Основные показатели надежности технических систем. госты. На тему «Надежность технических систем Значение надежности в технических системах

Проблемы и задачи надежности ЛК. Основные понятия проблемы и задачи надежности ТС справедливы и для лазерных комплексов ЛК. Экспериментальное определение показателей надежности ЛК во много раз сложнее чем измерение или определение большинства технических параметров. Наука о надежности изучает изменение показателей качества изделий под влиянием тех причин которые приводят к абсолютным изменениям их свойств.


Поделитесь работой в социальных сетях

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск


Лекция 1. Введение в надежность технических систем (ТС). Проблемы и задачи надежности ЛК.

К техническим системам (ТС) относятся технические объекты (изделия, машины, технические комплексы) военного и гражданского назначения. Основные понятия, проблемы и задачи надежности ТС справедливы и для лазерных комплексов (ЛК).

В соответствии с современной теорией надёжности надежность ЛК – это свойство сохранять во времени свою работоспособность, то есть состояние, при котором комплекс способен выполнять заданные функции, сохраняя значения заданных параметров (технических характеристик) в пределах, установленных нормативно-технической документацией.

Событие, которое заключается в нарушении работоспособности, т.е. переходе ЛК в неработоспособное состояние, называется отказом. Отказом ЛК является не только немедленное прекращение функционирования, но и недопустимое снижение технических характеристик, определяющих эффективность выполнения поставленной задачи .

Различные отказы имеют и разные последствия: от незначительных отклонений в работе до аварийных ситуаций.

Области работоспособности ЛК подразделяют на действительную область, которая определяет требуемую работоспособность изделия, и назначенную область, которая диктуется требованиями технических условий к отдельным параметрам.

Работоспособность зависит он наработки - объема работы, который может оцениваться в календарных часах, количестве циклов, количестве импульсов, километрах пробега, времени хранения и т.д .

Измерение времени в календарных часах характерно для таких причин нарушения работоспособности изделия, как коррозия, действие внешних температурных факторов и облучение.

Время работы до отказа является случайной величиной .

Если продолжительность работы изделия регламентируется и является детерминированной величиной, то оно называется установленным ресурсом.

Ресурс – это наработка до предельного состояния, оговоренного в технической документации.

Срок службы – это календарная продолжительность эксплуатации ЛК до предельного состояния с учетом перерывов на техническое обслуживание и ремонт.

Надежность, являясь одним из основных свойств, характеризующих качество работы комплекса, сама также характеризуется рядом свойств, основные из которых - безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость.

Безотказность - свойство непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение определенной наработки без учета вынужденных перерывов.

Долговечность – свойство ЛК сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонтов.

Предельное состояние – это такое состояние, при котором дальнейшее применение ЛК по целевому назначению недопустимо из-за требования безопасности или низкой эффективности, в том числе экономической.

Следует отметить, что долговечность и безотказность неидентичные понятия, они определяют разные стороны одного явления. ЛК может обладать высокой безотказностью и вместе с тем иметь низкую долговечность.

Ремонтопригодность - свойство ЛК, заключающееся в его приспособленности к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей проведением технического обслуживания и ремонтов .

Цель профилактического обслуживания - предупреждение появления неисправности или ненормальных условий работы с помощью таких профилактических способов, как настройка или регулировка, смазка, чистка и внесение некоторых исправлений. Профилактическое обслуживание может также включать в себя замену узлов или элементов, работающих на пределе своих возможностей.

Сохраняемость - свойство ЛК сохранять работоспособное состояние в процессе его хранения.

Таким образом, надежность ЛК - весьма специфическое свойство, зависящее от большого числа различных переменных факторов, многие из которых случайны и трудно поддаются оценке одним числовым показателем. Экспериментальное определение показателей надежности ЛК во много раз сложнее, чем измерение или определение большинства технических параметров.

Надежность, которая характеризует изменение показателей качества во времени, является как бы «динамикой качества», его разверткой во времени. Отсюда, надежность - это свойство изделия сохранять требуемые показатели качества в течение всего периода его использования.

Наука о надежности изучает изменение показателей качества изделий под влиянием тех причин, которые приводят к абсолютным изменениям их свойств.

Надежность изделия является одним из основных показателей его качества .

Стремление обеспечить высокий уровень качества и надежности является основной движущей силой при создании новых и эксплуатации существующих изделий .

Основные свойства надежности (безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость) должны обеспечиваться на всех этапах жизненного цикла ЛК.

При проектировании ЛК устанавливаются и обосновываются необходимые требования к надежности, которые должны обеспечиваться за счет принимаемых рациональных схемных и конструктивных решений. На этой стадии разрабатываются методы защиты от различных вредных воздействий, рассматриваются возможности автоматически восстанавливать утраченную работоспособность, оценивается приспособленность к ремонту и техническому обслуживанию.

При изготовлении (производстве) обеспечивается и контролируется надежность ЛК, зависящая от качества изготовления деталей, методов контроля выпускаемой продукции, возможностей управления ходом технологического процесса, от качества сборки, методов испытания и доводки и других показателей технологического процесса.

При эксплуатации ЛК реализуется его надежность. При этом, она зависит от режимов и условий эксплуатации, принятой системы ремонта, технологии технического обслуживания и других эксплуатационных факторов.

Методы повышения качества и надежности ТС, имея общую для всех технических систем направленность, обладают, как правило, теми или иными специфическими особенностями в зависимости от конструкции, назначения и технических требований, которые предъявляются к конкретному образцу.

В табл. 1.1 приведена классификация технических систем (машин) по их назначению. В ней указаны основные требования к техническим характеристикам ТС различного назначения.

Таблица 1.1.

Уровень надежности должен быть таким, чтобы при использовании ТС в любых, оговоренных техническими условиями (ТУ) ситуациях не возникали отказы, т.е. не нарушалась работоспособность. Кроме того, во многих случаях желательно, чтобы имелся запас надежности для повышения сопротивляемости экстремальным воздействиям, когда техническая система попадает в условия, не предусмотренные ТУ.

Кроме того, запас надежности необходим для обеспечения работоспособности в условиях износа, который приводит к постепенному ухудшению технических характеристик. Поэтому, чем выше запас надежности, тем дольше при прочих равных условиях, ТС будет находиться в работоспособном состоянии.

Недостаточный уровень надежности ТС (как новой, так и «изношенной») может привести к различным последствиям при нарушении её работоспособности, основными из которых являются:

1.- катастрофический отказ , связанный с гибелью людей (в результате авиационных или других катастроф), отказы военной техники в ответственные моменты, необратимые разрушения окружающей среды. Достаточно вспомнить такие трагические события, как авария на Чернобыльской атомной электростанции или гибель космического корабля «Челленджер». В мире постоянно происходят многочисленные аварии и катастрофы.

Например, статистика показывает, что ежегодно в мире происходит около 1200 крупных аварий на судах. На дне мирового океана после аварий находится более 50 ядерных боеголовок и более 10 ядерных реакторов.

2. -отказ, из-за которго ТС перестает функционировать в результате выхода из строя того или иного агрегата (элемента), что приводит к существенным экономическим потерям;

3.- снижение эффективности работы, когда ТС способна функционировать, но с меньшими КПД, производительностью, мощностью, точностью и другими техническими характеристиками, которые были достигнуты для нового изделия.

Поведение ТС с позиций надежности связано с изменением во времени тех ее «выходных» параметров, которые характеризуют целевое назначение и качество.

Оценка параметрической надежности ТС и анализ причин и последствий изменения ее технических характеристик в процессе длительной эксплуатации является фундаментом всей проблемы надежности.

Огромные средства затрачиваются в мире для того, чтобы машинный парк находился в работоспособном состоянии. Создание ремонтных предприятий и заводов по изготовлению запасных частей, применение многоцелевых служб по ремонту и техническому обслуживанию машин, включая системы информации, транспортировки и снабжения, - все это является следствием того, что машины теряют свою работоспособность из-за процессов изнашивания, коррозии, усталостного разрушения и других процессов, приводящих к «старению» машины.

По разным источникам на ремонт и техническое обслуживание машин за все время их эксплуатации затрачивается в 5-10 раз больше средств, чем на изготовление новых.

В индустриально развитых странах приблизительно 4,5 валового национального дохода тратится на трение, износ и коррозию подвижных соединений технических изделий. Это приводит к потерям сырьевых материалов и энергии общей стоимостью в несколько сотен биллионов долларов ежегодно во всем мире.

Особенно велики потери от недостаточной надежности уникальных машин. При выходе их из строя по непредвиденным обстоятельствам велика опасность трагических последствий для людей и окружающей среды.

Поэтому все большее внимание во всем мире уделяется вопросам эксплуатации и ремонта промышленных изделий.

Прогноз развития ведущих отраслей промышленности показывает, что в ХХ I веке по большинству отраслей в сфере эксплуатации и ремонта будет занято до 80…90% всех трудовых ресурсов.

Недостаточный уровень надежности изделий приводит к большим экономическим потерям.

Безопасность функционирования ТС - это комплексная проблема, которая включает вопросы, связанные с деятельностью человека, с организацией труда, с социально-политической ситуацией (например, возможность диверсии), с обученностью персонала, его дисциплинированностью. Надежность ТС, включая ее поведение в экстремальных ситуациях, является одним из основных факторов в проблеме безопасности.

Нарушение работоспособности и выход из строя многих ТС связаны не только с вопросами безопасности и экономическими затратами, но и оказывают непосредственное влияние на окружающую среду и экологическую обстановку на нашей планете.

Работа машин, когда их характеристики (например, КПД, состав выхлопных газов, герметичность, динамические нагрузки, температура и др.) выходят за допустимые пределы, когда осуществляется ремонт и техническое обслуживание машин, особенно при непредвиденных обстоятельствах или при ликвидации последствий аварии, приводят к вредным, часто разрушительным воздействиям на биосферу, на неживую природу, на атмосферу, на весь механизм взаимодействия в окружающем нас мире.

В проблеме создания конкурентоспособной продукции и отыскания наиболее эффективных путей ее сбыта существенную роль играет уровень надежности поставляемых потребителю машин.

Отказ ТС в процессе использования, если даже это не приводит к тяжелым последствиям, наносит серьезный моральный ущерб фирме-изготовителю и подрывает доверие к ней.

При отказах ТС в процессе их эксплуатации или хранения фирмы-изготовители или специальные организации вынуждены создавать разветвленную сеть технического обслуживания и аварийного ремонта с соответствующей информационной системой, добиваясь максимального удовлетворения разнообразных запросов потребителя. Чем выше гарантированный изготовителем уровень надежности ТС, тем, при прочих равных условиях, большей конкурентоспособностью она будет обладать.

Принятие решения о необходимости повышения достигнутого уровня надежности ТС должно опираться на экономический анализ. Современный уровень развития техники позволяет достичь практически любых показателей качества и надежности изделия. Все дело заключается в затратах для достижения поставленной цели.

Таким образом, высоконадежную ТС целесообразно создавать не только по требованиям безотказности и престижности, но и с позиции экономической эффективности.

При увеличении затрат на изготовление новой ТС надо решить вопрос, какую долю этих средств следует использовать для повышения технических характеристик и какую - на повышение надежности.

В условиях интенсивного развития машиностроения практика с ее разнообразными запросами в области проектирования, производства и эксплуатации ставит перед наукой о надежности новые задачи, связанные с прогнозированием, с методами испытания на надежность, с оптимизацией конструкции по критериям качества и надежности.

Вместе с тем, как бы разнообразны не были ТС и условия их работы, формирование показателей надежности происходит по общим законам, подчиняется единой логике событий, и раскрытие этих связей является основой для оценки, расчета и прогнозирования надежности, а также для построения рациональных систем производства, испытания и эксплуатации.

