Классификационные признаки видов отказов

Рассмотрим введенные признаки и классификацию отказов более подробно.

Использование для классификации отказов характера изменения параметров (признаков), определяющих ТС объекта, по существу предполагает оценку скорости изменения одного или нескольких параметров (см. табл. 3.1). При очень большой скорости изменения говорится о скачкообразном изменении параметра, при достаточно малой - о постепенном.

Здесь видна условность такой классификации:

Во-первых, теоретически (да и практически) невозможно провести границу между большой и малой скоростями изменения таких параметров.

Во-вторых, скачкообразное изменение параметра, как правило, связано с тем, что практически отсутствует возможность наблюдения за изменениями такого параметра.

Отказы фиксируются как производственные, если при анализе обнаружены нарушения технологического процесса производства или ремонта, выявлено несовершенство технологии, в том числе приводящее и к возможным ошибкам инженерно-технического персонала. Так, при производстве двигателей внутреннего сгорания зафиксированы случаи, когда шпильки крепления головки блока не вворачивались в корпус, а забивались, что приводило к срыву резьбы, уменьшению прочности крепления головки блока и недопустимому снижению мощности двигателя.

Эксплуатационные отказы возникают при нарушении технологических регламентов эксплуатации объектов, в результате проявления естественных процессов старения и износа оборудования, влияния агрессивных сред в химико-технических процессах, непредусмотренных воздействий окружающей среды, ошибок обслуживающего персонала и т.п. Например, заклинивание двигателя внутреннего сгорания возможно из-за того, что отсутствовало масло (не было своевременного контроля и восполнения масла при его естественном выгорании) - нарушение регламента эксплуатации.

Исследования надежности различных производств показывают, что указанные три класса отказов в среднем распределены следующим образом: конструкционные - 40-50%, производственные - 30-40%, эксплуатационные - 15-25%.

Анализ отказов с точки зрения устойчивости неработоспособного состояния приобрел существенный вес в связи с появлением различных автоматических систем защиты и внедрением электроники.

Устойчивый (константный) отказ возникает в результате необратимости процессов механических воздействий (поломки, пробои и т.п.), старения и других факторов. Как правило, такой отказ достаточно четко проявляется, что дает возможность эксплуатирующему персоналу определить место отказа, его причину и принять меры по устранению.

Более сложная картина возникает в случае, если неработоспособное состояние неустойчиво. Такое состояние может возникнуть за счет совпадения ряда неблагоприятных факторов, каждый из которых не вызывает неработоспособное состояние, но их совокупность приводит к отказу.

Перемежающиеся отказы характерны для электронной техники. Связано это с тем, что устройства электронной техники в большей мере, чем иные, подвержены воздействию внешних факторов (температура, влага, вибрации и т.д.).

Введение количественной оценки надежности позволяет:

1) произвести расчет надежности при проектировании, производстве и эксплуатации объекта;

2) сформулировать конкретные тактико-технические требования по надежности проектируемого объекта;

3) заранее рассчитать срок службы объекта, объем запасного комплекта, сроки регламентных работ и ремонта и т.д.

В процессе производства и эксплуатации объекта на его элементы и узлы воздействует большое количество случайных факторов, вызывающих разброс надежности объекта и его показателей. Поэтому используются вероятностные методы количественной оценки надежности объекта.

Основными показателями надежности объекта являются:

· вероятность безотказной работы;

· вероятность отказа;

· частота отказов;

· интенсивность отказов;

· средняя наработка до отказа;

· среднее время между соседними отказами (наработка на отказ).

Количественный показатель отказов служит одним из критериев определения степени риска объекта в целом (рис. 3.1).

В этом случае ранг А соответствует наиболее высокой (неприемлемой) степени риска объекта, требующей незамедлительных мер по обеспечению безопасности. Соответственно показатели В, С отвечают промежуточным степеням риска, а ранг Д - наиболее безопасным условиям. Проблема заключается в учете вкладов рисков неполадок (отказов) составных частей промышленного объекта в общий риск аварии.

