Предмет, задачи теории надежности, ее значение в подготовке инженера.

С.Ю. Маринин

 

 

 

«Надежность технических систем и техногенный риск»

Конспект лекций

для студентов всех форм обучения для направления

20.03.01 «Техносферная безопасность»

 

 

г. Краснодар

 

Составитель: к.т.н., доцент С.Ю. Маринин

 

 

Надежность технических систем и техногенный риск: конспект лекций для студентов всех форм обучения направления 20.03.01 «Техносферная безопасность». Часть I. / Сост.: Маринин С.Ю.; Кубан.гос. технол. ун-т., каф. «Безопасность жизнедеятельности». – Краснодар, 2015 – 77 с. Режим доступа: http://moodie.kubstu.ru (по паролю).

 

 

В конспекте лекций изложены основные теоретические подходы к оценке надежности технических систем и анализу техногенного риска.

 

 

Рецензенты: Зав. кафедрой БЖ, д.т.н., профессор Ксандопуло С.Ю.;

ИО зав. кафедрой ФКХиУК, д.т.н. Новиков В.В.

 

 

Лекция № 1

Теория надежности – характеристика научно-технического направления, основные понятия, термины и определения

 

Цель: 1). Дать характеристику научно-технического направления « надежность технически » и дисциплины « Надежность технических систем и техногенный риск »

2). Дать основной понятийный аппарат теории надежности.

Время: 2 часа.

Учебные вопросы:

1. Характеристика научно-технического направления "теория надежности ".

2. Предмет, задачи теории надежности, ее значение в подготовке инженера.

3. Основные понятия теории надежности.

4. Характеристика состояний технического объекта.

5. Свойства надежности технических систем.

 

В условиях перехода к рыночной экономике задача всемирного улучшения технического уровня и качества продукции приобретает первостепенное значение. Надежность и качество машин необходимы для повышения степени автоматизации, уменьшения огромных затрат на ремонт и убытков от простоя оборудования и техники, обеспечения безопасности людей и охраны окружающей среды.

Наука о надежности, выросшая из проблемы надежности подшипников качения, в дальнейшем развивалась главным образом применительно к радиоэлектронным системам и в направлении математической теории. Современная техника - это совокупность многочисленных структурно и функционально взаимосвязанных объектов различного назначения, сложности, а следовательно, и степени надежности.

На практике надежность любого технического устройства закладывается при проектировании, обеспечивается в процессе изготовления и поддерживается при эксплуатации. Требования к надежности и качеству возрастают в связи с усложнением функций, выполняемых как отдельными элементами, так и техническими объектами в целом. Существенным фактором при этом являются условия эксплуатации. Бесперебойную работу механизмов при воздействии климатических, механических и других факторов гарантирует только достижение необходимого уровня надежности каждой из его составных частей. В свою очередь количественные характеристики надежности являются также показателями, влияющими на эффективность и безопасность техники.

Огромное внимание, которое уделяется проблеме надежности техники, обусловлено рядом причин. С одной стороны, автоматизация управления технологическими процессами и применение ЭВМ во всех сферах народного хозяйства в значительной степени увеличили зависимость результатов работы от надежности отдельных устройств, с другой стороны, резко возросла так называемая цена отказа, т. е. стоимость ущерба, нанесенного в результате выхода из строя системы. Эта стоимость в условиях чрезвычайных ситуаций определяется не столько затратами на восстановление системы, сколько ценой причиняемого ущерба из-за отказа ее в работе. Кроме того, недостаточная надежность техники заставляет иметь большой комплект ЗИП по количественному и номенклатурному составу, контрольно-измерительной аппаратуры и значительное количество ремонтных формирований и материальных ресурсов для ее обеспечения.

В этой связи существует настоятельная необходимость не только изучения способов задания и обеспечения требуемых надежностных характеристик техники на этапе ее проектирования и производства, но и осмысления физических основ надежности с целью разработки будущими специалистами оптимальной системы технических, организационных и эксплуатационных мероприятий, направленных на поддержание высокой надежности выполнения задач человеко-машинной системой на протяжении всего ее "жизненного цикла". Поэтому в настоящем курсе в систематизированном виде излагается как терминологический аппарат теории надежности и методы расчета ее характеристик, так и принципы прогнозирования, оценки показателей надежности в процессе эксплуатации, а также обосновываются практические рекомендации по ее всестороннему обеспечению.

