Надежность как критерий безопасности технического объекта

Обеспечение безопасности машин и конструкций - составная часть проблемы надежности. Под безопасностью понимаем надежность по отношению к жизни и здоровью людей, состоянию окружающей среды. До последнего времени инженерные расчеты конструкций на безопасность были основаны на использовании концепции коэффициентов запаса. Расчетное условие в этом случае имеет вид

где 5- параметр воздействия; Р - параметр сопротивления; к - коэффициент безопасности (А: >1).

Такой детерминированный подход требует обоснования экономически оправданной величины коэффициента безопасности, что можно достичь только, используя многолетний опыт длительной эксплуатации объекта. Особенностью внешних воздействий является непредсказуемость их интенсивности и времени появления. В связи с этим вся теория надежности любых технических систем базируется на математической основе теории вероятностей. Вероятностностатистические методы и теория надежности начали широко использоваться при расчете безопасности особо ответственных объектов, при анализе крупных аварий.

Основным показателем безопасности технического объекта, с точки зрения его надежности, является вероятность безотказной работы Р(г) — вероятность

того, что в заданном интервале времени / = Т не возникнет отказа этого объекта (рис. 6.10).

График функции безотказной работы технического объекта

Рис. 6.10. График функции безотказной работы технического объекта

Значение Р(/), как всякой вероятности, может находиться в пределах 0 < /*(/) < 1. Вероятность безотказной работы Р(/) и вероятность отказа Р(/) образуют полную группу событий, поэтому:

р(/)+г(<)=1.

Допустимое значениеР^) выбирается в зависимости от степени опасности отказа. Например, для ответственных изделий авиационной техники допустимые значения />(/) = 0,9999 и выше, т. е. практически равны единице. При высоких требованиях к надежности объекта задаются допустимым значением Р(/) = у(%) и определяют время работы объекта / = Гу, соответствующее данной регламентированной вероятности безотказной работы. Значение Ту называется «гамма-процентным ресурсом», и по его значению судят о большей или меньшей безотказности объектов.

При расчете надежности сложной системы используют различные структурные схемы, например, схему последовательного соединения элементов (рис. 6.11).

Блок-схема последовательного соединения элементов

Рис. 6.11. Блок-схема последовательного соединения элементов

Вероятность безотказной работы такой системы равна произведению вероятностей безотказной работы элементов:

/>(0=/>(<)?/$(')•-•л,М=ГВ-

1=1

Сложные системы, состоящие из элементов высокой надежности, могут обладать низкой надежностью за счет наличия большого числа элементов. Например, если узел состоит из 50 деталей, а вероятность безотказной работы каждой детали за выбранный промежуток времени составляет Р} =0,99, то вероятность безотказной работы узла с последовательным соединением элементов будет Р(/) = (0,99) 2 0,55.

При внезапных отказах, которые подчиняются экспоненциальному закону, безотказность выражается через интенсивность отказов:

Р(/) = ]^[ехр(-А.( •/) = ехр(>»1 г + ... + ?1и)/ = ехр(-?10 •/),

/=1

п

где = - параметр сложной системы.

/=1

Сам отказ системы является лишь предпосылкой потенциального возникновения вредного или опасного воздействия на человека, но еще не является достаточным условием для действительной реализации такого воздействия. В связи с этим вероятность отказа не тождественна вероятности опасности, но может входить в нее в качестве необходимого условия. Вероятность безотказного использования технической системы математически может быть определена либо еще на стадии проектирования системы с помощью анализа наиболее предпочтительного закона распределения вероятностей, либо уже на стадии эксплуатации системы с помощью статистического метода путем соотнесения времени штатного использования системы (/,,,,) к общему времени ее эксплуатации (?экс) с учетом времени (?рсм) нештатных ремонтных работ

ЭКС 1ІГГ рем ’

и подсчета коэффициента готовности системы г), широко используемого в практике эксплуатации систем, длительно находящихся в режиме дежурства:

1

ШТ

^шт ^рем

Однако при всей простоте применения статистических методов они могут дать количественную и качественную оценку только уже реально существующей системы, когда кардинально что-либо изменить в ее идеологии и структуре почти невозможно. В связи с этим время эксплуатации объекта и его коэффициент готовности носят в основном апостериорный (послеопытный) характер и служат для сравнения качества изготовленной системы с ее предварительными проектными характеристиками и вероятностными показателями. Для априорного (доопытного) прогнозирования качества технических систем используются вероятностные характеристики, среди которых одной из основных, как уже указывалось, является вероятность безотказного состояния технической части системы на /-ом этапе эксплуатации.

Для повышения надежности сложных систем можно применять резервирование, т. е. создавать дублирующие элементы. При выходе из строя одного из элементов дублер выполняет его функции, и узел не прекращает своей работы. При постоянном (нагруженном) резервировании, когда резервные элементы постоянно присоединены к основным и находятся в одинаковом с ними режиме работы, отказ системы является сложным событием, которое будет иметь место при условии отказа всех элементов (рис. 6.12).

Способ повышения безаварийной работы системы

Рис. 6.12. Способ повышения безаварийной работы системы

Вероятность совместного появления всех отказов в такой системе (по теореме умножения) составит:

1=1

Поэтому безотказность системы с параллельно резервированными элементами будет:

т т

/>(')='-/г(')=|-П^=|-П0-/:)-

1=1 /=1

Например, если вероятность безотказной работы каждого элемента /? = 0,9,

а т = 3, то Р(^) = 1 - (0,1)' =0,999. Таким образом, вероятность безотказной работы системы резко повысится, и становится возможным создание надежных систем из не надежных элементов.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >