Надежность технических систем

Одной из основных характеристик сложных технических систем является их надежность. Теория надежности получила значительное развитие и практическое применение в технике.

Надежность - это свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, позволяющих выполнять требуемые функции. Для количественной оценки надежности применяют вероятностные величины. Те изменения, которые происходят с течением времени в любой технической системе и приводят к потере ее работоспособности, связаны с внешними и внутренними воздействиями, которым она подвергается. В процессе эксплуатации на систему действуют все виды энергии, что может привести к изменению параметров отдельных элементов, механизмов и системы в целом. При этом имеется три основных источника воздействий:

• - действие энергии окружающей среды, включая человека, исполняющего функции оператора или ремонтника;
• - внутренние источники энергии, связанные как с рабочими процессами, протекающими в технической системе, так и с работой отдельных элементов системы;
• - потенциальная энергия, которая накоплена в материалах и деталях узлов системы в процессе их изготовления (внутренние напряжения в отливке, монтажные напряжения).

При работе технического объекта наблюдаются следующие основные виды энергии, влияющие на его работоспособность и надежность (рис. 6.4).

Механическая энергия, которая не только передается по всем элементам системы в процессе работы, но и воздействует на нее в виде статических или динамических нагрузок от взаимодействия с внешней средой.

Тепловая энергия действует на систему 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.

Химическая энергия также оказывает влияние на работу системы. Например, влага, содержащаяся в воздухе может вызвать коррозию отдельных узлов системы. Если же оборудование системы работает в условиях агрессивных сред (оборудование химической промышленности, суда и др.), то химические воздействия вызывают процессы, приводящие к разрушению отдельных элементов и узлов системы.

Ядерная (атомная) энергия, выделяющаяся в процессе превращения атомных ядер, может воздействовать на материалы (особенно в космосе), изменяя их свойства.

Электромагнитная энергия в виде радиоволн (электромагнитных колебаний) пронизывает все пространство вокруг объекта и может оказать влияние на работу электронной аппаратуры.

Биологические факторы также могут влиять на работоспособность системы в виде микроорганизмов, которые не только разрушают некоторые виды пластмасс, но даже могут воздействовать на металл.

Рис. 6.4. Схема формировании показателей работоспособности сложной технической системы

/

Таким образом, все виды энергии действуют на техническую систему и ее механизмы, вызывают в ней целый ряд нежелательных процессов, создают условия для ухудшения ее технических характеристик.

Нормальная эксплуатация эрготехнической системы характеризуется определенной степенью надежности, представляющей собой комплексную вероятностную характеристику успешного выполнения системой требуемых целевых функций при сохранении ею своих эксплуатационных показателей в заданных пределах в течение необходимого времени. Теория надежности позволяет оценивать срок службы, по окончании которого техническое средство вырабатывает свой ресурс и должно подвергнуться капитальному ремонту, модернизации или замене. Одно из основных понятий теории надежности - отказ.

Отказ - это нарушение работоспособного состояния технического устройства из-за прекращения функционирования или из-за резкого изменения его параметров. В теории надежности оценивается вероятность отказа, то есть вероятность того, что техническое средство откажет в течение заданного времени работы. 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. 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.

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 (рис. 6.5).

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.

Как следует из приведенного выше определения надежности, наиболее значимой для успешного функционирования любой технической системы и выполнения ею заданных функций является сохранение ее работоспособности.

Рис. 6.5. Основные свойства технических систем

Работоспособность как состояние системы означает способность выполнять требуемые функции с заданными рабочими параметрами. В свою очередь, наличие работоспособности системы в течение всего времени ее эксплуатации предполагает безотказность ее функционирования, а также косвенно связано и с остальными свойствами эксплуатационной надежности. Надежность (работоспособность) объекта является комплексным свойством, ее оценивают по четырем количественным показателям - безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости или по сочетанию этих свойств.

Безотказность - свойство объекта сохранять свою работоспособность в течение заданного времени без отказов и вынужденных перерывов.

Долговечность - свойство объекта сохранять работоспособное состояние до предельного состояния с необходимыми перерывами для регламентного обслуживания и ремонта.

Ремонтопригодность - свойство приспособленности объекта к предупреждению, выявлению и устранению отказов ее работоспособности путем проведения регламентного технического обслуживания и ремонта.

Сохраняемость - свойство объекта сохранять требуемые эксплуатационные показатели в течение и после установленного срока ее хранения или транспортировки.

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.).

Разработана классификация отказов с позиций изучения характера и природы отказов, влияния различных факторов на их возникновение (рис. 6.6).

• 1. По условиям возникновения разделяют отказы в нормальных и ненормальных (экстремальных) условиях. Ненормальные условия имеют место вследствие ошибок персонала, стихийных бедствий или при других чрезвычайных ситуациях.
• 2. По причинам возникновения выделяют отказы, не связанные с разрушением и обусловленные разрушением объекта.
• 3. По характеру возникновения: внезапные отказы, связанные с резким изменением основных параметров, и постепенные отказы под действием случайных факторов, обусловленные медленно протекающими необратимыми процессами
• 4. По степени влияния на работоспособность: полные и частичные отказы. Последние связаны с «частичной» потерей работоспособности системы, т. е. с пониженным уровнем функционирования. Такие отказы возникают в системах, имеющих большое количество автономных элементов. При отказе некоторых большинство элементов остается работоспособными.
• 5. По признакам проявления: явные и неявные отказы. Возникновение явного отказа обнаруживается органолептическими методами. При неявных отказах для их обнаружения требуется применение специальных приборов или устройств или значительный опыт и умение персонала.
• 6. По взаимосвязи между собой: независимые и зависимые отказы, когда появление одного отказа влечет за собой возникновение других. Взаимосвязь отказов может привести к их лавинообразному нарастанию.
• 7. По последствиям различают: отказы опасные и безопасные для здоровья и жизни персонала и для окружающей среды; тяжелые отказы, ведущие к значительным материальным и финансовым и другим затратам и потерям; легкие отказы почти без потерь.
• 8. По способу устранения выделяют: отказы, устраняемые заменой элементов, регулировкой, чисткой и самоустраняющиеся отказы или сбои.
• 9. По сложности устранения: простые и сложные отказы, требующие специалистов высокой квалификации и значительных трудозатрат.

• 0— отказ элемента,
• 1— первичный отказ;
• 2— вторичные отказы;
• 3— ошибочные команды,
• 4— элементы в заданных режимах работы,
• 5— избыточные напряжения;
• 6— ошибочные команды;
• 7— естественное старение;
• 8— соседние элементы,
• 9— окружающая среда;
• 10— персонал предприятия