Надежность систем www nsystem ucoz kz www senimat

Надежность систем www. nsystem. ucoz. kz www. senimat. w. pw www. uralaman. narod. ru E-mail: uralgan. jan@mail. ru Аманжолов Урал Сарсенович Лекция 1

ПРИКЛАДНАЯ ТЕОРИЯ НАДЕЖНОСТИ • • Проблема надежности является ключевой в развитии сложных технических систем. Решение ряда вопросов проектирования производства и эксплуатации АСУ (выбор структуры и рационального резервирования организация системы контроля и профилактики, решение вопросов технологии производства и производственного контроля, проектирования системы снабжения запасными деталями, организации испытаний системы) невозможно без использования теории надежности (ТН). Новая автоматизированная техника имеет право на существование, только когда она надежна. Так академик Трапезников В. A. говорил, что проблема надежности (Н) является ключевой и по существу она решает вопрос - быть или не быть широкой автоматизации [1]. Также он говорил, что повышение срока службы изделий равнозначно увеличению количества выпускаемой продукции [2]. Основные направления развития теории надежности следующие: 1) развитие математических основ теории надежности; 2) развитие статистической теории надежности; 3) развитие физической теории надежности; 4) развитие прикладной теории надежности.

ВВЕДЕНИЕ • Научная дисциплина, изучающая общие методы и приемы, которых следует придерживаться при проектировании, изготовлении, эксплуатации изделий для обеспечения максимальной их эффективности в процессе использования, а также разрабатывающих общие методы расчета качества устройств по известным качествам составляющих их частей, называется теорией надежности (ТН). • ТН является комплексной наукой, относящейся в первую очередь к компетенции инженера, физика, химика, экономиста. Однако большое число вопросов ТН по своему существу носит математический характер и требует для своего разрешения, как известных математических средств, так и разработки новых. Так возникла специальная математическая теория надежности, которая представляет собой систему определенных идей, мат. моделей и методов, направленных на разрешение проблем предсказания, оценки и оптимизации различных показателей надежности. • Для исследования и решения значительной части вопросов, возникающих в ТН, оказываются необходимы методы теории вероятности и математической статистики.

ИСТОРИЯ НАДЕЖНОСТИ • • Теория надежности (ТН) как научная дисциплина возникла в связи с возрастающими требованиями современной техники и в частности с опытом эксплуатации сложных военных систем в годы второй мировой войны. До 1949 года очень редки были статьи по отказам с попыткой их систематизации, изучение срока службы элементов и статьи по проектированию систем с учетом внешних воздействий. Одной из первых областей надежности, в которой были получены определенные результаты, используя математические методы, является область обслуживания систем (Хинчин A. Я. , 1932 и Пальм 1947) -математическая теория стационарной очереди. Математический аппарат решения этих задач опирался на успешный опыт решения задач телефонии Эрлангом и Пальмом. Опыт доказательства того, что распределение Пуассона хорошо описывает входящий поток телефонных вызовов, лег в основу использования экспоненциального распределения в качестве основного закона надежности сложных систем. Применение теории восстановления для решения задач замены рассматривал в 1939 году Дж. Лотка и Кембэлл в 1941 году. Превращением в самостоятельную дисциплину теория восстановления (ТВ) обязана В. Феллеру (1948 -1949). В конце 30 -х годов ученые начали изучать проблему усталости материалов и связанную с ней теорию экстремальных решений (Вейбулл, Гумболь и др. ). В 1939 году Вейбулл, профессор Королевского технологического института Швеции, предложил распределение, удобное для описания длительности жизни материалов, кстати, названная его именем

История • • • В конце 40 -х и начале 50 -х годов вопросы надежности, в особенности испытания на надежность задачи повышения надежности ракет и электронного оборудования стали привлекать библиографический справочник по вопросам контроля отказов и надежности, объединяющий более 600 статей, докладов и книг. После 1950 года слово "надежность" стало появляться все чаще и чаще, стали складываться основные понятия. Появились математические модели для законов распределения отказов систем. Были получены зависимости между проектированием, производством и эксплуатацией. К этому времени различные правительства стали финансировать работы в этом направлении. Последующее развитие ТН получило в работах Барлоу, Прошана, Кокса, Смита, Бирибаума, Сотскова, Герцбаха, Гнеденко, Райкина, Барзиловича, Каштанова, Бруевича и Берга. Если надежность началась только с определений, то сейчас имеется целый ряд стандартов, справочников, монографий и т. д. В СССР Комитет по терминологии при Академии Наук СССР издал государственный стандарт "Надежность в технике. Термины", 1962 год.