Наука о надежности изучает закономерности изменения показателей качества изделий с течением времени, и на основании этого разрабатываются методы, обеспечивающие с наименьшими затратами времени и средств необходимую продолжительность и безотказность работы ТС.

Следует подчеркнуть, что вопросы достижения определенного уровня показателей качества машин - их точности, мощности, КПД, производительности и других - рассматривают, как правило, отраслевые науки, а «надежность» рассматривает процесс изменения этих показателей с течением времени.

В настоящее время все большие позиции завоевывает методический подход, базирующийся на разработке моделей параметрической надежности, в которых формализуется процесс изменения во времени работоспособности ТС. Вероятностные характеристики этого процесса могут быть спрогнозированы на ранних стадиях создания их.

Поэтому основными особенностями научного аспекта проблемы надежности ТС приняты:

  • учет фактора времени, поскольку оценивается изменение начальных характеристик ТС в процессе ее эксплуатации;
  • прогнозирование возможного изменения состояния объекта при его эксплуатациии;
  • установление связи надежности ТС с показателями ее качества и работоспособности.

К основным задачам надежности относят:

  • На этапе проектирования - расчет сроков службы основных элементов ТС (по износу, усталостной прочности), прогнозирование надежности по ее выходным параметрам, анализ вариантов и выбор рациональной конструкции по показателям надежности, оценка оптимальных режимов работы и области применения с учетом заданного периода сохранения работоспособности.
  • На этапе изготовления нового образца - создание системы управления качеством и надежностью, обеспечение надежности технологического процесса изготовления деталей и узлов ТС, разработка методов испытания образцов по параметрам качества и надежности.
  • На этапе эксплуатации - разработка рациональной системы технического обслуживания и ремонта ТС, создание методов и средств для диагностирования состояния ТС в процессе эксплуатации, создание информационной базы данных о надежности системы и ее элементов.

При решении разнообразных задач надежности необходимо, в первую очередь, установить, как будет вести себя ТС при выполнении своих функций и во взаимодействии с окружающей средой, в результате каких причин будут постепенно изменяться ее технические характеристики.

Общий методологический подход для решения этих проблем представлен на рис. 1.1 в виде физико-вероятностной модели оценки параметрической надежности.

Рис. 1.1. Схема физико-вероятностной модели оценки параметрической надежности.

Данная схема раскрывает основные причинно-следственные связи, приводящие к изменению (деградации) во времени выходных параметров.

Деградация состояния ТС (машины) происходит потому, что при эксплуатации все виды энергии - механическая, тепловая, химическая, электромагнитная - воздействуют на неё и вызывают в ней обратимые и необратимые процессы, изменяющие ее начальные характеристики.

Можно указать следующие основные источники энергетических воздействий на машину:

  • действие энергии окружающей среды, в которой находится ТС в процессе эксплуатации, включая человека, исполняющего функции оператора;
  • внутренние источники энергии, связанные как с рабочими процессами, протекающими в ТС, так и с работой отдельных её агрегатов;
  • потенциальная энергия, которая накоплена в материалах и деталях ТС в процессе их изготовления (внутренние напряжения в отливке, монтажные напряжения);
  • воздействия на ТС при производстве ремонтных работ и при техническом обслуживании.

К основным видам энергии, влияющим на работоспособность ТС относят:

  • Механическую энергию, которая не только передается по всем звеньям ТС в процессе работы, но и воздействует на неё в виде статических и динамических нагрузок от взаимодействия с внешней средой.

Силы, возникающие в ТС, определяются характером рабочего процесса, инерцией перемещающихся частей, трением в кинематических парах. Эти силы являются случайными функциями времени, так как природа их возникновения связана со сложными физическими явлениями и с переменными режимами работы ТС. Например, в достаточно широких пределах изменяются нагрузки в динамических системах, крутящий момент двигателей, усилия на рабочих органах сельскохозяйственных, строительных, текстильных и других машин, силы трения в кинематических парах и др.

Механическая энергия в ТС может проявиться также как следствие тех затрат энергии, которые имели место при изготовлении её частей и сохранились в них в потенциальной форме. Например, деформация деталей при перераспределении внутренних напряжений после сборки узла или после термической обработки детали.

  • Тепловую энергию, действующую на ТС и ее части при колебаниях температуры окружающей среды, при осуществлении рабочего процесса (особенно сильные тепловые воздействия имеют место при работе двигателей и ряда технологических машин), при работе приводных механизмов, электротехнических и гидравлических устройств.
  • Химическую энергию, оказывающую влияние на работу ТС, например, посредством коррозии отдельных узлов на воздухе, который содержит влагу и агрессивные составляющие.

Если же ТС работает в условиях агрессивных сред (оборудование химической промышленности, суда, многие машины текстильной промышленности и др.)‚ то химические воздействия вызывают процессы, приводящие к разрушению отдельных элементов и узлов.

  • Ядерную (атомную) энергию, образующуюся в процессе ядерных реакций и воздействующую на материалы (особенно в космосе), изменяя их свойства.
  • Электромагнитную энергию в виде радиоволн (электромагнитных колебаний), пронизывающих все пространство вокруг ТС и оказывающих негативное влияние на работу электронной аппаратуры, которая все в большем объеме применяется в современных системах.
  • Биологические факторы также могут влиять на работоспособность ТС и вызывать биоповреждения, например, в виде биокоррозии металла, когда на его поверхности развиваются микроорганизмы (так называемые водородные бактерии). Особенно интенсивны эти процессы в тропических странах, где имеются микроорганизмы, которые не только разрушают некоторые виды пластмасс, но могут воздействовать и на металл.

Все виды энергии, действующие на ТС и ее агрегаты, вызывают в ней целый ряд нежелательных процессов, создают условия для ухудшения ее технических характеристик.

Часть процессов, происходящих в ТС, являются обратимыми. Обратимые процессы временно изменяют параметры деталей, узлов и всей системы в некоторых пределах, без тенденции прогрессивного ухудшения. Наиболее характерные примеры таких процессов – упругая деформация узлов и деталей машин, происходящая под действием внешних и внутренних сил, и тепловые деформации конструкций.

Необратимые процессы приводят к прогрессивному ухудшению технических характеристик ТС с течением времени и поэтому их называют процессами старения.

Наиболее характерными необратимыми процессами являются изнашивание, коррозия, усталость, перераспределение внутренних напряжений и коробление деталей с течением времени.

Процессы, изменяющие начальные характеристики ТС, протекают с различной скоростью и могут быть разделены на три основные категории.

Быстро протекающие процессы возникают сразу же, как только ТС начинает функционировать. Эти процессы имеют периодичность изменения, измеряемую обычно долями секунды. Они заканчиваются в пределах цикла работы ТС и вновь возникают при следующем цикле.

Сюда относятся вибрации узлов, изменения сил трения в подвижных соединениях, колебания рабочих нагрузок и другие процессы, влияющие на взаимное положение узлов ТС в каждый момент времени и искажающие цикл ее работы.

Процессы средней скорости связаны с периодом непрерывной работы ТС, их длительность измеряется обычно в минутах или часах. Они приводят к монотонному изменению начальных параметров. К этой категории относятся как обратимые процессы (например, изменение температуры самой ТС и окружающей среды), так и необратимые (например, процесс изнашивания режущего инструмента, который протекает во много раз интенсивнее, чем изнашиваются детали и узлы металлорежущего станка).

Медленно протекающие процессы проявляются в течение всего периода эксплуатации ТС. Они длятся дни и месяцы. К таким процессам относятся изнашивание основных элементов, ползучесть металлов, загрязнение поверхностей трения, коррозия, сезонные изменения температуры.

Эти процессы также влияют на точность, мощность, коэффициент полезного действия и другие параметры ТС, но изменения их происходят очень медленно. Обычные методы борьбы с этими процессами - ремонт и профилактические мероприятия, которые проводятся через определенные промежутки времени.

Следует подчеркнуть, что все процессы являются случайными функциями, для которых характерно рассеивание значений. Для многих ТСнаибольшую роль играет процесс изнашивания.

При рассмотрении влияния различных процессов на выходные параметры ТС следует учитывать и обратную связь, которая существует между ними и состоянием самой ТС. Например, износ отдельных механизмов машины может не только снизить точность ее функционирования, но и привести к возрастанию динамических нагрузок, которые, в свою очередь, интенсифицируют процесс изнашивания. Температурные деформации отдельных звеньев могут не только исказить положение узлов машины и этим повлиять на качество ее работы, но и привести к повышению нагрузок и, как следствие, к повышенному тепловыделению в механизмах.

Общая схема физико-вероятностной модели оценки параметрической надежности (рис. 1.1) показывает, что одной из главных причин необратимого изменения состояния ТС является протекание различных процессов старения в материалах, из которых она выполнена. Это существенно сказывается на работоспособном состоянии ТС. Оценка вероятности выхода технических характеристик ТС за допустимые пределы и является по существу оценкой уровня параметрической надежности машины. Закон распределения ‚ описывающий в дифференциальной или интегральной форме этот вероятностный процесс, называют законом надежности.

Лекция 2. Показатели надежности ТС. Виды отказов.

Для решения задач оценки и анализа надежности ТС, к которым относятся и ЛК военного и гражданского назначения, необходимо в первую очередь установить основные показатели, численные значения которых определяют уровень надежности ТС (изделия, машины, устройства и т.п.).

К основным показателям надежности, которые могут количественно оценивать уровень безотказности, долговечности, сохраняемости и ремонтопригодности ТС относят:

Показатели безотказности.

1.Вероятность безотказной работы является основным показателем безотказности ТС, который показывает вероятность того, что в заданном интервале времени (или в пределах заданной наработки) отказ системы не возникнет.

Вероятность безотказной работы может применяться для оценки уровня безотказности как восстанавливаемых, так и невосстанавливаемых систем и устройств. Значение ‚ как всякой вероятности, может находиться в пределах.

Например, если вероятность безотказной работы ТС в течение равняется 0,95‚ то это означает, что из большого количества систем в среднем 5% потеряют свою работоспособность раньше, чем через работы.

Показатель применим для оценки безотказности и одного изделия. В этом случае он определяет возможность изделия проработать без отказов заданный период времени. Вероятность безотказной работы и вероятность отказа образуют полную группу событий, поэтому

Значение характеризует степень опасности отказа и поэтому, чем ниже его значение, тем, при прочих равных условиях, изделие будет работать более надежно. Например‚ для ответственных изделий авиационной техники допустимые значения вероятности безотказной работы доходят до и выше.

Если последствия отказа связаны с незначительными экономическими потерями, допустимое значение принимается обычно в пределах.

Значение вероятности безотказной работы данного изделия можно определить, если известен закон распределения сроков наработок до отказа, который называют также законом надежности .

На рис. 2.1 представлена схема формирования закона надежности в дифференциальной (плотность вероятности) и интегральной формах .

Причиной отказа является случайный процесс изменения выходного параметра изделия с течением времени от начального до предельно допустимого значения. В силу случайности процесса он может протекать с различной интенсивностью. Поэтому наработки до предельного состояния, т.е. наработки до отказа проявляются как случайная величина.

Рис. 2.1. Схема формирования закона надежности.

Закон распределения может быть выражен в аналитической форме или в виде гистограммы, полученной на основании статистических данных.

Если для данного выходного параметра известен закон распределения наработок до отказа, то вероятность безотказной работы может быть определена для любого заданного значения по зависимости

Численно значения и равны соответственно площади под кривой распределения до и после значения (рис. 2.1,б).

Следует иметь в виду, что применение показателя без указания периода времени ‚ в течение которого рассматривается работа изделия, смысла не имеет .

Чем ниже требования безотказности, тем большую длительность работы изделия можно допускать.