1. Характеристика научно-технического направления "теория надежности"

Обеспечение качества и надежности техники на современном этапе является важнейшей проблемой, от успешного решения которой во многом зависит научно-технический и социальный прогресс. Есть основания полагать, что случаи поломок, разрушений, износа, т. е. отказа орудий труда, средств передвижения были известны еще значительно раньше, много веков назад, однако именно развитие промышленного производства, открывшего энергетическую основу существования человечества, положило начало коллективному опыту массового изготовления и применения техники и привлекло внимание общества к практическим вопросам обеспечения надежности.

Середина прошлого столетия, ознаменовавшаяся новым качественным скачком в развитии техники - созданием и широким распространением сложных автоматизированных комплексов различного назначения, положила начало важному научно-техническом направлению "надежность техники". В развитии научно-технического направления "надежность техники" можно выделить следующие этапы:

1-й этап - 50-е году - становление направления;

2-й этап - 60-е этап классической теории надежности;

3-й этап - 70-е-90-е годы — современный этап.

Первый шаг в решении проблемы надежности был направлен на выяснение

причин отказов оборудования. По очевидным причинам начальный импульс к созданию численных методов оценки надежности был дан авиационной промышленностью как у нас в стране , так и за рубежом. В декабре 1950 г. в ВВС была создана исследовательская группа по надежности летательных аппаратов для изучения проблемы, выработки мер по повышению надежности и сокращению эксплуатационных затрат, которая пришла к выводу, что основной причиной возникновения проблемы надежности аппаратуры была низкая надежность комплектующих элементов. Поэтому при более подробном рассмотрении перед исследователями встали следующие вопросы. Каковы основные причины ненадежности элементов и пути их устранения? Существуют ли возможности создания надежных систем из элементов ограниченной надежности? Можно ли прогнозировать надежность создаваемой системы на этапе проектирования?

Значительные успехи в деле повышения надежности элементов были достигнуты благодаря изучению влияния на отказы таких факторов, как температура окружающей среды, вибрации, электрическая нагрузка и т.п. При этом был собран богатый статистический материал для получения оценок характеристик надежности радиоэлементов от электрических, механических и тепловых нагрузок, что привело к совершенствованию технологии производства, рациональному выбору материалов для их изготовления, внедрению средств защита элементов от вышеуказанных нагрузок.

На второй вопрос тоже был найден положительный ответ: резервирование ненадежных элементов и схем. Использование схем с избыточностью дало толчок к дальнейшему развитию методов анализа надежности, а также теоретических методов синтеза надежных схем из ненадежных элементов.

Использование вероятностных моделей, основанных на гипотезе об экспоненциальном законе распределения времени до отказа оборудования, дало положительные результаты. Таким образом, появились возможности прогнозирования надежности создаваемых систем.

Одновременно с существенным повышением надежности электронного оборудования происходит перераспределение значимости источников ненадежности. Центр тяжести перемешается на механическое и электромеханическое оборудование, на конструкцию приборов и агрегатов, на стыки систем, на обеспечение работы оборудования в новых, порой недостаточно хорошо известных условиях. Осознается важность экспериментальных работ для обеспечения надежности.

Аналогичные работы проводились и за рубежом. Так в США в 40-х годах основные усилия для повышения надежности были сконцентрированы на всестороннем улучшении качества. Улучшенные конструкции, прочные материалы, повышение твердости и качества обработки изнашиваемых поверхностей – все было направлено на то , чтобы увеличить активную долговечность узлов и агрегатов. Другой формой повышения надежности – разработка и внедрение типовых графиков периодических проверок, карт контроля оборудования. 50-е годы считаются началом использования основных понятий надежности элементов, таких как интенсивность отказов, ожидаемая долговечность.

Переход ко второму этапу начался в начале 60-х годов, когда появились первые экспериментальные разработки методов обеспечения надежности.

Возрастающее количество испытаний на надежность и критический анализ причин отказов показали существование зависимости между конструкцией приборов, технологией производстве, испытаниями, эксплуатационными условиями, с одной стороны, и отказами элементов, с другой. Было осознано, что отказы имеют причины, которые следует обнаружить и устранить до начала эксплуатации. Большое внимание в эти годы уделяется разработки статистических методов оценки надежности.

В процессе работы на втором этапе была отмечена недостаточная эффективность прямых статистических испытаний на надежность в сочетании с последующим выборочным производственным контролем работоспособности элементов и систем, не исключающих отказов техники при эксплуатации.

За рубежом в 60-е годы центр внимания переместился от анализа поведения отдельных элементов различного типа ( механических, электрических и гидравлических) на последствия, вызываемые отказом этих элементов в соответствующих системах. Были предложены новые принципы анализа с помощью дерева отказов и дерева событий. Все большую роль начинают играть ЭВМ.

