправным, например, плохая окраска, вмятина корпуса и т.д.

Для простейших объектов различают работоспособное и неработоспособное состояние. В общем случае вводится понятие частично работоспособного состояния.

В международных стандартах по надежности введена более детальная классификация состояний. Так, в работоспособном состоянии рабочее и свободное состояние, при котором объект не используется по назначению. Состояние неготовности подразделяют на внутренне неработоспособное состояние, вызванное отказом или незавершенностью планового технического обслуживания, и состояние неготовности по внешним организационным признакам, связанным с организационными причинами. 

Особое место в классификации состояний занимают предельные состояния. Предельное состояние объекта определяется физической невозможностью его дальнейшей эксплуатации или недопустимым снижением эффективности. Предельное состояние может также определяться отсутствием допуска для ремонтов, например, эксплуатации в удаленных регионах при отсутствии ремонтной базы и запасных частей.

Центральным понятием теории надежности является понятие «отказа», заключающегося в нарушении рабо­тоспособного состояния объекта. Хотя сам факт отказа объекта –  явление детерминированное, но неполнота сведений об объекте и протекающих в нем и окружающей среде процессах приводит к вероятному характеру отказов, т.е. отказ объекта может бытьвы­зван разными причинами и иметь различный характер и природу. Следовательно, отказы рассматриваются как случайные события, а их число и время возникновения –  как случайные ве­личины.

Для описания моделей теории надежности используется математический аппарат как дискретных, так и непрерывных случайных ве­личин. К дискретным относится: моменты возникновения отказов, значения наработки, ресурса технических систем и др.

Расчеты на надежность – прогнозирование показателей надежности и выбор рациональных решений по обеспечению и (или) повышению надежности –  проводят на основе матема­тических моделей, которые имеют вероятностный или полувероятностпый характер. Поэтому математическим аппаратом теории надежности являются теория вероятностей, математическая статистика и теория случайных процессов. Для экспериментальной оценки надежности значение имеет также теория планирования эксперимента.

Показатели надежности

 

Показате­ли надежности можно разделить на две категории: единичные, которые характеризуют лишь одно свойство, на­пример, только безотказность или только долговечность; комплексные, характеризующие несколько свойств.

1. Вероятность безотказной работы (ВБР)

Безотказность –свойство объекта не­прерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки.

Чем реже отказы в работе, тем выше безотказ­ность. Согласно определению, основным показателем безотказности яв­ляется вероятность Р того, что машина после включения проработает без­отказно некоторое время.Так, Р (50) = 0,8 означает: вероятность того, что машина проработает 50 мин после включения, составляет 80 %. Про­стейшие испытания приборов на безотказность заключаются, например, в том, что 100 приборов ставятся параллельно на испытания и включаются в работу, после чего через желаемые промежутки времени определяется число отказавших и продолжающих работать. В упомянутом случае через 50 мин 20 приборов уже отказали (в любом интервале времени от 0 до 50 мин), а 80 продолжают работать, т.е. их отказы наступят после 50 мин.

Безусловно, вероятность безотказной работы Р зависит от времени t. Функциональная зависимость вероятности Р (t)получила наименование «функция надежности» (правильно было бы назвать «функция безотказности», но термин утвердился). Это первый из показателей безотказности. Этот показатель определяется в предположении, что в начальный период времени объект находился в исправном состоянии.

Функция (ВБР) обладает следующими свойствами

1. 0 ≤ Р (t) ≤ 1.

2. Функция Р (t) есть невозрастающая функция своего аргумента, т.е. если t ₂ > t ₁, то Р (t ₂) ≤ Р (t ₁).

Некоторые характеристики этой функции:

1)   Р (0) = 1, т.е. любое техническое средство должно включаться в
исправном состоянии;

2)  Р (∞)= 0, т.е. любое техническое средство рано или поздно будет
иметь отказы в работе.

В авиационной технике Р (t) = 0,9999 и выше.

Если последствия отказа незначительны, а восстановление не связано с сверхнормативными затратами, то   Р (t) ≤ 0,9.

Приближенная оценка вероятности Р (t) по результатам испытаний может быть осуществлена с помощью формулы , где m – число отказавших систем, N – общее число испытанных систем.

Вероятность того, что отказ объекта произойдет за время, не превышающее заданной величины t, то есть   t < T, равна

Q (t) = Q { T < t } = 1 – P (t), t ≥ 0.