  1. При высоких требованиях к надежности изделия задаются допустимым значением и определяют время работы изделия, соответствующее данной регламентированной вероятности безотказной работы. Значение называется гамма-процентным ресурсом (неслучайная величина) и по его значению судят о большей или меньшей безотказности изделий. При γ =50% получим значение среднего ресурса Тср.р.
  1. При обычных требованиях к надежности, если отказ не приводит к тяжелым последствиям, можно задаваться установленным ресурсом изделия t =Tу.р, (или cроком службы t =Тсл). В этом случае о безотказности изделия судят непосредственно по значению Р(t)‚ соответствующей установленному ресурсу.

2.Параметр потока отказов ω .

,

где:

Ω(t) - среднее число отказов в данном интервале времени от 0 до t (так

называемая ведущая функция);

Т m - наработка на отказ;

Параметр потока отказов ω - это среднее число отказов изделия в единицу времени.

Данный параметр применяется для восстанавливаемых ТС в случае отказов, которые легко устранимы и не приводят к каким-либо значительным последствиям (например, замена инструмента при работе на металлорежущем станке).

3.Запас надежности K н , который представляет отношение Х max к такому значению параметра Х γ, при котором с вероятностью γ параметр не выйдет за данные пределы, т.е.

.

Период времени, в течение которого обеспечивается выполнение условия (Кн≥1), называется гарантированным периодом безотказной работы изделия Tr .

4.Интенсивность отказов (λ-характеристика).

Это условная плотность вероятности возникновения отказа изделия, определяемая для рассматриваемого момента времени при условии, что до этого момента времени отказ не возник.

Интенсивность отказов в общем случае является функцией времени λ(t) и связана с другими характеристиками закона надежности зависимостью

.

Статистически интенсивность отказов оценивают по зависимости

1.14.

где:

Число всех изделий, участвующих в эксперименте;

Число оставшихся исправных изделий на момент времени

В практике расчетов безотказности ТС типа ЛК применение интенсивности отказов целесообразно на периоде нормальной эксплуатации, для которого значение λ-характеристика и принимается постоянной величиной (λ= const ).

Качественная зависимость интенсивности отказов от времени изображена на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Зависимость интенсивности отказов от времени.

Как следует из рисунка, условно можно выделить три временных интервала, на которых поведение λ(t) > 0 существенно различно.

Интервал длительностью от 0 до t 1 - интервал приработки .

На нем интенсивность отказов монотонно уменьшается, достигая к моменту времени некоторой стационарной интенсивности. Само название интервала указывает на то, что на нем отказы устройств обусловлены в основном некачественностью сборки, монтажа, нарушением технологии, дефектами комплектующих изделий и т.д. В начале интервала приработки устройства со скрытыми дефектами отказывают с большей вероятностью. Интенсивность отказов к концу интервала приработки падает.

После этого следует интервал нормальной работы длительностью

t н = t 2 - t 1 .

На этом интервале отказы устройств в основном обусловливаются случайными, факторами, действующими при эксплуатации и скрытыми дефектами. Интенсивность отказов λ можно считать постоянной (λ=const) на всем интервале нормальной работы. Именно эта интенсивность отказов λ, особенно в радиоэлектронике, приводится в справочниках по надежности .

В этом случае вероятность безотказной работы на интервале нормальной работы определяется зависимостью

За интервалом нормальной работы следует интервал старения, на котором интенсивность отказов монотонно возрастает.

На этом интервале все значительнее начинают сказываться усталостные напряжения в элементах конструкций ТС, деградация отдельных функциональных блоков и комплектующих.

Показатели долговечности.

К основным показателям долговечности относят технический ресурс, средний ресурс, гамма-процентный ресурс и срок службы.

5.Технический ресурс – наработка объекта от начала его эксплуатации или возобновления её после ремонта до перехода в предельное состояние.

Для неремонтируемых (невосстанавливаемых) объектов он совпадает с наработкой до отказа.

6.Средний ресурс – математическое ожидание технического ресурса.

7.Гамма-процентный ресурс – наработка, в течение которой объект не достигает предельного состояния с вероятностью γ , выраженной в процентах.

8.Срок службы – календарная продолжительность от начала эксплуатации объекта до перехода в предельное состояние.

Для ремонтируемых ТС различают доремонтный, межремонтный, послеремонтный и полный (до списания) сроки службы. Срок службы измеряется в единицах календарного времени.

Рассмотренные показатели надежности не характеризуют интегрально надежность восстанавливаемой системы. Для этой цели служат комплексные показатели надежности.

Комплексные показатели надежности.

К ним относятся коэффициент готовности, коэффициент оперативной готовности, коэффициент сохранения эффективности и коэффициент технического использования.

9. Коэффициент готовности Kг – вероятность того, что система окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых применение системы по назначению не предусматривается. В общем случае Kг(t) является функцией времени.

Для больших интервалов времени его определяют по формуле

Из этой формулы видно, что коэффициент готовности характеризует одновременно два различных свойства системы: безотказность и ремонтопригодность (восстанавливаемость). T 0 – средняя наработка на отказ. Тв – среднее время восстановления.

10.Коэффициент оперативной готовности характеризует надежность систем, необходимость применения которых возникает в произвольный момент времени и которые должны проработать определенное время с заданной вероятностью безотказной работы:

где

Tp – требуемое время безотказной работы после начала оперативного использования ТС.

До момента оперативного использования ТС может находиться в режиме дежурства (при полных или облегченных нагрузках, но без выполнения заданных рабочих функций) или в режиме применения – для выполнения других рабочих функций. В обоих режимах возможно возникновение отказов и восстановления работоспособности системы.

11.Коэффициент сохранения эффективности – это отношение реального значения показателя эффективности использования ТС по назначению за определенную продолжительность эксплуатации к номинальному значению показателя эффективности, вычисленному при условии, что отказы ТС в течение этого периода не возникают.

В практике, как правило, ограничиваются расчетом коэффициента оперативной готовности.

12.Коэффициент технического использования Kти – это отношение математического ожидания интервала времени пребывания объекта в работоспособном состоянии за некоторый период эксплуатации к длительности этого периода. Коэффициент технического использования (Kти) характеризует долю времени нахождения объекта в работоспособном состоянии за данный период эксплуатации, включающий все виды технического обслуживания и ремонтов, и определяется зависимостью

где Траб - общее время полезной работы машины при ее использовании по назначению за заданный период эксплуатации;

ΣTiрем - суммарное время простоев машины из-за ее ремонта и технического обслуживания за тот же период.

Коэффициент технического использования является безразмерной величиной (0≤Кти≤1), и чем выше его значение, тем машина более приспособлена к длительной работе. Коэффициент Кти численно равен вероятности того, что в данный, произвольно взятый момент времени ТС работает, а не ремонтируется и не находится на техническом обслуживании.

На этапах проектирования и разработки ТС и устройств указанные показатели оцениваются расчетным путем, на этапах производства и эксплуатации определяются на основе результатов испытаний.

Основные виды и классификация отказов.

При расчете показателей надежности большое значение имеет вид и характер возникающих или возможных отказов.

Основными признаками, определяющими различные виды отказов, служат характер возникновения и протекания процессов, приводящих к отказу, последствия отказов и методы их устранения.

С этой точки зрения существуют следующие основные виды отказов:

1. Постепенные и внезапные отказы

Постепенные отказы возникают в результате протекания того или иного процесса старения, ухудшающего начальные параметры изделия .

Основным признаком постепенного отказа является то, что вероятность его возникновения в течение заданного периода времени от до, зависит от длительности предыдущей работы изделия t 1 . Чем дольше использовалось изделие, тем выше вероятность возникновения отказа, т.е. , если. К этому виду относится большинство отказов. Они связаны с изнашиванием, коррозией, усталостью, ползучестью и другими процессами старения материалов, из которых созданы изделия.

Внезапные отказы - это те, причиной которых являются процессы, возникшие в результате сочетания неблагоприятных факторов и случайных внешних воздействий, превышающих возможности изделия к их восприятию .

Основным признаком внезапного отказа является то, что вероятность его возникновения в течение заданного периода времени, не зависит от длительности предыдущей работы изделия.

Примерами таких отказов могут служить тепловые трещины, возникшие в детали вследствие прекращения подачи смазки; поломки детали из-за неправильных методов эксплуатации машины или возникновения перегрузок; деформация или поломка деталей, попавших в непредусмотренные условия работы.

Отказ при этом происходит, как правило, внезапно, без предшествующих симптомов разрушения и не зависит от степени изношенности.

Например, причиной отказа автомобильной покрышки может быть как износ протектора в результате длительной эксплуатации машины, так и прокол, возникший вследствие езды по плохой дороге и неблагоприятного сочетания случайных факторов.

Вероятность отказа покрышки из-за износа протектора у старой покрышки во много раз больше, чем у новой. В противоположность этому прокол - внезапный отказ - не связан с длительностью работы покрышки до данного события. Вероятность его возникновения одинакова как для новых покрышек, так и для изношенных.

Деление на постепенные и внезапные отказы определяется природой их возникновения.

Для постепенного отказа процесс потери работоспособности начинается сразу при эксплуатации изделия.

Для внезапного отказа время его возникновения является случайной величиной. Скорость процесса возникновения протекает весьма быстро.

Может быть и третий вид отказов, который включает особенности двух предыдущих и называется сложным отказом. Здесь время начала возникновения отказа - случайная величина, не зависящая от состояния изделия, а скорость процесса потери работоспособности изделия зависит от физики процесса старения. Например, внешние ударные воздействия на машину от посторонних предметов (редкое случайное событие) могут явиться источником возникновения усталостной трещины из-за первичного повреждения поверхности детали.

2. Отказы функционирования и параметрические отказы.

Отказ функционирования приводит к тому, что изделие не может выполнять возложенные на него функции. Например, в результате отказа редуктор не передает движения, двигатель внутреннего сгорания не запускается, насос не подает масла и т. п. Часто отказ функционирования связан с поломками или заклиниванием отдельных элементов изделия.

Параметрический отказ , который наиболее характерен для современных машин и изделий, возникает при выходе параметров (характеристик) изделия за допустимые пределы. Здесь изделие становится неработоспособным с точки зрения требований, установленных техническими условиями.

Продолжение использования изделия, имеющего параметрический отказ, может привести к весьма тяжелым экономическим и иным последствиям. Например, к выпуску некачественной продукции, которая может быть причиной отказов функционирования в сфере ее эксплуатации, к невыполнению изделием поставленных задач, к большим дополнительным затратам времени и средств. Но роль параметрических отказов важна еще и потому, что в сложных системах параметрические отказы элементов могут привести к отказу функционирования.

Поэтому параметрические отказы являются одним из основных объектов рассмотрения в теории надежности ТС и машин.

3. Фактические и потенциальные отказы.

При эксплуатации изделия рано или поздно наступит его первый, а затем и последующие отказы. Если эти отказы предотвращаются заблаговременным выполнением ремонта и регулировок, то они воспринимаются не как фактические, а как потенциально возможные события. Такие отказы будем называть потенциальными .

Для изготовителей и эксплуатационников характерно постоянное стремление к недопущению любых отказов при работе машины. Это может быть достигнуто не только за счет совершенства конструкции машины, но и путем предотвращения возможных отказов при правильной организации системы ремонта и технического обслуживания, строгого выполнения правил эксплуатации.

Однако отсутствие фактических отказов еще не свидетельствует о высокой надежности машины. Машина может вообще не иметь отказов при эксплуатации, тем не менее уровень ее надежности не будет удовлетворять разработчиков и потребителей, если это достигнуто за счет большого объема профилактических и ремонтных работ. Статистическая информация из сферы эксплуатации, когда учитываются лишь фактические отказы, часто дает неверное представление об уровне надежности ТС и машины.

4. Допустимые и недопустимые отказы.