Рис. 3.1. Определение степени риска объектов по количественному показателю отказов

Для показателей надежности приводятся две формы представления: вероятностная и статистическая. Вероятностная форма обычно бывает удобнее при априорных аналитических расчетах надежности, статистическая - при экспериментальном исследовании надежности технических объектов. Кроме того, оказывается, что одни показатели лучше интерпретируются в вероятностных терминах, а другие - в статистических. Для простоты пояснения статистических показателей надежности невосстанавливаемых объектов рассматривается только такая схема испытаний этих объектов, при которой несколько образцов работают до отказа. В этом случае, с ростом числа испытываемых объектов статистические показатели будут сходиться в пределе (по вероятности) к аналогичным показателям.

Вероятность безотказной работы - это вероятность того, что в заданном интервале времени не произойдет отказа объекта.

Вероятность безотказной работы объекта в интервале времени от 0 до t

P(t) = p {q ³ t} = 1 - F(t), (3.1)

где: q - случайная величина времени безотказной работы объекта;

t - заданное оперативное время работы;

F(t) - интегральная функция распределения времени безотказной работы.

Из определения (3.1) вытекают основные свойства P(t):

0 £ P(t) £ 1; P(0)=1; P(¥)=0 (3.2)

Показатели долговечности, сохраняемости, ремонтопригодности

Гамма-процентный ресурс - наработка, в течение которой объект не достигает предельного состояния с заданной вероятностью 1-¡.

Средний ресурс - математическое ожидание ресурса.

Назначенный ресурс - суммарная наработка объекта, при достижении которой эксплуатация должна быть прекращена независимо от его состояния.

Средний ремонтный ресурс - средний ресурс между смежными капитальными ремонтами объекта.

Средний ресурс до списания - средний ресурс объекта от начала эксплуатации до его списания.

Средний ресурс до капитального ремонта - средний ресурс от начала эксплуатации объекта до его первого капитального ремонта.

Гамма-процентный срок службы - срок службы, в течение которого объект не достигает предельного состояния с вероятностью 1-¡.

Средний срок службы - математическое ожидание срока службы.

Средний межремонтный срок службы - средний срок службы между смежными капитальными ремонтами объекта.

Средний срок службы до капитального ремонта - средний срок службы от начала эксплуатации объекта до его первого капитального ремонта.

Средний срок службы до списания - средний срок службы от начала эксплуатации объекта до его списания.

Гамма - процентный срок сохраняемости - продолжительность хранения, в течение которой у объекта сохраняются установленные показатели с заданной вероятностью 1-¡.

Средний срок сохраняемости - математическое ожидание срока сохраняемости.

К сложным моделям отказов относятся модели, в которых пространство состояний содержит больше двух состояний. Все состояния с точки зрения классификации делятся на работоспособные и неработоспособные.

Работоспособные состояния отличаются друг от друга, как правило, значениями показателей безотказности: например, временем безотказной работы, под которым в этих моделях понимают время достижения одного из неработоспособных состояний. Отличие неработоспособных состояний связано с тем, что каждому неработоспособному состоянию ставится в соответствие факт возникновения отказа в том или ином функциональном элементе рассматриваемого устройства (объекта).

Например, для объекта, состоящего из N блоков (здесь функциональный элемент - блок), в предположении, что имеет место отказ только одного из этих блоков, будем иметь N неработоспособных состояний. Анализ таких моделей имеет целью поиск и выделение неработоспособного функционального элемента.

При анализе сложных моделей широко используется метод пространства состояний, который имеет две формы - метод переходных вероятностей и метод интенсивностей переходов. Изложим кратко существо этих методов для задач оценки характеристик безотказности.

Обеспечение безопасности человека и окружающей среды при использовании технических систем в значительной мере зависит от их надежности. Поэтому проблема повышения (поддержания) уровня надежности в настоящее время является одной из наиболее актуальных.

