Формирование показателей надежности на стадиях проектирования

Выбор и обоснование показателей надежности

Борьба за создание надежных объектов должна начинаться еще до начала их проектирования. При составлении технических заданий на проектирование необходимо осуществить ряд мероприятий по обеспечению надежности. К числу таких мероприятий относятся:

выбор и обоснование принципов технического обслуживания;

выбор основного показателя надежности;

назначение норм надежности;

распределение норм надежности системы по элементам;

составление программы обеспечения надежности.

Содержание этих взаимно связанных мероприятий во многом зависит от конечной цели, которую стремятся достичь. Обычно эту цель формируют в виде «основного принципа», например: спроектировать изделие в соответствии с заданной «полной стоимостью срока службы». При этом необходимо так сбалансировать затраты на разработку и проектирование изделий с затратами на их эксплуатацию, чтобы общая сумма затрат не превышала заданную при обеспечении наилучших технических характеристик изделий.

Выбор и обоснование принципов технического обслуживания. Принципы технического обслуживания во многом определяют эффективность применения объекта, оказывают существенное влияние на его конструкцию. Формирование этих принципов является одним из важнейших элементов научной политики по совершенствованию перспективных объектов. Обоснование технических требований по этому вопросу состоит в анализе и обсуждении положительных и отрицательных сторон различных систем технического обслуживания.

Рассмотрим примеры влияния принципов организации технического обслуживания на конструкцию объектов.

Существуют следующие правила замены и ремонта отдельных блоков или агрегатов технических объектов: по календарным срокам независимо от наработки объекта; по выработке установленных заранее межремонтных ресурсов; по техническому состоянию. Замена, или ремонт, блоков по календарным срокам, когда не учитывается, использовался объект или нет, ведет обычно к неоправданным материальным потерям. Применяется она лишь при неумении или нежелании организовать учет наработки объектов.

При замене и ремонте отдельных блоков по выработке ресурса незначительно усложняется конструкция объекта (могут устанавливаться измерители наработки). Организация технического обслуживания сохраняется сравнительно простой, но возможности экономии сил и средств используются не полностью.

При замене блоков по техническому состоянию периодически контролируется определяющий параметр блока (агрегата), характеризующий его приближение к отказу или границе допуска. Решение о замене, ремонте или более подробной проверке блока (агрегата) принимается по результатам контроля. При этом значительно сокращаются трудозатраты на обслуживание, расход дорогостоящих агрегатов и деталей и одновременно повышается надежность.

Сказанное о замене и ремонте агрегатов можно распространить на их разборку, проверку и другие работы по техническому обслуживанию.

Замена и ремонт агрегатов по техническому состоянию возможны лишь для объектов, которые специально конструируются с учетом такой особенности технического обслуживания. Необходимо заранее найти определяющие параметры агрегатов, предусмотреть встроенные датчики для их измерения, места подсоединения передвижных средств контроля и др. Кроме того, для полной гарантии безотказной работы объекта целесообразно предусмотреть возможные последствия отказов с тем, чтобы случайный отказ элемента, агрегата, системы по возможности не приводил к чрезвычайному происшествию.

Принципы выбора показателей надежности. Показатель надежности, включаемый в техническое задание на проектируемый объект, должен соответствовать режиму его использования и конструкции. При этом необходимо учитывать последствия отказов. Кроме того, должна обеспечиваться возможность проверки этого показателя при испытаниях и эксплуатации объекта.

Показатели надежности в ряде случаев неравнозначны, что проявляется при сравнении объектов. В качестве примера рассмотрим две модификации объекта, имеющие разные функции надежности (рис. 5.1). В течение технического ресурса (0, /_р) вероятность безотказной работы первой (кривая /) модификации объекта pi (t₀) больше соответствующей вероятности второй модиРис. 5.1. Графики функции надежности:

/_р — технический ресурс изделия; 1, 2 — модификации объекта фикации объекта (кривая 2). Однако значение средней наработки т_н, равное площади под кривой 1 первой модификации объекта, меньше соответствующего значения т,₇ для второй модификации объекта.

Если в качестве показателя надежности принять вероятность безотказной работы, то более надежным будет первый объект; если в качестве показателя надежности принять среднюю наработку, то более надежным будет второй объект. Такие ситуации часто встречаются при решении вопроса о целесообразности применения резервирования.

В настоящее время стала ощущаться необходимость более общего подхода к выбору показателя надежности. Это связано с тем, что в методиках показатели надежности выбираются для изолированных изделий (систем), тогда как эти показатели часто приходится выбирать исходя из необходимости обеспечения качества функционирования системы более высокого уровня, в которую входит рассматриваемое изделие (система). В методиках учитываются не все факторы, влияющие на выбор показателя надежности.

Вначале необходимо собрать сведения о системе, в которую входит рассматриваемый объект. Далее нужно установить назначение объекта. При этом все объекты можно разделить на три группы:

• 1) объекты, предназначенные для работы в системах, эффективность функционирования которых может быть оценена экономическими критериями;
• 2) объекты, функционирование которых связано с обеспечением безопасности;
• 3) объекты, для которых нельзя указать назначение (тип) систем, в которых они будут использоваться.