Функция Q (t) представляет собой интегральную функцию распределения случайной величины – времени отказа. Если функция Q (t) дифференцируема, то ее производная есть дифференциальный закон (плотность) распределения случайной величины – времени исправной работы.

Некоторые общие свойства функции распределения Q (t), которые противоположны свойствам функции распределения ВБР Р (t).

1. 0 ≤ Q (t) ≤ 1.

2. Функция распределения Q (t) есть неубывающая функция своего аргумента, то есть при t ₂ > t ₁, Q (t ₂) > Q (t ₁).

3. В начальный момент времени функции распределения равна нулю: Q (0) = 0, и Q (∞)= 1.

Графики функций Р (t), Q (t) представлены на рисунке.

 

Рис. 4.1 График функций:

1 – вероятности безотказной работы, 2 – вероятности отказа, 3 – плотности вероятности отказа

 

В теории надежности принято пользоваться понятием потока событий. Под потоком событий понимается такая последовательность событий, при которой они происходят одно за другим в случайные моменты времени. Основными потоками событий в теории надежности, являются потоки отказов и восстановлений.

В теории надежности обычно используется формула , где е – основание натуральных логарифмов,  – параметр потока отказов как характеристика их интенсивности.

Величина  –   второй показатель безотказности, который можно исчислять как в календарном времени, так и в отработанных рабочих циклах. Так,  = 0,015 означает, что при работе машины возникнет в среднем 1,5 отказа за 100 мин, т.е. размерность   будет отказ/мин.

Средняя наработка до отказа (или математическое ожидание) – это момент первого порядка наработки объекта до первого отказа. Эту величину обычно обозначают T _ср. и называют средним временем безотказной работы

,

где tj – время исправной работы j –го объекта.

Средняя наработка на отказ – отношение наработки восстанавливаемого объекта к математическому ожиданию числа его отказов в течение этой наработки.

Интенсивность  потока  отказов (или плотность) – среднее число отказов в единицу времени: , где – вероятность отказа за период . Приближенно можно принять = m/ n, где m – число отказавших элементов за период ; n – общее число элементов устройства.

Тогда интенсивность потока отказов, ч : .

 Значения  для различных типов систем определяются опытным путем (по специальным методикам испытаний) и заносятся в справочные таблицы. Примерное распределение отказов по видам: 48% – электронное и электрическое оборудование, 37% – механические узлы, 15% – гидро- и пневмоприводы.

Для ремонтопригодных систем высокой надежности характерна повышенная интенсивность отказов  в начале периода эксплуатации системы (периода приработки), слабое изменение интенсивности отказов в период нормальной эксплуатации и резкий рост интенсивности отказов в результате значительного износа элементов системы в период снятия изделия с эксплуатации. Характер изменения интенсивности отказов для сложных технических систем будет иметь вид, представленный на рис.

Рис. 4.2  Характер изменения интенсивности отказов : 1 – 3 – периоды эксплуатации

 

Оценки долговечности технических систем

Долговечность – свойство объекта сохранять работоспособное состояние до предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонтов.

Показатели долговечности технической системы отражают ее наработку до предельного состояния, не допустимого по техническим условиям, и календарную продолжительность эксплуатации системы до момента возникновения предельного состояния. Важнейший показатель долговечности – технический ресурс R  – суммарное время от начала эксплуатации до предельного состояния

.

Технический ресурс деталей, сопряжений, механизмов и устройств оценивается по физическому износу, предельное состояние означает невозможность дальнейшей эксплуатации, после чего должен следовать восстановительный ремонт, либо замена.

Время эксплуатации технической системы с учетом простоев, затрат времени на техническое обслуживание и т.д., называют сроком службы.

Оценка ремонтопригодности технической системы

Ремонтопригодность – свойство, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонта. Чем меньше время обнаружения и устранения отказов, тем выше ремонтопригодность. Длительность простоев для обнаружения и устранения отказов является такой же случайной величиной, как и длительность безотказной работы.

Ремонтопригодность технической системы связана со временем  проведения плановых ремонтов при восстановлении работоспособности технической систем; можно оценить вероятностью выполнения ремонта в заданное время вне зависимости от сложности отказа по формуле: , где  – число восстановленных систем за время из общего числа ремонтируемых систем N.

Сохраняемость – свойство объекта сохранять свои эксплуатационные показатели в течение срока хранения и транспортировки.