Все возникающие при работе ТС и машин отказы можно разделить на те, появление которых неизбежно, так как изделие имеет ограниченные возможности по восприятию различных воздействий, и на отказы, которые являются следствием нарушения методов и правил проектирования, изготовления и эксплуатации машины и которые возможно и необходимо избежать.

Допустимые отказы связаны обычно с процессами старения, которые нельзя предотвратить и которые приводят к постепенному ухудшению выходных параметров изделия. Сюда же следует отнести внезапные отказы, которые вызваны неблагоприятным сочетанием факторов, если последние находятся в пределах, указанных в технических условиях. Конструктор может сознательно допускать некоторую (как правило, небольшую) вероятность возникновения отказа, чтобы облегчить и удешевить конструкцию. Это, конечно, допустимо лишь в тех случаях, когда отказ не вызовет катастрофических последствий . Например, даже в самолетных конструкциях допускается развитие усталостных трещин в некоторых элементах и панелях крыльев.

Недопустимые отказы связаны с нарушением условий производства и эксплуатации и с неучтенными факторами.

Во-первых, это отказы из-за нарушения технических условий при изготовлении и сборке изделий. Во-вторых, отказы могут наступить при нарушении правил и условий эксплуатации и ремонта – превышение режимов работы машины выше допустимых, нарушение правил ремонта, ошибки людей, управляющих машиной, и т.п. Кроме этого, существуют и скрытые причины возникновения недопустимых отказов – это неучтенные в технических условиях и нормативах параметры, влияющие на надежность. Изделие может быть выполнено в строгом соответствии с техническими условиями (ТУ), однако сами ТУ не учитывают всех тех объективно существующих факторов, которые влияют на надежность и проявляются в процессе эксплуатации. Анализ принадлежности каждого отказа к той или иной категории классификации позволяет выбирать показатели надежности и модель расчета, правильно отражающие реальную ситуацию, в которой используется изделие.

Нормирование показателей надежности

При создании новой ТС или машины необходимо назначить показатели надежности, чтобы при эксплуатации машины были гарантированы безопасность и высокая эффективность работы.

Обычно, в зависимости от требований к эффективности работы изделия и от требований к его надежности достигается компромисс между ними.

Нормированию подлежат в первую очередь вероятность безотказной работы изделия с оценкой продолжительности периода, в течение которого она оценивается, а для высоконадежных систем, у которых, должен устанавливаться запас надежности и значение.

При этом допустимое значение вероятности безотказной работы является мерой для оценки последствий отказа, которые могут быть самыми разнообразными - от незначительного материального ущерба до катастрофического. Эти последствия связаны с характером самого отказа, с категорией отказа и с такими факторами, как время, необходимое для устранения отказа, вид ремонта, продолжительность существования отказа (возможность самовосстановления работоспособности изделия), влияние данного отказа на вероятность возникновения других отказов и т.д.

Все особенности отказа и его последствий следует характеризовать допустимой вероятностью безотказной работы, которая аккумулирует в себе и численно оценивает опасность последствий отказа.

Так, если отказ существует непродолжительное время, а затем работоспособность машины самовосстанавливается и за это время не произойдет необратимых процессов, то будет допускаться более низкая вероятность безотказной работы, чем при «полном» отказе и более опасных последствиях. При оценке надежности сложных изделий не только машина в целом, но и отдельные ее узлы и агрегаты должны характеризоваться допустимой вероятностью безотказной работы. При нормировании показателей надежности необходимо учитывать специфику конструкции и назначение данной машины.

Обычно применяют шесть классов надежности в зависимости от допустимых значений (табл. 2.2).

Таблица 2.2.

В нулевой класс входят малоответственные детали и узлы, отказ которых остается практически без последствий. Для них хорошим показателем надежности может быть средний срок службы, наработка на отказ или параметр потока отказов.

Классы 1-4 характеризуются повышенными требованиями к безотказности (номер класса соответствует числу девяток после запятой у значения.

В пятый класс включаются высоконадежные изделия, отказ которых

в заданный период недопустим.

Другие похожие работы, которые могут вас заинтересовать.вшм>

21222. Автоматизированный логико-вероятностный расчет надежности параллельно последовательных структур технических систем 49.24 KB
Проблема надежности является ключевой в развитии техники. Одним из перспективных методов анализа надежности сложных систем является логико-вероятностный который основан на математическом аппарате алгебры логики и предполагает определенные связи между отказами системы и событиями от которых они зависят - отказами элементов системы. Цели работы Изучить методику автоматизированного логико-вероятностного расчета ЛВР надежности для различных параллельно-последовательных структур ППС.
17896. Безопасность и надежность систем газоснабжения 1.54 MB
Системы газоснабжения Системы газоснабжения можно разделить на систему газопроводов и автономные системы. Схема одноступенчатой системы распределения газа: 1 - магистральный газопровод; 2 - газораспределительная станция; 3 - кольцевой газопровод; 4 - ответвления к потребителям; 5 - тупиковый газопровод. Центром такой системы является хранилище газа называемое газгольдером. Неотъемлемая часть автономной системы газоснабжения – надежная система защиты.
20296. Проблемы и задачи проектирования отраслевых информационно-аналитических систем 519.23 KB
В данной работе необходимо разработать программу а точнее систему управления базой данных какой-либо риэлторской фирмы для определенного города которая позволяет вносить удалять и изменять данные. Область применения: эта небольшая по размеру программа управления базой данных применима в основном для частных коммерческих организаций занимающихся непосредственно продажей недвижимости в частности квартир: однокомнатных двухкомнатных трехкомнатных и домов. На этапе разработки будущей системы именно ему необходимо определить объем и состав...
1795. Создании технических систем и технологий 31.08 KB
Основные особенности задач решаемых при проектировании технических объектов; Применить научный подход к анализу и синтезу решений при проектировании технических объектов; Использовать методы анализа и синтеза технических решений для построения автоматизированных систем проектирования технических объектов;
14277. Введение в анализ, синтез и моделирование систем 582.75 KB
Строго говоря различают три ветви науки изучающей системы: системологию теорию систем которая изучает теоретические аспекты и использует теоретические методы теория информации теория вероятностей теория игр и др. Организация системы связана с наличием некоторых причинноследственных связей в этой системе. Организация системы может иметь различные формы например биологическую информационную экологическую экономическую социальную временную пространственную и она определяется причинноследственными связями в материи и социуме. У...
1388. Разработка и реализация программного обеспечения ориентированного на определение вероятностных характеристик надежности элементов по наблюдениям вероятностных характеристик надежности всей системы 356.02 KB
Естественным подходом, эффективно применяемым при исследовании СС, является использование логико-вероятностных методов. Классический логико-вероятностный метод предназначен для исследования характеристик надёжности структурно-сложных систем
9552. Введение в эргономику. Структура эргономики, основные понятия эргономики Цель и задачи эргономики 196.47 KB
Эргоно́мика (от др.-греч.ἔργον - работа и νόμος - «закон») - в традиционном понимании - наука о приспособлении должностных обязанностей, рабочих мест, предметов и объектов труда, а также компьютерных программ для наиболее безопасного и эффективного труда работника, исходя из физических и психических особенностей человеческого организма.
16108. Модернизация пенсионных систем: достигнутые рубежи и ключевые проблемы 21.64 KB
Одновременно в этой группе стран поддерживалось развитие добровольного профессионального и индивидуального пенсионного страхования были сформированы специальные резервные фонды средства которых предназначены для смягчения финансового бремени связанного со старением населения. Добровольное пенсионное накопление наиболее успешно развивается и охватывает максимальное число занятых до 45-50 в странах в которых обязательное пенсионное страхование обеспечивает относительно невысокий...
13364. Статистика рынка труда: основные категории, задачи статистического изучения, актуальные проблемы, организация статистического наблюдения 9.53 KB
Анализ функционирования экономики не возможен без характеристики трудового потенциала страны и территории занятости населения эффективности использования живого труда оплаты труда организации условий труда. Традиционно вопрос состояния и развития трудового потенциала и занятости населения в отечественной статистике изучался в рамках статистики трудовых ресурсов а вопрос рабочей силы использования рабочего времени производительности труда оплаты труда организации и условий труда изучался в рамках статистики труда. Переход к рыночной...
10647. Основные проблемы молекулярной биофизики. Физика биополимеров как раздел молекулярной биофизики и ее задачи. Первый закон термодинамики 110.11 KB
Биология – это наука о живой природе объекты которой неизмеримо сложнее неживых. В этом определении нет разграничения живой и неживой природы. Она не сводится к использованию физических методов или приборов в биологических экспериментах. Медицинский термометр электрокардиограф томограф микроскоп – физические приборы но биолог или врач использующие эти устройства не занимаются биофизикой.

Показателями надежности называют количественные характеристики одного или нескольких свойств объекта, составляющих его надежность. Значения показателей надежности получают по результатам испытаний или эксплуатации. По восстанавливаемости изделий показатели надежности подразделяют на показатели невосстанавливаемых изделий и показатели для восстанавливаемых изделий.

Невосстанавливаемым называют такой элемент, который после работы до первого отказа заменяют на такой же элемент, так как его восстановление в условиях эксплуатации невозможно. В качестве примеров невосстанавливас-мых элементов можно назвать диоды, конденсаторы, триоды, микросхемы, гидроклаианы, пиропатроны и т. п.

Большинство сложных технических систем с длительными сроками службы являются восстанавливаемыми, т. е. возникающие в процессе эксплуатации отказы систем устраняют при ремонте. Технически исправное состояние изделий в процессе эксплуатации поддерживают проведением профилактических и восстановительных работ.

Надежность изделий, в зависимости от их назначения, можно оценивать, используя либо часть показателей надежности, либо все показатели.

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 невосстанавливае-мым изделиям.

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 ее 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 - эго календарная продолжительность работы технической системы от начала эксплуатации до выбраковки с учетом времени работы после ремонта;
    • - гамма-процентный срок службы - календарная продолжительность эксплуатации, в течение которой объект не достигнет предельного состояния с вероятностью у, выраженной в процентах.
  • 2) Показатели, связанные с ресурсом изделия:
    • - ресурс - суммарная наработка объекта от начала его эксплуатации или ее 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 у, выраженной в процентах.

Единицы для измерения ресурса выбирают применительно к каждой отрасли и к каждому классу машин, агрегатов и конструкций отдельно.

Комплексные показатели надежности. Показателем, определяющим долговечность системы, объекта, машины, может служить коэффициент технического использования.

Коэффициент технического использования - отношение математического ожидания суммарного времени пребывания объекта в работоспособном состоянии за некоторый период эксплуатации к математическому ожиданию суммарного времени пребывания объекта в работоспособном состоянии и всех простоев для ремонта и технического обслуживания. Коэффициент технического использования, взятый за период между плановыми ремонтами и техническим обслуживанием, называется коэффициентом готовности, который оценивает непредусмотренные остановки машины и что плановые ремонты и мероприятия по техническому обслуживанию не полностью выполняют свою роль.

Показателем надежности невосстанавливаемого элемента или всей системы является вероятность безотказной работы P(t) за заданное время / или функция надежности, которая является функцией, обратной функции распределения:

P(t) = l-F(t) = P(r>t),

где Р(/) - вероятность отказа элемента до момента /; т - время работы невосстанавливаемого элемента.

Графически функция надежности представляет собой монотонно убывающую кривую (рис. 6.7); при / = О Р{1 = 0) = 1, при / -«о Р(1 = оо) = 0.

Рис. 6.7.

В общем виде вероятность безотказной работы Р(0 испытуемых элементов конструкций определяется как отношение числа элементов оставшихся исправными в конце времени испытания к начальному числу элементов поставленных на испытание:

/>(*) = (ЛГ - „)/#,

где N - начальное число испытуемых элементов; п - число отказавших элементов за V, N - п = п 0 - число элементов, сохранивших работоспособность.