Для объектов первой группы выбор возможных показателей надежности определен режимом использования объектов. Поэтому на первом этапе выбора показателей надежности необходимо сформулировать режим использования объекта, отнеся его к одному из четырех классов, перечисленных в гл. 1: неремонтируемые объекты; ремонтируемые не восстанавливаемые в процессе применения объекты; ремонтируемые восстанавливаемые в процессе применения объекты с допустимыми перерывами в работе и такие же объекты, но для которых перерывы в работе при отказах недопустимы.

На втором этапе для определенного класса объектов выбирается один из типов показателей надежности: интервальный, мгновенный, числовой. При этом учитываются экономические соображения — тип показателя экономической эффективности и вид зависимости этого показателя от режима функционирования объекта.

Рассмотрим общие соображения по выбору показателей надежности объектов, работающих в системах с экономическими показателями качества функционирования (эффективности).

Большинство используемых показателей экономической эффективности являются функциями от математических ожиданий приведенного полезного эффекта? и приведенных затрат на эксплуатацию и техническое обслуживание ц за все время эксплуатации объекта. Как так и ц зависят от случайных величин: наработки до отказа Т или времени (наработки) между отказами Г, времени восстановления Т_ь.

Для восстанавливаемых объектов, когда перерывы в работе допустимы, справедливы следующие зависимости:

Линеаризуем эти зависимости путем разложения в ряд Тейлора в окрестности математических ожиданий Г, Г_в, оставив лишь линейных членов, и получим выражения для математических ожиданий величин t, и ц:

где т, — среднее время безотказной работы; /и,_в — среднее время восстановления.

Таким образом, для восстанавливаемых объектов, у которых допустимы перерывы в работе, основными показателями надежности являются числовые показатели т, и /я,_в или их сочетание, например к_г Если зависимости ф имеют ограничения (например, при замене всех объектов по истечении технического ресурса), то используются соответствующие условные средние значения.

Для восстанавливаемых объектов, у которых перерывы в работе из-за отказов недопустимы, справедлива релейная зависимость Ф, т. е. полезный эффект может быть получен лишь при безотказной работе в течение заданного времени (/_у, /_yV1). Для таких систем выбирается интервальный показатель надежности — вероятность безотказной работы в течение заданного интервала времени. Аналогично поступают для дежурных систем со случайным режимом использования при отсутствии автоматического контроля работоспособности.

При построении моделей функционирования объектов необходимо учитывать, кроме указанных ранее факторов, также наличие, конструкцию и режим работы системы контроля работоспособности. В качестве примера можно привести автоматические установки пожаротушения (АУП). Для этих ремонтируемых объектов возможны два режима использования (рис. 5.2). При отсутствии системы контроля работоспособности АУП их проверки проводятся через постоянные интервалы времени Дt_k. При отказе установки в период (t_kl, i>) обнаружить неработоспособное состояние установки можно лишь при очередной проверке в момент времени t_{k (M)} или при возникновении пожара. В качестве показателя надежности целесообразно использовать вероятность безотказной работы в течение интервала Дt_k.

Для обоснованного выбора номенклатуры нормируемых показателей надежности системы из условий безопасности необхо;

Рис. 5.2. Графики функционирования автоматических установок пожаротушения при отсутствии (а) и при наличии (б) систем автоматизированного контроля:

f^(l), t^a … — периоды безотказной работы; t_kl, t_a, t_a,… — время проведения профилактик; т^(,), т⁽²⁾, … — периоды ремонта димо выделить основные факторы, влияющие на показатели безопасности. Соответствующие математические модели должны учитывать случайные процессы, протекающие в системе после появления отказов.

Для третьей группы объектов, когда нельзя указать тип системы, в которой они будут использоваться, целесообразно назначить одну любую полную характеристику надежности:

для неремонтируемых изделий — функцию надежности р (!) или плотность распределения наработки до отказа /(/), или интенсивность отказов X (t);

для ремонтируемых невосстанавливаемых в процессе применения изделий (показатели надежности вычисляются по наработке) — условную вероятность p (t_u t₂) безотказной работы в течение заданного времени (t_u t₂) или параметр потока отказов со (/);

для ремонтируемых восстанавливаемых в процессе применения изделий (показатели надежности вычисляются в календарном времени) — функцию готовности Г (/) для изделий, перерывы в работе которых допустимы, и условную вероятность безотказной работы p (t, t₂) для изделий, перерывы в работе которых недопустимы.

На практике, когда предполагается определенный тип закона распределения времени безотказной работы (наработки до отказа) целесообразно задавать:

при показательном распределении наработки (времени) до отказа или между отказами один из следующих показателей: интенсивность отказов X (параметр потока отказов со), среднюю наработку до отказа т, (наработку на отказ т,), вероятность безотказной работы р (Д/₃) в течение заданного интервала времени (наработки) (/, t + Д/₃);

при двухпараметрическом законе распределения наработки (времени) до отказа или между отказами — два показателя (например, при нормальном распределении): т" а, или />(/,), p (t₂).

Если вариант закона распределения заранее неизвестен, то рекомендуется задавать значения p (t) или X (t), или со (/), или других показателей надежности не менее чем при трех значениях заданной наработки (времени). При этом имеется возможность, интерполируя значения соответствующих характеристик, проверить при испытаниях соответствие существующей надежности заданной.