ПРИРОДА НАДЕЖНОСТИ • С точки зрения инженера надежность может характеризоваться: • • 1. Вероятностью исправной работы за требуемый период времени "Вероятность"; 2. Допустимыми изменениями прочности, возникающими "Прочность"; 3. Важностью надежности по отношению к другим характеристикам "Важность"; 4. Стоимостью, необходимой для достижения заданного уровня надежности "Стоимость"; 5. Уровня надежности серийного изделия "Качество"; 6. Оптимальной эксплуатацией продукции "Эксплуатация"; 1. Требуемый рабочий цикл (включающий время работы, ремонта и хранения) оборудования должен определяться через временные понятия. Каким, например, должно быть среднее время между отказами и его отношение ко времени поиска и устранения неисправностей. 2. Отказы возникают, когда прочность используемого материала становится недостаточной для действующих на него нагрузок (внешних и внутренних). Эти нагрузки должны сравниваться на этапе проектирования с прочностью материала. 3. Требования к достижению высокой количественной характеристики надежности для получения компромиссного решения. 4. Можно улучшить конструкцию, но при этом всегда следует помнить, что ресурсы времени, денег, людского труда ограничены. Следует искать наилучшие методы, сокращающие стоимость. 5. Когда оборудование производится серийно, то на начальную надежность, заложенную при проектировании, оказывает отрицательное воздействие множество факторов (квалификация персонала, недостаточный контроль качества и т. д. ). 6. При эксплуатации есть трудности связанные с квалификацией обслуживающего персонала, частотой проверок исправности, наличием запасных частей, прогнозированием отказов в процессе эксплуатации и т. д. Все эти факторы можно оценить в стоимостном выражении. Возникает вопрос, когда же стоимость надежности будет оптимальной? Высокие требования по надежности увеличивают стоимость разработки, материалов, производства и испытаний. Однако при этом стоимость эксплуатации, запасных частей, ремонта, прогнозирование отказов и т. д. уменьшается. • •

1. ТЕРМИНОЛОГИЯ НАДЕЖНОСТИ • • Эксплуатация - совокупность всех фаз существования объектов: 1. Транспортировка, 2. Хранение, 3. Использование 4. Ремонт Объекты. Состояния. Свойства Количест. показатели • Изделие Исправность Безотказность Ср. нараб. до 1 -го отказа • Элемент Неисправность • Система Работоспособность Долговечность Вер. безотказной работы (ВБР) • Восстанавливаемый Неработоспособность Ремонтопригодность Частота отказов • Невосст -вливаемый Отказ Надежность Интенсивность отказов • Неремонтируемый Повреждение Эффективность Коэф. тех. использования • Ремонтируемый Предельное Живучесть Коэффициент готовности Сохраняемость Наработка на отказ