“Жизненный” цикл технической системы содержит следующие основные этапы: проектирование, производство, эксплуатация (применение по назначению). На каждом из этих этапов существуют и успешно применяются различные методы повышения и поддержания надежности. Наиболее эффективные методы повышения надежности используются на этапе проектирования, когда “закладываются” соответствующие показатели надежности. На последующих этапах задача, прежде всего, сводится к обеспечению и (или) поддержанию заложенных показателей надежности. Это не означает, что на этапах производства и эксплуатации такие показатели не могут быть улучшены, однако подобный результат будет достигаться более дорогой ценой (более высокая стоимость, большее время и т.п.).

Методы повышения надежности, используемые в настоящее время, могут быть разделены на следующие группы:

Методы, связанные с увеличением надежности комплектующих изделий за счет применения новых принципов, конструкций, материалов, технологии изготовления и т.п.;

Методы, защищающие элементы технических систем от воздействия внешней среды;

Методы рационального проектирования, приводящие к уменьшению общего числа элементов, к снижению переходных процессов и т.п.;

Методы введения избыточности различного вида;

Методы обеспечения надежности за счет стабильности технологических процессов;

Методы предупреждения отказов путем профилактических замен элементов, проявивших признаки износа или старения.

Рассмотрим перечисленные методы подробнее.

1. Качество комплектующих изделий непрерывно совершенствуется. В результате этого величина интенсивности отказов уменьшается. Так, за последние 15-20 лет внедрение микроэлектронной элементной базы позволило уменьшить типовые значения интенсивности отказов на 2-3 порядка, что соответствующим образом привело к повышению показателей безотказности электронных схем контроля, управления, связи, автоматической защиты объектов различных классов.

2. Вторая группа методов повышения надежности включает в себя меры, защищающие элементы технических систем от вредного воздействия внешней (окружающей) среды.

К ним относятся:

· защита от вибраций и ударов;

· искусственное охлаждение и термостатирование;

· уменьшение переходных процессов;

· применение пылевлагонепроницаемых кожухов;

· защита аппаратуры от ошибочных действий обслуживающего персонала и т.п.

3. К третьей группе методов относят комплекс следующих мероприятий:

· применение схемных и конструкторских решений, обеспечивающих наибольшую надежность технических систем;

· использование схем, обеспечивающих уменьшение влияния переходных процессов при включении (снижение бросков токов, снятие гидроударов, уменьшение пусковых моментов электродвигателей, генераторов, исключение влияния прогрева элементов на их характеристики и др.);

· уменьшение времени нахождения аппаратуры в рабочем режиме или переход на повторно-кратковременный режим, что в отдельных случаях может привести к выигрышу в надежности.

4. Четвертая группа методов повышения надежности связана с введением избыточности, под которой понимают дополнительные средства или возможности сверх минимально необходимых для выполнения заданных функций. Наиболее распространенными видами избыточности являются:

· структурная, которая предусматривает использование избыточных элементов в структуре объекта;

· временная, при которой используется избыточное время;

· информационная, когда используется избыточная информация;

· функциональная, означающая использование способности объекта выполнять дополнительные функции;

· нагрузочная, при которой объект способен воспринимать дополнительную нагрузку.

5. Пятая группа методов, связанных с обеспечением надежности на этапе производства, включает в себя меры по соблюдению и совершенствованию технологии производства, его автоматизации, входному контролю комплектующих элементов и материалов, текущему и выходному контролю готовой продукции, т.е. меры, направленные на стабилизацию производственного цикла, исключение дефектных элементов и несортовых материалов, устранение ошибок персонала.