В 1966 году Министерство обороны США приняло стандарты ВВС и ввело требование по проведению анализа надежности на всех этапах разработки всех видов вооружения. Появились стандарты по надежности, работоспособности и ремонтопригодности промышленных изделий.

60-е годы также отмечены началом широкого издания книг и журналов по проблеме надежности. Так в 1961 году вышла монография И. Базовски «Надежность: теория и практика».

В месте с тем появились новые вопросы. Как определить на самых ранних стадиях создания системы пути и возможности обеспечения ее надежности? Как соизмерять программу обеспечения надежности со степенью ответственности решаемых задач и ожидаемым от решения этих задач эффектом?

Ответ на эти вопросы был получен на современном этапе развития научно-технического направления. Этому способствовало широкое использование в решении задач надежности ЭВТ и современных методов исследования, эффективность мероприятий по обеспечению надежности была достигнута за счет:

- обеспечения полноты проверки параметров;

- использования многократного контроля различными методами и

средствами;

- снижения вредных воздействий на аппаратуру во время контроля;

- распознавания сочетаний параметров, потенциально опасных для работы аппаратуры;

- прогнозирования поведения определяющих параметров.

В результате беглого обзора основных этапов развития научно-технического

направления "надежность техники", описания его организационных основ, а также рассмотрения мер и средств обеспечения надежности можно представить себе широкий круг проблем, с которыми сталкивается современная теория надежности.

Опыт эксплуатации современных технических комплексов наглядно показывает, к чему приводит недостаточная отработанность отдельных систем к началу их использования по назначению, низкий уровень надежности комплектующих элементов, дефекты в процессе серийного производства и какой ценой приходится исправлять положение.

Во-первых, это большое число доработок, во-вторых, значительные неплановые потери в производстве, в-третьих, необходимость изменения на начальном этапе эксплуатации объема и периодичности проверок, в-четвертых, значительный расход ресурса приборов и ЗИП, в-пятых, огромная загрузка ремонтно-восстановительных формирований.

Это приводит к выводу о том, что обоснованное задание требований к эксплуатационным характеристикам и их качественная отработка на всех стадиях создания, производства и испытаний являются одним из главных условий дальнейшего совершенствования качества и надежности технических систем.

К проблемным вопросам относится также разработка методологических основ оценки и контроля надежности технических систем, которые позволяли бы учитывать зависимость надежности техники от периодичности их проверки и восстановления, а также от структурно-технических преобразований в них.

Предмет, задачи теории надежности, ее значение в подготовке инженера.

Теория надежности - наука, занимающаяся разработкой методов определения, контроля и обеспечения надежности систем. Базой для ее развития служит диалектический метод, ориентирующий исследователей на принципиальную познаваемость сложных явлений. В объектах происходит непрерывный переход количественных изменений в новое качество, взаимодействие и взаимосвязь разнообразных, часто противоречивых явлений. В них отчетливо наблюдается закон единства и борьбы противоположностей, сложная взаимосвязь случайного и необходимого. Появление отказов, время восстановления техники зависят от многих случайных причин. Поэтому в теории надежности широко применяют вероятностные методы исследования, она базируется на таких разделах математики, как теория вероятностей и случайных процессов, теория кассового обслуживания теория информации, теория игр и статистических решений, математическая статистика и математическое моделирование. В основу теории надежности положены работы многих ученых в их числе труды наших соотечественников А.А. Маркова, А.Н. Колмогорова, А.Я. Хинчина. Большой вклад в развитии современной теории надежности внесли советские академики А. И. Берг, Н.Т. Бруевич, Б.В. Гнеденко. Важное место в разработке теоретических и прикладных вопросов надежности занимают труды Ю.К. Беляева Н.П. Бусленко, Г.В. Дружинина, А,М. Половко, Я.Б. Шора и пр.

Вопросы надежности техники изучаются во всех технических вузах. Теорию надежности рассматривают как часть науки об управлении, а обучение инженеров научным методам управления - как одну из важнейших современных задач высшей школы. Теория надежности не дает окончательных решений. пригодных для всех случаев инженерной практики. Она позволяет получить лишь исходные данные для принятия управленческих решений. Для правильного решения задач нужна еще инженерная интуиция, дополняющая количественные результаты теми факторами, которые не учтены в моделях надежности.

Предметом исследования теории надежности является изучение причин, вызывающих отказы объектов, определение закономерностей, которым они подчиняются, разработка способов количественного измерения надежности, методов расчета и испытаний, разработка путей и средств повышения надежности.