1. 2 Объекты исследования • • • 1. Под изделием можно понимать: автомобиль, ЭВМ, блок, прибор, агрегат, узел, элемент, т. е. какое-либо техническое устройство. 2. Элемент - объект исследования, выполняющий заданные функции, обладающий самостоятельной характеристикой надежности и не подлежащий дальнейшему расчленению при данном исследовании надежности. 3. Система - совокупность взаимодействующих элементов, предназначенных для выполнения определенных действий. 4. Объект - это предмет определенного целевого назначения, рассматриваемый в периоды проектирования, изготовления, эксплуатации, исследований и испытаний на надежность. Объектами могут быть изделия, системы и их элементы. 5. Невосстанавливаемые объекты (системы) - объекты (системы), работоспособность которых в случае возникновения отказа не подлежит восстановлению в рассматриваемой ситуации (пример: подводная лодка). 6. Восстанавливаемый объект - работоспособность которого в случае возникновения отказов подлежит восстановлению в рассматриваемой ситуации. 7. Ремонтируемый объект - исправность и работоспособность которого в случае возникновения отказа подлежит восстановлению. 8. Неремонтируемый объект - работоспособность которого в случае возникновения отказа или повреждения не подлежит восстановлению по экономико-технологическим и др. причинам. Элементы соединены в системах следующим образом: 1. Последовательное. 2. Параллельное. 3. Последовательно-параллельное. 4. Мостиковое Последовательное соединение характеризуется тем, что отказ одного из элементов вызывает отказ всей системы. Параллельное соединение характеризуется тем, что отказ системы происходит лишь при отказе всех элементов.

1. 3 Состояния объекта • • 1. ИСПРАВНОСТЬ - состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям, установленным нормативно-технической документацией (НТД), т. е. такое состояние, при котором объект в данный момент времени удовлетворяет всем требованиям, установленным как в отношении основных параметров, характеризующих нормальную работу, так и в отношении второстепенных, таких как удобство эксплуатации, внешний вид и т. д. 2. НЕИСПРАВНОСТЬ - состояние объекта, при котором он не соответствует хотя бы одному из требований, установленных НТД. 3. РАБОТОСПОСОБНОСТЬ - состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции, сохраняя значения заданных основных параметров в пределах НТД. 4. НЕРАБОТОСПОСОБНОСТЬ - состояние объекта, при котором значение хотя бы одного основного заданного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям, установленным в НТД. 5. ОТКАЗ - событие, заключающееся в нарушении работоспособности (полной или частичной). Требование к надежности без указания признаков объекта не имеет смысла. 6. ПОВРЕЖДЕНИЕ - событие, заключающееся в нарушении исправности объекта или его составляющих частей вследствие влияния внешних воздействий, превышающих уровни, установленные в НТД на объекте. Повреждение может быть значительным или незначительным. При первом происходит отказ объекта. При втором - нарушение исправности при сохранении работоспособности. 7. ПРЕДЕЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ - состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация должна быть прекращена из-за ухудшения эффективности, достижения срока эксплуатации, требований эксплуатации. Признаки предельного состояния указаны в НТД. • • •

1. 4 Виды отказов • • Отказы могут быть различными по характеру своего возникновения. 1. ВНЕЗАПНЫЙ ОТКAЗ характеризуется скачкообразным изменением одного или нескольких параметров объекта. Они возникают, из-за непредвиденных и вообще говоря, непредсказуемых воздействий. Иногда их называют мгновенными, а воздействия - стрессами. Возникновение внезапных отказов приводит к необратимым последствиям. Иногда результаты таких воздействий обнаруживаются по некоторому количественному признаку, связанному с возникновением отказов. 2. ПОСТЕПЕННЫЙ ОТКАЗ характеризующийся постепенным изменением одного или нескольких параметров объекта. Этот процесс закономерен в том отношении, что с увеличением времени жизни опасность утраты этих свойств возрастает. Однако сам результат закономерных в смысле постепенных изменений проявляется внезапно. Т. е. процесс износа происходит под влиянием постоянно действующих факторов, имеющих детерминированный и случайный характер. В этом и состоит влияние условий эксплуатации. Однако естественное завершение процесса износа имеет случайный характер. Одной из важнейших задач ТН является задача прогнозирования постепенных отказов. 3. СБОЙ - самоустраняющийся отказ, приводящий к кратковременному нарушению работоспособности. Могут возникать в электронно-импульсных системах и радиоустановках при воздействии на них различного рода помех, наводок и т. д. (залипание контактов, дефекты программы). 4. НЕЗАВИСИМЫЙ ОТКAЗ. 5. ЗАВИСИМЫЙ ОТКAЗ. Помимо перечисленных отказов существуют и другие отказы, такие как: программный, аппаратный, системный , систематический отказ, полный отказ, - частичный отказ, детского возраста