Величина P(t) и вероятность появления отказа F(t) в момент времени t связаны соотношением

P(t) + F(t)-,

откуда F(t) = l- P(t) или F(t) = -n 0 / N.

Причина возникновения внезапных отказов не связана с изменением состояния объекта и временем его предыдущей работы, а зависит от уровня внешних воздействий. Внезапные отказы оцениваются интенсивностью отказов А(0 - вероятностью возникновения отказа в единицу времени при условии, что до этого момента времени отказ не возник. В общем виде вероятность безотказной работы можно выразить через интенсивность отказов А.(/):

P(t) = exp

Показатель А(0 измеряется числом отказов в единицу времени (ч "). С помощью данного выражения можно получить формулу для вероятности безотказной работы любого элемента технической системы при любом известном распределении времени наработки на отказ. Функция А(/) может быть определена по результатам испытаний. Многочисленные опытные данные показывают, что для многих элементов график функции А(7) имеет «корытообразный» вид (рис. 6.8).


Рис. 6.8.

от наработки /

Анализ графика показывает, что время испытания можно условно разбить на три периода. В первом из них функция А(/) имеет повышенные значения. Это период приработки или период ранних отказов для скрытых дефектов. Второй период называют периодом нормальной работы. Для этого периода характерна постоянная интенсивность отказов. Последний, третий период - это период старения. Так как период нормальной работы является основным, то в расчетах надежности принимается k(t) - const. В этом случае при экспоненциальном законе распределения функция надежности имеет вид:

P = ехр

Р(/) = ехр[-(?1, + А. 2

Одной из важнейших характеристик безотказности системы является среднее время «жизни» объекта, которое вычисляют, используя выражение:

г 0 =|р(^ = / ех р(-М Л =т-0 0 ^

Поэтому функцию надежности можно записать и так:

/ 5 (/) = ехр(-/ / Г 0).

Если время работы элемента мало по сравнению со средним временем «жизни», то можно использовать приближенную формулу:

Для случая экспоненциального распределения среднее время «жизни» системы равно

А,] + А, + ... + А. ((

Пример 6.4. Определить среднее время «жизни» системы за период времени I = 10 ч, если известно, что система состоит из пяти элементов с соответствующими интенсивностями отказов, ч- 1: ^ = 2 10 э; к 2 = 5 10" 5 ; Х, 3 = 10" 5 ; Х, 4 = 20 КГ 5 ; А-5 - 50 10" 5 . Результатами испытаний установлено, что распределение наработки на отказ подчиняется экспоненциальному закону.

Решение. С учетом экспоненциального закона распределения наработки на отказ определим вероятность безотказной работы:

/’(?) = ехр «1-(Я, + Я, 2 + А, 3 + А. 4 + Я. 5)г =

1 -(2 + 5 + 1 + 20 + 50)10“ 5 -10 = 0,992.

При тех же условиях определяем среднее время «жизни» системы:

  • 1 I А/л I *« I А/
  • 1 1 п
  • 1/(2+ 5 + 1+ 20+ 50)10~ 5 =10 5 /78 = 1282 ч.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

СХЕМА, НАДЕЖНОСТЬ, ОТКАЗ, МОДЕЛИРОВАНИЕ, ОБРАЗЕЦ, БЕЗОТКАЗНОСТЬ, РЕМОНТОПРИГОДНОСТЬ, ИНТЕНСИВНОСТЬ ОТКАЗОВ, РЕЗЕРВИРОВАНИЕ.

Цель курсовой работы заключается в выполнении двух заданий. Первое задание связано с построением структурной схемы надежности технологического процесса. Второе задание связано с преобразованием заданной согласно варианту структурной схемы и определением показателей надежности.

Объектом данной работы является оценка надежности технических систем. Решалась задача по повышению параметров надежности при заданной гамма-процентной наработке.

Составлена структурная схема надежности технологического процесса. Произведен расчет единичных показателей надежности элементов технического устройства. Выполнено построение графика зависимости Р = f(t).

В результате были разработаны предложения по повышению параметров надежности при заданной гамма-процентной наработке. Сделаны выводы по работе и методам повышения надежности технических процессов устройств.

надежность технологический устройство

Термины и определения

Введение

2. Расчётная часть

2.2 Преобразование заданной структурной схемы и определение показателей надежности

Заключение

Приложение А (информационное) Расчет вероятности безотказной работы системы

Нормативные ссылки

В данной курсовой работе использованы следующие нормативные документы:

ГОСТ 7.1 - 2003 СИБИД. Библиографическая запись. Библиографическое описание. Общие требования и правила составления

ГОСТ 27.301 - 95 ССНТ. Расчет надежности. Основные положения

ГОСТ 27.310 - 95 ССНТ. Анализ видов, последствий и критичности отказов. Основные положения

СТП КубГТУ 1.9.2 - 2003 СМК. Документирование системы менеджмента качества. Стандарт предприятия

СТП КубГТУ 4.2.6 - 2004 СМК. Учебно-организационная деятельность. Курсовое проектирование

Термины и определения

В настоящей курсовой работе применяются следующие термины с соответствующими определениями:

1 Надежность - это свойство системы или элемента выполнять заданные функции, обусловленное безотказностью, долговечностью и ремонтопригодностью.

2 Безотказность- это свойство системы или элемента непрерывно сохранять работоспособное состояние в течении некоторого времени или некоторой наработки.

3 Вероятность безотказной работы - вероятность того, что в заданном интервале времени или в пределах заданной наработки отказ не возникает.

4 Элемент - составная часть системы.

5 Техническая система - совокупность технических устройств (элементов), предназначенных для выполнения определенной функции или функций.

Введение

В условиях перехода к рыночной экономики задача всемирного улучшения технического уровня и качества продукции приобретает первостепенное значение. Надежность и качество машин необходимо для повышения степени автоматизации, уменьшения огромных затрат на ремонт и убытков от простоя оборудования и техники, обеспечивающей безопасность людей и охрану окружающей среды. Расширение условий эксплуатации, повышение ответственности выполняемых техническими системами функций, их усложнение приводит к повышению требований к надежности изделий.

Надежность является сложным свойством, и формируется такими составляющими, как безотказность, долговечность, восстанавливаемость и сохраняемость. Основным здесь является свойство безотказности. Потому наиболее важным в обеспечении надежности технических систем является повышение их безотказности.

Особенностью проблемы надежности является ее связь со всеми этапами "жизненного цикла" технических систем от зарождения идеи создания до списания: при расчете и проектировании изделия его надежность закладывается в проект, при изготовлении надежность обеспечивается, при эксплуатации - реализуется. Поэтому проблема надежности - комплексная проблема и решать ее необходимо на всех этапах и разными средствами. На этапе проектирования изделия определяется его структура, производится выбор или разработка элементной базы, поэтому здесь имеются наибольшие возможности обеспечения требуемого уровня надежности технических систем. Основным методом решения этой задачи являются расчеты надежности (в первую очередь - безотказности), в зависимости от структуры объекта и характеристик его составляющих частей, с последующей необходимой коррекцией проекта.

1. Основные показатели надежности

Надежность невосстанавливаемых систем характеризуется следующими показателями: интенсивностью отказов ((t)) , наработкой на отказ (Тср), вероятностью безотказной работы (P(t)). Для восстанавливаемых систем, кроме указанных показателей надежности, определяется коэффициент готовности (kr).

Интенсивность отказов (t) есть отношение числа отказов изделий (n(t)) за некоторый промежуток времени (t) к числу работоспособных изделий (N-n(t)) в начале этого промежутка.

(t)= n(t)/(t*) (1)

где N - общее число изделий;

n(t) - число отказавших изделий к началу рассматриваемого промежутка времени.

Расчет основных показателей надежности аппаратуры основан на следующих допущениях:

а) отказ любого элемента влечет за собой отказ данного экземпляра аппаратуры;

б) отказы отдельных элементов являются случайными и независимыми событиями;

в) интенсивность отказов элементов изделия определяется исключительно режимами их работы и не зависит от времени их использования (старение элементов отсутствует), т.е. =сonst, что соответствует экспоненциальному закону распределения времени безотказной работы. Такие отказы принято называть внезапными. Они случайным образом проявляются при эксплуатации и принципиально не могут быть обнаружены профилактическим контролем или устранены тренировкой изделий.

Надежность элемента системы характеризуется вероятностью

безотказной работы элемента в заданных режимах и условиях в течение требуемого времени. Надежность элементов схемы изменяется в зависимости от режимов и условий работы.

Режим работы элемента определяется характеров включения его (длительным, кратковременным, импульсным) и величиной нагрузки. Для характеристики нагрузки элемента обычно вводят понятие коэффициента нагрузки (kн), под которым понимают отношение значения некоторого параметра, характеризующего работу элемента в реальном режиме, к его номинальному значению, предусмотренному техническими условиями. Например, у сопротивлений таким параметром является рассеиваемая мощность, у конденсаторов - приложенное напряжение.

Условиями работы элемента определяются параметрами окружающей среды: ее температурой, влажностью, давлением и т.д., а также механическими, электрическими, магнитными и другими внешними воздействиями.

Конечной целью расчета надежности технических устройств является оптимизация конструктивных решений и параметров, режимов эксплуатации, организация технического обслуживания и ремонтов. Поэтому уже на ранних стадиях проектирования важно оценить надежность объекта, выявить наиболее ненадежные узлы и детали, определить наиболее эффективные меры повышения показателей надежности. Решение этих задач возможно после предварительного структурно - логического анализа системы.

Большинство технических объектов являются сложными системами, состоящими из отдельных узлов, деталей, агрегатов, устройств контроля, управления и т.д.

Расчленение технической системы на элементы достаточно условно и зависит от постановки задачи расчета надежности. Например, при анализе работоспособности технологической линии ее элементами могут считаться отдельные установки и станки, транспортные и загрузочные устройства. В свою очередь станки и устройства также могут считаться техническими системами и при оценке их надежности должны быть разделены на элементы - узлы, блоки, которые, в свою очередь - на детали.

При определении структуры технической системы в первую очередь необходимо оценить влияние каждого элемента и его работоспособности на работоспособность системы в целом. С этой точки зрения целесообразно разделить все элементы на четыре группы:

а) элементы, отказ которых практически не влияет на работоспособность системы (например, деформация кожуха, изменение окраски поверхности и т.п.);

б) элементы, работоспособность которых за время эксплуатации практически не изменяется и вероятность безотказной работы близка к единице (корпусные детали, малонагруженные элементы с большим запасом прочности);

в) элементы, ремонт или регулировка которых возможна при работе изделия или во время планового технического обслуживания (наладка или замена технологического инструмента оборудования, настройка частоты селективных цепей ТС и т.д.);

г) элементы, отказ которых сам по себе или в сочетании с отказами других элементов приводит к отказу системы.

Очевидно, при анализе надежности технической системы имеет смысл включать в рассмотрение только элементы последней группы.

Для расчетов параметров надежности удобно использовать структурно - логические схемы надежности технической системы, которые графически отображают взаимосвязь элементов и их влияние на работоспособность системы в целом. Структурно - логическая схема представляет собой совокупность ранее выделенных элементов, соединенных друг с другом последовательно или параллельно. Критерием для определения вида соединения элементов (последовательного или параллельного) при построении схемы является влияние их отказа на работоспособность технической системы.

Системой с последовательным соединением элементов называется система, в которой отказ любого элемента приводит к отказу всей системы. Такое соединение элементов в технике встречается наиболее часто, поэтому его называют основным соединением.