6. Шестая группа методов объединяет меры, которые в значительной степени направлены на поддержание надежности, хотя здесь возможны и мероприятия по ее повышению (например, за счет доработок и замены элементов или систем с недостаточной безотказностью на более совершенные). Основная направленность этих методов сводится к осуществлению грамотной эксплуатации технических объектов - проведению своевременных работ по контролю технического состояния, профилактическим мероприятиям по предупреждению отказов за счет регулировки систем, замены элементов с выработанным ресурсом, обучению и тренировке персонала по точному соблюдению инструкций по применению.

Рассматривая указанные методы с точки зрения их реализации на том или ином этапе жизненного цикла, можно сказать, что в общем случае их можно использовать на каждом из этапов. Вместе с тем эффективность их применения в зависимости от этапа различная. Так, на этапах проектирования и производства наибольший эффект обеспечат методы 1...5 групп, так как в этих случаях затраты на реализацию мер по повышению надежности оказываются ниже, чем на этапе эксплуатации, когда в готовые конструкции необходимо вносить те или иные изменения (зачастую, весьма значительные). Методы 6 группы, как правило, используют на этапе эксплуатации, хотя на этапе разработки закладываются возможности по проведению таких работ - конструкция должна содержать, при необходимости, элементы, обеспечивающие контроль технического состояния, поиск неисправных функциональных элементов, быть приспособленной к быстрому восстановлению исправного технического состояния.

Использование практически всех методов повышения надежности сопровождается ростом стоимости как собственно технической системы, так и увеличением затрат на реализацию каждого этапа жизненного цикла. Поэтому меры по повышению надежности должны быть оправданы как экономически, так и с точки зрения обеспечения заданного уровня безопасности.

Во многих случаях требования к надежности системы, обусловленные необходимостью обеспечить заданную ее безотказность, таковы, что на этапе проектирования методами групп 1...3 их обеспечить не удается. В этих случаях, как правило, вводят избыточность, или резервирование.

Сущность структурного резервирования заключается в том, что к основному элементу (т.е. минимально необходимому для выполнения заданных функций) присоединяют один или несколько дополнительных (резервных) элементов, предназначенных для обеспечения работоспособности объекта в случае отказа основного элемента (рис. 3.2).

По объему резервирования различают следующие виды:

· общее, предусматривающие резервирование объекта целиком;

· раздельное, при котором резервируются отдельные элементы или их группы;

· смешанное, совмещающее различные виды резервирования.

Отношение числа резервных элементов и числа резервируемых основных элементов называется кратностью резервирования m.

Если имеется один резервный и один основной элемент, то такое резервирование называется однократным, или дублированным. При m> 1 имеем многократное резервирование.

Резервирующие элементы могут находиться в различных режимах: нагруженном, облегченном и ненагруженном.

Рис. 3.2. Структурное резервирование объекта

При нагруженном режиме резервирующие элементы находятся в том же состоянии, что и основной элемент, т.е. все элементы работают одновременно в одинаковых условиях.

Облегченный режим резерва означает, что нагрузка резервирующих элементов меньше, чем у основного элемента.

Ненагруженный резерв сводится к ситуации, в которой резервирующие элементы не имеют нагрузки до тех пор, пока не откажет основной элемент.

По характеру подключения различают:

постоянное резервирование, при котором резервные элементы участвуют в функционировании объекта наравне с основным;

замещением, когда функция основного элемента передается резервному только после отказа основного;

скользящее, при котором любой отказавший элемент может быть заменен резервным.

Резерв так же, как и технические системы, может быть восстанавливаемым и невосстанавливаемым. Восстанавливаемый резерв применяется на обслуживаемых системах различных технологий и производств, причем стратегия его восстановления строится таким образом, чтобы безопасность системы не уменьшалась ниже заданного уровня после работ и мероприятий по восстановлению.

На необслуживаемых системах (невозвращаемые космические аппараты, автоматические метеостанции, аппаратура одноразового использования, невосстанавливаемое оборудование, используемое в производстве с высокими фонами радиации и др.) резерв, как правило, используется полностью и восстановлению не подлежит.