«Надежность технических систем и техногенный риск» обще- профессиональная дисциплина, занимающаяся изучением методов задания, оценки, прогнозирования, контроля и обеспечения эксплуатационно-технических показателей качества, эффективности и безопасности промышленных объектов различного назначения на всех этапах их жизненного цикла. Базой для построения дисциплины принято считать системный подход, ориентирующий обучаемых на осознание принципиальной познавательности сложных процессов и явлений, на рассмотрение во взаимосвязи и взаимодействии процессов функционирования элементов таких образований как «человек - машина - среда обитания», на понимание потенциальной опасности причинения ущерба человеку и окружающей среде техногенными факторами чрезвычайных ситуаций.

На практике надежность технических систем закладывается при проектировании, обеспечивается в процессе изготовления и поддерживается при эксплуатации. Требования к надежности и качеству техники возрастают в связи с усложнением функций, выполняемых как отдельными элементами, так и технологическим оборудованием в целом. Существенным фактором при оценке показателей надежности являются условия эксплуатации, степень подготовленности обслуживающего персонала. Все это обуславливает перечень задач, которыми занимается дисциплина «надежность технических систем и техногенный риск».

 

В результате изучения дисциплины студенты должны иметь представление:

- о принципах анализа и моделирования надежности технических систем и оценки техногенного риска;

- о методах прогнозирования и испытаний элементов технических систем, технологического оборудования, устройств защиты и безопасности на надежность;

- о структуре и общих правилах задания требований по надежности устройств, обеспечивающих безопасность эксплуатации технических систем;

должны знать и уметь использовать:

- расчетно-статистические методы оценки и анализа количественных показателей надежности технических систем с использованием ПЭВМ;

- основные свойства и показатели качества технических устройств;

- способы обеспечения надежности технических систем на этапе проектирования, модернизации и эксплуатации;

должны иметь опыт:

- математического моделирования надежности работы отдельных элементов технических систем и объектов в целом;

- обоснования организационных и технических решений по обеспечению пробуемых показателей надежности, снижению уровня техногенного риска.

Дисциплина обеспечивает изучение специальных курсов: «Техника и технология защиты окружающей среды», «Производственная безопасность», «Управление безопасностью труда в технических системах», «Осложнения и аварии в отраслях промышленности», «Экономический ущерб на производстве», выполнение дипломных работ и проектов.

Несмотря на малый объем изучаемого материала, основы теории надежности составляют фундамент инженерной подготовки специалистов, ибо знание ими технического состояния оборудования отрасли промышленности -залог успешного выполнения экологических задач. На практических занятиях при расчете показателей надежности образцов техники обучаемые ставятся в реальные условия, характерные для соответствующих отраслей экономики, т.е. реализуется принципы активных методов обучения (игровой , проблемный, ситуационный). С этой целью в распоряжение студентов предоставляется электронно-вычислительная техника кафедры.

При проведении самостоятельной работы под руководством преподавателя упор делается на индивидуальное обучение в виде собеседования с отстающими, слабоуспевающими студентами. В этой связи, обучаемым рекомендуется в часы самостоятельной подготовки изучить не только теоретический материал, но и решить практические задачи для его закрепления.

В ходе изучения дисциплины на семинарских и практических занятиях проводится фронтальный опрос с контролем работы каждого над пройденным материалом (по конспектам). В конце изучения раздела студенты сдают экзамен, одним из основных вопросов которого является практическая задача по расчету отдельных показателей надежности технических устройств безопасности. В шестом семестре учебным планом предусмотрено выполнение студентами курсовой работы.

С целью качественной работы студента над материалом дисциплины рекомендуется литература :

 

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

2. Алымов В.Т., Тарасов Н.П. Техногенный риск: Анализ и оценка: учебное пособие для вузов.-М.:ИКЦ «Академкнига»,2005.-118с.

3. Бессонова А.А., Мороз А.В. Надежность систем автоматического регулирования. – Л.: Энергоатомиздат, 1984.

4. Белов П.Г. Теоретические основы системной инженерии безопасности. Киев, КМУГА, 1997 г.

5. Галинкевич Т.А. Прикладная теория надежности. М., ВШ, 1985г.

6. Половко А.М. Основы теории надежности.- М.: Наука, 1964.

7. Хенли Э., Кумамото Х. Надежность технических систем и оценка риска. М., Машиностроение, 1984 г.

Основные понятия теории надежности.

Каждая наука опирается на основные понятия и определения. Таковыми , например, являются понятие точки и прямой в геометрии, массы, силы и скорости – в механики, события и вероятности в теории вероятностей и т.п.

Теория надежности также имеет свои понятия. К ним в первую очередь относится понятие надежности.

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, ремонтов, хранения и транспортировки.

В теории надежности все термины и определения относятся к объектам, под которыми понимаются изделия, системы и их элементы, в частности сооружения, установки, устройства, машины, аппараты, приборы и их части, агрегаты и отдельные детали.