В системе с последовательным соединением для безотказной работы в течении некоторой наработки t необходимо и достаточно, чтобы каждый из ее n элементов работал безотказно в течении этой наработки. Считая отказы элементов независимыми, вероятность одновременной безотказной работы n элементов определяется по теореме умножения вероятностей: вероятность совместного появления независимых событий равна произведению вероятностей этих событий:

Соответственно, вероятность отказа такой ТС

Если система состоит из равнонадёжных элементов (), то

Если все элементы системы работают в периоде нормальной эксплуатации и имеет место простейший поток отказов, наработки элементов и системы подчиняются экспоненциальному распределению и на основании (2) можно записать

есть интенсивность отказов системы. Таким образом, интенсивность отказов системы при последовательном соединении элементов и простейшем потоке отказов равна сумме интенсивностей отказов элементов.

Системой с параллельным соединением элементов называется система, отказ которой происходит только в случае отказа всех ее элементов. Такие схемы надежности характерны для ТС, в которых элементы дублируются или резервируются, т.е. параллельное соединение используется как метод повышения надежности. Однако такие системы встречаются и самостоятельно (например, системы двигателей четырехмоторного самолета или параллельное включение диодов в мощных выпрямителях).

Для отказа системы с параллельным соединением элементов в течение наработки t необходимо и достаточно, чтобы все ее элементы отказали в

течение этой наработки. Так что отказ системы заключается в совместном отказе всех элементов, вероятность чего (при допущении независимости отказов) может быть найдена по теореме умножения вероятностей как произведение вероятностей отказа элементов:

Соответственно, вероятность безотказной работы

Для систем из равнонадежных элементов ()

т.е. надежность системы с параллельным соединением повышается при увеличении числа элементов.

Поскольку, произведение в правой части (7) всегда меньше любого из сомножителей, т.е. вероятность отказа системы не может быть выше вероятности самого надежного ее элемента (“лучше лучшего”) и даже из сравнительно ненадежных элементов возможно построение вполне надежной системы.

Мостиковая структура не сводится к параллельному или последовательному типу соединения элементов, а представляет собой параллельное соединение последовательных цепочек элементов с диагональными элементами, включенными между узлами различных параллельных ветвей. Работоспособность такой системы определяется не только количеством отказавших элементов, но и их положением в структурной схеме.

Для расчета надежности мостиковых систем, представленной на рисунке 1,можно воспользоваться методом прямого перебора, но при анализе работоспособности каждого состояния системы необходимо учитывать не только число отказавших элементов, но и их положение в схеме. Вероятность безотказной работы системы определяется как сумма вероятностей всех работоспособных состояний.

Для анализа надежности ТС, структурные схемы которых не сводятся к параллельному или последовательному типу, можно воспользоваться также методом логических схем с применением алгебры логики (булевой алгебры).

Рисунок 1- Мостиковые системы

Применение этого метода сводится к составлению для ТС формулы алгебры логики, которая определяет условие работоспособности системы. При этом для каждого элемента и системы в целом рассматриваются два противоположных события - отказ и сохранение работоспособности.

Для составления логической схемы можно воспользоваться двумя методами - минимальных путей и минимальных сечений.

Рассмотрим метод минимальных путей для расчета вероятности безотказной работы на примере мостиковой схемы (рис. 1,а).

Минимальным путем называется последовательный набор работоспособных элементов системы, который обеспечивает ее работоспособность, а отказ любого из них приводит к ее отказу.

Минимальных путей в системе может быть один или несколько. Метод минимальных путей дает точное значение только для сравнительно простых систем с небольшим числом элементов. Для более сложных систем результат расчета является нижней границей вероятности безотказной работы.

Для расчета верхней границы вероятности безотказной работы системы служит метод минимальных сечений.

Минимальным сечением называется набор неработоспособных элементов, отказ которых приводит к отказу системы, а восстановление работоспособности любого из них - к восстановлению работоспособности системы. Как и минимальных путей, минимальных сечений может быть несколько. Очевидно, система с параллельным соединением элементов имеет только одно минимальное сечение, включающее все ее элементы (восстановление любого восстановит работоспособность системы). В системе с последовательным соединением элементов число минимальных путей совпадает с числом элементов, и каждое сечение включает один из них.

2. Расчетная часть

2.1 Построение структурной схемы надёжности

Для расчета используется установка фтористоводородного алкилирования изобутана олефинами, представленная на рисунке 2.

1 - колонны для осушки; 2 - реакторы; 3 - печь; 4 - колонна-регенератор; 5 - отстойник; 6 - пропановая колонна; 7 -паровые нагреватели; 8 - теплообменники; 9 - центробежные насосы.

Потоки: I - олефины; II - изобутан; III - катализатор на регенерацию; IV - свежий катализатор; V - циркулирующий изобутан; VI - смесь катализатора с углеводородами; VII - алкилат; VIII - пропан

Рисунок 2 - Установка фтористоводородного алкилирования изобутана олефинами

Исходное сырьё проходит бокситную осушку в колоннах 1 и поступает в реакторы 2. Реакторы применяются трубчатого типа, с водяным охлаждением, так как реакция протекает при 20 - 40 °С. На некоторых установках реакторы конструктивно объединены с отстойниками. Особенность установок фтористоводородного алкилирования - наличие системы регенерации катализатора. Алкилат после отстоя от основного объёма фтористоводородной кислоты поступает в колонну-регенератор 4, где циркулирующий изобутан отделяется в виде бокового погона. Колонна-регенератор 4 обогревается внизу посредством циркуляции остатка через печь 3. При этом от алкилата отпаривается изобутан, пропан и катализатор. При нагреве остатка до 200 - 205 °С разрушаются также органические фториды, образующиеся в качестве побочного продукта реакции. С верха колонны-регенератора 4 уходят пары пропана, фтористого водорода и некоторое количество изобутана. После конденсации часть этой смеси возвращают в реакторы, часть подают на орошение колонны 4, а остальной поток направляют в пропановую колонну 6, с верха которой уходит отпаренная фтористоводородная кислота, а с низа - пропан со следами изобутана.

Для ещё более полного возврата катализатора предусмотрена также регенерация в отдельном блоке части кислотного слоя из отстойника. Алкилат с низа колонны 4 после охлаждения проходит через бокситные колонны, где освобождается от остатка фтористых соединений.

Для расчетов параметров надежности используют структурно - логические схемы надежности технической системы.

Структурная схема надежности производства мороженого представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Структурная схема надёжности установки фтористоводородного алкилирования

Сначала упростим эту схему. Заменим параллельно соединённые элементы 2 квазиэлементом А и параллельно соединённые элементы 7 - квазиэлементом В. Преобразованная схема изображена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Преобразованная структурная схема надёжности

Вероятность безотказной работы квазиэлемента А будет равна:

Вероятность безотказной работы квазиэлемента В равна:

Вероятность безотказной работы всей системы:

Полученная вероятность является вероятностью безотказной работы исходной схемы.

2.2 Преобразование заданной структурной схемы и определение показателей надёжности

Структурная схема надежности приведена на рисунке 5. Значения интенсивности отказов элементов даны в 106 1/ч:

л2 = л3 = л4 = л5 = л6= л7 = л8 = 5

л11 = л12 = л13 = 9

Рисунок 5 - Исходная схема системы

Так как по условию все элементы системы работают в периоде нормальной эксплуатации, то вероятность безотказной работы элементов с 1 по 17 (рис. 4) подчиняются экспоненциальному закону:

В исходной схеме элементы 5 и 6 соединены последовательно. Заменяем их квазиэлементом A.

Элементы 7 и 8 образуют последовательное соединение. Заменяем их квазиэлементом B.

Элементы 9 и 10 образуют параллельное соединение. Заменяем их квазиэлементом C.

Элементы 11,12 и 13 образуют параллельное соединение. Заменяем их квазиэлементом D.

Элементы 14,15,16 и 17 образуют последовательное соединение. Заменяем их квазиэлементом E.

После преобразований схема изображена на рисунке 6.

Рисунок 6- Промежуточная схема после преобразований

Элементы 2, 3, 4, A и В образуют мостиковое соединение. Заменяем их квазиэлементом F. Для расчета вероятности безотказной работы воспользуемся методом разложения относительно особого элемента, в качестве которого выберем элемент (4).

Тогда вероятность безотказной работы квазиэлемента (F) определяется следующим образом:

где pF - вероятность безотказной работы квазиэлемента (F);

pF(p4=1) - вероятность безотказной работы мостиковой системы при абсолютно надежном элементе (4), что представлено на рисунке 7;

Рисунок 7 - Преобразованная мостиковая схема при абсолютно надежном элементе (4)

pF(p4=0) - вероятность работы мостиковой схемы при абсолютно отказавшем элементе (4), что показано на рисунке 8.

Рисунок 8 - Преобразованная мостиковая схема при абсолютно отказавшем элементе (4)

Учитывая, что, получим

После преобразований схема изображена на рисунке 9.

Рисунок 9 - Окончательная преобразованная схема

В преобразованной схеме элементы 1, F, C, D и E образуют последовательное соединение. Тогда вероятность безотказной работы всей системы:

Так как по условию все элементы системы работают в периоде нормальной эксплуатации, то вероятность безотказной работы элементов с (1) по (15) подчиняются экспоненциальному закону:

Рассчитаем вероятности безотказной работы элементов и вероятность безотказной работы всей системы при разной наработке.

При наработке t=1 104 ч:

При наработке t=3 104 ч:

При наработке t=5 104 ч:

При наработке t=7 104 ч:

Результаты расчетов вероятностей безотказной работы элементов с (1) по (17) исходной схемы для наработки до 7·104 часов, а также результаты расчетов вероятностей безотказной работы квазиэлементов (А, В, С, D, E, F) и всей системы представлены в таблице A.1.

Рисунок 10 - график зависимости вероятности безотказной работы системы (Р) от наработки (t)

График зависимости вероятности безотказной работы системы (Р) от наработки (t) представлен на рисунке10.

На нем находим для г=65%, Рг=0,65 г - процентную наработку системы tг=2,7 104 ч.

Проведем проверочный расчет вероятностей безотказной работы элементов и всей системы при наработке t=2,7 104 ч:

Таким образом, проверочный расчет при tг=2,7 104 ч показывает, что Рг=0,6428.

По условиям задания повышенная г - процентная наработка системы:

где Tг - повышенная г - процентная наработка системы, ч.

Расчет вероятностей безотказной работы элементов и всей системы для повышенной наработки t=4,05 104 ч:

Расчет показывает, что при Tг=4,05 104 ч для элементов окончательно преобразованной схемы p1=0,9799, pF=0,8512, pС=0,9390, pD=0,9385, pE=0,6276. Следовательно, из всех последовательно соединенных элементов минимальное значение вероятности безотказной работы имеет квазиэлемент (E) и именно увеличение его надежности даст максимальное увеличение надежности системы в целом.

Для того, чтобы при Tг=4,05 104 ч система в целом имела вероятность безотказной работы Рг=0,65, необходимо, чтобы квазиэлемент (E) имел вероятность безотказной работы, исходя из формулы (11):

где необходимая вероятность безотказной работы квазиэлемента (E).

При этом значении квазиэлемент (E) станет более надежным.

Очевидно, полученное значение() является минимальным для выполнения условия увеличения наработки не менее, чем в полтора раза, при более высоких значениях () увеличение надежности системы будет большим. В состав квазиэлемента (E) входят элементы (14, 15, 16, 17).

Для определения минимально необходимой вероятности безотказной работы этих элементов построим графики:

По графику, представленному на рисунке 11, при =0,8542 находим р14?0,955.

По графику, представленному на рисунке 12, при =0,8542 находим р15?0,97.

По графику, представленному на рисунке 13, при =0,8542 находим р16?0,957.

По графику, представленному на рисунке 14, при =0,8542 находим р17?0,94.

Рисунок 11 - График зависимости вероятности безотказной работы квазиэлемента E от вероятности безотказной работы его элементов

Рисунок 12 - График зависимости вероятности безотказной работы квазиэлемента E от вероятности безотказной работы его элементов

Рисунок 13 - График зависимости вероятности безотказной работы квазиэлемента E от вероятности безотказной работы его элементов

Рисунок 14 - График зависимости вероятности безотказной работы квазиэлемента E от вероятности безотказной работы его элементов

Так как по условиям задания все элементы работают в периоде нормальной эксплуатации и подчиняются экспоненциальному закону, то для элементов 14 ,15, 16 и 17 при Tг=4,05 104 ч находим:

Рассчитаем вероятности безотказной работы элементов (14, 15, 16, 17,), квазиэлемента (E), а также всей системы (РE").

При наработке t = 1·104 ч.:

При наработке t = 3·104 ч.:

При наработке t = 5 ·104 ч.:

При наработке t = 7·104 ч.:

При наработке t = 2,7·104 ч.:

Результаты расчетов для системы с увеличенной надежностью

элементов (14, 15, 16, 17) приведены в таблице А.1. Там же приведены расчетные значения вероятности безотказной работы для квазиэлемента (E) и системы в целом (P`). При Tг=4,05 104 ч вероятность безотказной работы системы, что соответствует условиям задания.

Для второго способа увеличения вероятности безотказной работы системы - структурного резервирования - по тем же соображениям выбираем квазиэлемент (E), вероятность безотказной работы которого после резервирования должна быть не ниже.

Для квазиэлемента (E) выбираем раздельное резервирование элементами с интенсивностью отказа такой же, как и у элемента (E).

Добавляем параллельно элементу (Е) элемент 18. Заменяем эти элементы квазиэлементом (G).

Вероятность безотказной работы квазиэлемента (G) рассчитывается по формуле:

где вероятность безотказной работы квазиэлемента G.

Таким образом, для повышения надежности до требуемого уровня необходимо в исходной схеме элемент (Е) достроить элементом (18). Резервирование квазиэлемента (Е) представлено на рисунке 15.

Рисунок 15 - Резервирование квазиэлемента (Е)

Преобразованная схема представлена на рисунке 16.

Рисунок 16 - Преобразованная схема после резервирования

Тогда, вероятность безотказной работы квазиэлемента (G) и вероятность безотказной работы всей системы при наработке t = 104 ч.равна:

При наработке t = 3·104 ч.:

При наработке t = 5·104 ч.:

При наработке t =7·104 ч.:

При наработке t = 2,7·104 ч.:

При наработке t = 4,05·104 ч.:

Результаты расчетов вероятностей безотказной работы элемента (G) и системы в целом (P``) представлены в таблице А.1.

Расчеты показывают, что при ч, что соответствует условию задания.

На рисунке 17 нанесены кривые зависимостей вероятности безотказной работы системы после повышения надежности элементов (14, 15, 16, 17) (кривая) и после структурного резервирования (кривая).

Р - исходная системы; Р` - система с повышенной надежностью;

Р`` - система со структурным резервированием.

Рисунок 17 - Изменение вероятности безотказной работы системы

а) на рисунке 10 представлена зависимость вероятности безотказной работы системы (кривая). Из графика видно, что 65% - наработка исходной системы составляет часов;

б) для повышения надежности и увеличения 65% - наработки системы в 1.5 раза (до часов) предложены два способа:

Повышение надежности элементов (14, 15, 16 и 17) и уменьшение их отказов;

Раздельное резервирование элементом (18) основного элемента (Е) соответственно идентичным по надежности;

в) анализ зависимостей вероятности безотказной работы системы от времени (наработки) показывает, что второй способ повышения надежности системы (структурное резервирование) предпочтительнее первого, так как в период наработки до часов вероятность безотказной работы системы при структурном резервировании (кривая) выше, чем при увеличении надежности элементов (кривая).Однако, данный метод экономически не выгоден, так как требует больше материальных затрат чем первый метод. Следовательно, мы выбираем способ повышения надежности системы путем повышения надежности элементов (14, 15, 16 и 17) и уменьшеня их отказов.

Заключение

При выполнении данной курсовой работы были выполнены два задания. Первое задание связано с построением структурной схемы надежности производства мороженого и расчетом надежности данной системы.

Второе задание - преобразование заданной, согласно варианту, структурной схемы и определение показателей надежности. А так же разработка вариантов повышения надежности данной схемы.

Анализ зависимостей вероятности безотказной работы системы от времени (наработки) на рисунке 17 показывает, что первый способ повышения надежности системы (повышение надежности элементов (14, 15, 16 и 17) и уменьшение их отказов) предпочтительнее второго, так как является более выгодным с точки зрения экономичности.

Список использованных источников

1 Маринин С.Ю. Методические указания к выполнению курсовых проектов по дисциплинам кафедры. Краснодар: КубГТУ, 2006. 29с.

2 Нечипоренко В.И. Структурный анализ систем. М.: Сов. радио, 1977. 214 с.

3 Острейковский В.А. Теория надежности: Учеб. для вузов. М.: Высш. шк., 2003. 463 с.

4 Рябинин И.А. Логико-вероятностные методы исследования надежности структурно-сложных систем. М.: Радио и связь, 1981. 216 с.

5 Сотсков Б.С. Основы теории и расчета надежности элементов и устройств автоматики и вычислительной техники. М.: Высш. школа, 1970. 270 с.

6 Ушаков И.А. Надежность технических систем: Справочник. М.: Радио и связь, 1985. 608 с.

Приложение А

(информационное)

Таблица А.1 - Расчет вероятности безотказной работы системы

Наработка t, x 104 ч

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

    Методология анализа и оценки техногенного риска, математические формулировки, используемые при оценке основных свойств и параметров надежности технических объектов, элементы физики отказов, структурные схемы надежности технических систем и их расчет.

    курсовая работа , добавлен 15.02.2017

    Место вопросов надежности изделий в системе управления качеством. Структура системы обеспечения надежности на базе стандартизации. Методы оценки и повышения надежности технологических систем. Предпосылки современного развития работ по теории надежности.

    реферат , добавлен 31.05.2010

    Определение основных показателей надежности технических объектов с применением математических методов. Анализ показателей надежности сельскохозяйственной техники и разработка мероприятий по ее повышению. Организации испытания машин на надежность.

    курсовая работа , добавлен 22.08.2013

    Понятие и основные этапы жизненного цикла технических систем, средства обеспечения их надежности и безопасности. Организационно-технические мероприятия повышения надежности. Диагностика нарушений и аварийных ситуаций, их профилактика и значение.

    презентация , добавлен 03.01.2014

    Основные количественные показатели надежности технических систем. Методы повышения надежности. Расчет структурной схемы надёжности системы. Расчет для системы с увеличенной надежностью элементов. Расчет для системы со структурным резервированием.

    курсовая работа , добавлен 01.12.2014

    Критерии надежности. Надежность станков и промышленных роботов. Экономический аспект надежности. Уровень надежности как определяющий фактор развития техники по основным направлениям а также экономии материалов и энергии.

    реферат , добавлен 07.07.2007

    Краткое описание конструкции двигателя. Нормирование уровня надежности лопатки турбины. Определение среднего времени безотказной работы. Расчет надежности турбины при повторно-статических нагружениях и надежности деталей с учетом длительной прочности.

    курсовая работа , добавлен 18.03.2012

    Сбор и обработка информации о надежности. Построение статистического ряда и статистических графиков. Определение математического ожидания, среднеквадратического отклонения и коэффициента вариации. Задачи микрометража партии деталей, методика измерений.

    курсовая работа , добавлен 18.04.2013

    Анализ изменения вероятности безотказной работы системы от времени наработки. Понятие процентной наработки технической системы, особенности обеспечения ее увеличения за счет повышения надежности элементов и структурного резервирования элементов системы.

    контрольная работа , добавлен 16.04.2010

    Определения требований надежности и работоспособности системы промышленного тахометра ИЛМ1. Распределение требований ее надежности по различным подсистемам. Проведение анализа надежности системы и техногенного риска на основе методов надежности.

Надежность - способность технических систем (устройств) безотказно (исправно) работать в течение определенного периода времени в заданных условиях эксплуатации.

Основное понятие в теории надежности - отказ, означающий полную или частичную потерю работоспособности системы (устройства). Виды отказов:

  • внезапный отказ - повреждение (например, поломка) какого-либо элемента устройства;
  • постепенный отказ возникает в результате непрерывного изменения характеристик системы, например износа в кинематических звеньях и возрастания зазоров, приводящих к поломке.

Основные параметры надежности

Надежность является комплексным показателем, который включает несколько параметров.

1. Интенсивность (или плотность) потока отказов - среднее число отказов в единицу времени:

Х(0 = 1 і т

Рщ ("? АО

где Р т Ц, ДО - вероятность отказа за период Д/.

Приближенно можно принять Р от и, ДО = - , где т - число отка-

завших элементов за период Дг; п - общее число элементов устройст-т

ва;--относительная частота отказов.

Тогда интенсивность потока отказов, ч -1:

Значения А,(0 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.

Нормальные значения X: для отдельных элементов А.(0 = 10 4 ... ...10 6 ч -1 ; для систем А,(0 = 10 2 ... 10 4 ч _1 (по данным японских фирм,

X для ГПС среднего уровня - не более одного отказа в год при односменной работе, т. е. Х(0 = 1/2000 = 0,0005 ч -1). Для большинства отечественных систем удовлетворительным считается значение Х(0 = 0,0025 ч, что означает безотказную работу системы в течение одного месяца в трехсменном режиме, т. е. в течение 400 ч (20 ч х х 20 дней = 400 ч).

  • 2. Средняя наработка на отказ (или математическое ожидание отказа), ч:

Этот параметр, как и X, характеризует запас надежности системы (в старом ГОСТе / от назывался коэффициентом надежности). Поэтому можно использовать любую из этих двух величин для характеристики надежности элемента, устройства или системы. В соответствии с указанными X нормальные значения / от для систем равны:

/ от = 300...10 4 ч.

3. Коэффициент готовности системы характеризует ее ремонтопригодность, т. е. быстроту и удобство восстановления системы:

к г =

где / в = V -- среднее время восстановления системы;

т, - время восстановления /-го элемента; т - число отказавших элементов за время / от.

4. Долговечность технической системы - свойство сохранять работоспособность в течение всего срока службы системы:

где Г р - время работы системы за весь период эксплуатации в часах; т п/ - время простоя системы по причине отказа /-го элемента;

х П 1 - суммарное время простоев за весь период эксплуатации

Для инженеров-разработчиков сложных автоматизированных систем большой интерес представляют две задачи, связанные с расчетом характеристик надежности.

Расчет вероятностей числа отказов к при п испытаниях системы

Для расчета вероятностей числа отказов к используется формула Бернулли, в основе которой лежит теорема умножения вероятностей независимых событий, т. е. вероятности их совместного появления

где р - вероятность отказа в каждом испытании (или вероятность отказа /-го элемента при п элементов системы); q - вероятность неотказа;

п - число испытаний (или число элементов системы); к - число отказов;

С„ = - : --биномиальный коэффициент (так как (р + ц) п -

к(п - к)

бином Ньютона).

Распределение вероятностей, определяемое формулой Бернулли, называется биномиальным распределением дискретной случайной величины (в нашем случае отказов), которое при п -> °° приближается к нормальному распределению вероятностей (рис. 2.2).

При больших значениях п вычисление вероятностей по формуле Бернулли затруднено, поэтому используется приближенная формула Пуассона, как предельный случай формулы Бернулли

Рп(к)і

ч-1-І-1- Т?

  • 0ф27 о,006 0.001
  • -Т т -

Рис. 2.2. График биномиального распределения дискретной случайной величины

при п = 10,/? = 0,2

Рассмотрим пример. Пусть техническая система состоит из п - 500 элементов при р = 0,002.

Требуется найти следующее распределение вероятностей:

  • а) откажет ровно к - 3 элемента;
  • б) менее 3;
  • в) более 3;
  • г) хотя бы 1 элемент.

Решение. Условия задачи удовлетворяют распределению Пуассона. Определим интенсивность потока отказов: X = 500 0,002 = 1.

  • 1. /> 500 (3) = 1 3 /3! е~" = 0,36788/6 = 0,0613.
  • 2. Сумма вероятностей, кроме к - 3:

^оо«3> = /V0) + / 5 оо + /* 5 оо(2) = е“ 1 + е~" + г“ "/2 = 0,9197.

3. Противоположное событие - отказало не более 3 элементов (это сумма вероятностей, включая к = 3):

/> 500 (>3) = 1 - (? = 1 - (0,9197 + 0,0613) = 0,019 (см. п. 1 и 2).

4. Противоположное событие - не отказал ни один элемент (к = 0):

Р= 1 - />500(0) = 1 - 0,36788 = 0,632.

Если в п испытаниях вероятности р 1 появления события (отказа) не равны, то используют производящую функцию типа

Ф„(г) = (Р1 + )(р 2 1 + Ь) - (Рп* + %)’

где г - некоторая переменная.

Вероятность Р„(к) равна коэффициенту при ^ в разложении производящей функции по степеням Например, для п = 2 имеем:

ф 2 (г) = (р { 1 + 4|){р 2 1 + ? 2) =РР2 ? + (Р Ь +Р2 д)1 + дЬ’ где Р 2 (2) =р х р 2 р 2 () = (р 1 д 2 +р 2 Я) Р 2 (®) = д Ь-

Рассмотрим пример. Устройство состоит из трех независимо работающих элементов, вероятности безотказной работы которых за период / равны: р х - 0,7; р 2 - 0,8; р ъ - 0.9.

Найти следующее распределение вероятностей отказов за период V.

  • а) все 3 элемента будут работать безотказно = 0);
  • б) только 2 элемента = 1);
  • в) только 1 элемент (к - 2);
  • г) ни один из элементов (к - 3).

Решение. Сначала найдем вероятности отказов:

Составим производящую функцию для п - 3:

Фз(*) = + 4){р& + Я 2)(Р& + Яъ ) =

= (0,7* + 0,3)(0,8* + 0,2)(0,9* + 0,1) =

0,504г 3 + 0,398* 2 + 0,092* + 0,006.

Таким образом, имеем:

  • а) Я 3 (0) = 0,504 - не отказал ни один элемент;
  • б) /*3(1) = 0,398 - отказал один элемент;
  • в) Р 3 (2) = 0,092 - отказали 2 элемента;
  • г) Я 3 (3) = 0,006 - отказали 3 элемента.

Для проверки решения используем контрольную функцию

  • ? р 1 = 0,504 + 0,398 + 0,092 + 0,006 = 1.

Расчет вероятностей числа отказов на заданном интервале времени t

Для вычисления функции Р г (к) используют разновидность формулы Пуассона

Р (к) = 09- е~ х ".

Вероятность того, что за время t не произойдет ни одного отказа

(к = 0):

P t (0) = P(t) = e~ Xt .

В теории надежности эта формула известна как функция надежности. Она показывает экспоненциальное распределение времени между отказами (рис. 2.3, а). Противоположная функция позволяет вычислять вероятность отказа (рис. 2.3, б):

РотО ) = 1 - е +

Вероятность безотказной работы системы для малых промежутков времени At можно рассчитывать по приближенной формуле :

P(t) = 1 -Xt y



Рис. 2.3. Графики экспоненциального распределение времени между отказами Р(1)

для различных X (а) и вероятности отказа Р от 0) (б)

которая получается разложением показательной функции в степенной ряд

е~ ь = - Xt +

м 3

В этом разложении членами выше первого порядка пренебрегаем.

Приближенная формула справедлива для малых значений

Расчет вероятностных характеристик с помощью функции надежности возможен при условии X = const. Известно, что по мере расходования резерва надежности значение X(t) в течение эксплуатации системы изменяется (рис. 2.4).

В начальный период повышенное значение X(t) - Х объясняется наличием скрытых дефектов в элементах системы, которые проявляются в процессе приработки узлов. В самый длительный период нормальной эксплуатации системы интенсивность потока отказов X(t) = - Х 2 снижается и остается приблизительно постоянным (Х 2 - const). Именно для этого периода справедлива функция надежности. Третий период характеризуется резким повышением X(t) = Х 3 , которое объяс-

Рис. 2.4.

  • 1 - начальный период приработки узлов; 2 - период нормальной эксплуатации;
  • 3 - период катастрофического износа узлов

няется появлением недопустимо больших зазоров в кинематических парах системы в результате прогрессирующего износа деталей.

Рассмотрим пример использования функции надежности.

Испытывают два независимо работающих элемента с характеристиками:

^ = 0,02; Х 2 = 0,05.

Найти вероятность того, что за период / = 6 ч: а) оба элемента откажут; б) оба не откажут; в) только один элемент откажет; г) хотя бы один элемент откажет.

Решение

1. Вероятность отказа одного элемента:

р от1 = 1 - е -°" 02 6 = 1 - 0,887 = 0,113,

где р х - 0,887 - вероятность безотказной работы; р от2 = 1 _ е -°" 05 6 = 1 - 0,741 = 0,259, где р 2 = 0,741.

Вероятность отказа обоих событий рассчитаем по формуле умножения вероятностей независимых событий

Рот (2 эл) -р от -р от2 = 0,113 0,259 = 0,03.

2. Вероятность безотказной работы обоих элементов находим аналогично:

Р(Г) =р г р 2 = 0,887 0,741 = 0,66.

3. Вероятность отказа только одного элемента находим как сумму произведений р {

Р2" Ц + Р " #2 = 0,113 0,741 + 0,259 0,887 = 0,31,

где д 2 =Рот2-

4. Вероятность отказа хотя бы одного элемента находим как событие, противоположное событию по п. 2:

/^(1 эл) = 1 -р х? р 2 - 1 - 0,66 - 0,34.

Пути повышения надежности технических систем

Статистика показывает, что затраты на восстановительные работы и производство запасных частей составляют более половины стоимости новой техники.

Основные пути повышения надежности:

  • 1) снижение интенсивности потока отказов X (повышение Г от) за счет применения новых материалов с высокими эксплуатационными свойствами (повышение износостойкости деталей кинематических пар);
  • 2) входной контроль исходных материалов, деталей и комплектующих. Сохранение технологических и эксплуатационных норм в производстве и рабочем периоде;
  • 3) сокращение числа деталей в узле (и числа узлов в системе) на стадии конструирования машин и механизмов. Следует помнить, что вероятность безотказной работы машины равна произведению вероятностей />,(г) безотказной работы ее элементов:

т=р, о.

Эта формула соответствует последовательному соединению элементов в узле (рис. 2.5, а );

4) применение принципа резервирования потенциально ненадежных элементов в особо ответственных узлах:

Р (0 = 1 - П Рои О-/ = 1

Эта формула соответствует параллельному соединению элементов, когда перемножаются вероятности отказов элементов р от!

Рис. 2.5. Последовательное (а) и параллельное (б) соединение элементов в узле

(рис. 2.5, б). При тройном резервировании элемента с p{t) - 0,9 (вероятность отказа каждого из трех элементов p m {t) = 1 - 0,9 = 0,1) вероятность безотказной работы элемента с резервированием равна:

/> р (0= 1 - (0,1) 3 = 0,999;

5) обеспечение фирменного обслуживания и ремонта технических систем. Повышение надежности ведет к росту коэффициента использования оборудования.

Термины надежность, безопасность, опасность и риск часто смешивают, при этом их значения перекрываются. Часто термины анализ безопасности или анализ опасности используются как равнозначные понятия. Наряду с термином анализ надежности они относятся к исследованию как работоспособности, отказов оборудования, потери работоспособности, так и процесса их возникновения.

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

С развитием и усложнением техники углубилась и развивалась проблема ее надежности. Изучение причин, вызывающих отказы объектов, определение закономерностей, которым они подчиняются, разработка метода проверки надежности изделий и способов контроля надежности, методов расчетов и испытаний, изыскание путей и средств повышения надежности - являются предметом исследований надежности.

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

При изучении вопросов надежности рассматривают самые разнообразные объекты: изделия, сооружения, системы с их подсистемами. Надежность изделия зависит от надежности его элементов, и чем выше их надежность, тем выше надежность всего изделия.

Теория надежности опирается на совокупность различных понятий, определений, терминов и показателей, которые строго регламентируются в государственных стандартах (ГОСТ).

Система - это технический объект, предназначенный для выполнения определенных функций.

Отдельные части системы (конструктивно обособленные, как правило) называются элементами .

Однако необходимо заметить, что один и тот же объект в зависимости от той задачи, которую хочет решить конструктор (исследователь, проектировщик, разработчик), может рассматриваться как система или как элемент. Например, радиостанция обычно рассматривается как система. Однако она может стать элементом более крупного объекта - радиорелейной линии, рассматриваемой, как система. Следовательно, можно дать еще одно более полное определение элемента.


Элемент - это объект, представляющий собой простейшую часть системы, отдельные части которой не представляют самостоятельного интереса в рамках конкретного рассмотрения.

С точки зрения теории надежности любой технической объект (система, устройство, элемент) можно охарактеризовать его свойствами, техническим состоянием и приспособленностью к восстановлению после потери работоспособности (рис. 1).

Надежность — 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 надежность 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 надежность машин, тем большие партии их приходится изготовлять, что приводит к перерасходу металла, росту производственных мощностей, завышению расходов на ремонт и эксплуатацию.

Рисунок 1 - Основные характеристики ТС

Надежность объекта является комплексным свойством, ее оценивают по четырем 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 состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

В отличие от безотказности долговечность характеризуется продолжительностью работы объекта по суммарной наработке, прерываемой периодами для восстановления его работоспособности в плановых и неплановых ремонтах и при техническом обслуживании.

Предельное состояние — состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна, либо восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно.

Ремонтопригодность — свойство объекта, заключающееся в его приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем проведения технического обслуживания и ремонта. Важность ремонтопригодности технических систем определяется огромными затратами на ремонт машин.

Сохраняемость — свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способность объекта выполнять требуемые функции, в течение и после хранения и (или) транспортирования. Практическая роль этого свойства велика для деталей, узлов и механизмов, находящихся на хранении в комплекте запасных принадлежностей.

Объекты подразделяют на невосстанавливаемые, которые не могут быть восстановлены потребителем и подлежат замене (например, электрические лампочки, подшипники, резисторы и т.д.), и восстанавливаемые, которые могут быть восстановлены потребителем (например, телевизор, автомобиль, трактор, станок и т.д.).

Надежность объекта характеризуется следующими состояниями: исправное, неисправное, работоспособное, неработоспособное.

Исправное состояние — такое состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.

Исправное изделие обязательно работоспособно .

Неисправное состояние — такое состояние объекта, при котором он не соответствует хотя бы одному из требований нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации. Различают неисправности, не приводящие к отказам, и неисправности, приводящие к отказам. Например, повреждение окраски автомобиля означает его неисправное состояние, но такой автомобиль работоспособен.

Работоспособным состоянием называют такое состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции, соответствующие требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.

Неработоспособное изделие является одновременно неисправным .

Понятие исправности шире понятия работоспособности. Неисправная ТС может быть работоспособной и неработоспособной - все зависит от того, какому требованию НТД не удовлетворяет данная ТС. Так, например, если погнут кожух или шасси, нарушено их лакокрасочное покрытие, повреждена изоляция проводников, однако параметры аппаратуры находятся в пределах нормы, то ТС считается неисправной, но в то же время работоспособной.

Рисунок 2 - Классификация объектов ТС