Изделием называют единицу продукции, выпускаемую данным предприятием, цехом и т.п., например подшипник, телевизор, станок, автомобиль.

Системой называют совокупность совместно действующих объектов, предназначенных для самостоятельного выполнения заданных функций. При этом объекты не всегда могут быть объединены конструктивно, иногда они объединяются лишь функционально.

Элементом называют часть системы (изделия), предназначенную для выполнения отдельных функций и не имеющую самостоятельного эксплуатационного значения.

Понятия "система" и "элемент" относительны. Системы могут быть элементами более общей системы. Все зависит от степени детализации. Иногда элементы делят на основные, составляющие и комплектующие.

Основными считают агрегаты и подсистемы, из которых достоит вся система. Основные элементы состоят из составляющих элементов. К составляющим элементам относятся приборы, узлы, блоки, входящие в основные элементы.

В свою очередь, составляющие элементы состоят из комплектующих элементов, т. е. тех простейших элементов (конденсаторов, сопротивлений, клапанов, пружин, шайб и т. д.), из которых конструируются составляющие элементы.

Технические объекты по принципу восстановления подразделяются на восстанавливаемые, которые могут быть восстановлены потребителем, например станок, автомобиль, телевизор и невосстанавливаемые, которые не могут быть восстановлены потребителем и подлежат замене, например подшипники, диоды и сопротивления.

Объект как продукция производства обладает качеством, т.е. совокупностью свойств, обусловливающих пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с ее назначением, т. е. пригодность к эксплуатации в режимах, определенных нормативно-технической документацией. Часто используют более узкое, чем качество, понятие эффективности объекта.

Под эффективностью понимают свойство объекта, определяющее степень его пригодности непосредственно к применению по назначению. По мере эксплуатации объекта совокупность свойств, определяющих его качество, какправило, ухудшается.

Жизненный цикл любого технического устройства включает в себя стадии: проектирования, создание и испытание опытного образца, производство, эксплуатацию и ремонт (рис. 1.1).

 

Проектирование	Создание и испытание опытного образца	Производство	Эксплуатация	Ремонт, списание
Проработка возможных вариантов. Научно- исследовательские работы. Формирование технического задания	Создание опытного образца Конструкторские испытания	Изготовление, испытания, приемка	Ввод в эксплуатацию Проведение строительных, монтажных и пусконаладочных работ , автономных и контрольных испытаний (АИ, КИ)	Капитальные ремонты, снятие с эксплуатации, списание, утилизация

 

Рисунок 1.1. Жизненный цикл ТУ

 

Проектирование изделия включает проработку возможных вариантов, научно-исследовательские работы, формирование технического предложения (задания), создание опытного образца и конструкторские испытания.

Ввод в эксплуатацию технического устройства предполагает проведение строительных, монтажных, пуско-наладочных работ, автономные испытания (АИ), комплексные испытания (КИ). Дальнейшая эксплуатация есть чередование этапов применения и технического обслуживания. Способность объекта сохранять качество в процессе длительной эксплуатации определяется его надежностью.

Под надежностьюпонимают свойство объекта сохранять во времени в

установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции .в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования.

Из формулировки следует, что определить такое свойство объекта, как надежность, можно, если установлен его объект, заданы режимы и условия его эксплуатации при применении по назначению или использованию, техническом обслуживании, ремонтах, хранении, транспортировании, назначены эксплуатационные показатели для каждого из перечисленных режимов эксплуатации объекта, а также допустимые пределы их изменения

Надежность - комплексное свойство объекта, включающее в себя безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость. Близким к понятию надежности и эффективности, но не совпадающим с ним, является свойство объекта, называемое живучестью.

Живучесть - такое свойство объекта, которое характеризует его возможности сохранять работоспособное состояние при внешних воздействиях, превышающих установленные эксплуатационные уровни, например при порывах ветра, повышении давления, влажности, возникновении вибраций, механических нагрузок, грозовых разрядах и т.д.

 

Рисунок 1.2

 

Если для объектов такие режимы заданы ЭТД, то свойство живучести совпадает с надежностью. В общем случае высокая надежность еще не гарантирует высокой живучести: объект может иметь высокую надежность, но при малейшем превышении установленных нагрузок отказывает, и, наоборот, может иметь высокую живучесть к вибрациям, ударам, но терять работоспособность после короткого срока работы в обычных условиях.

Таким образом, совокупность свойств, определяющая качество объекта, включает в себя более узкие и пересекающиеся свойства эффективности, надежности и живучести (рисунок 1.2). Для некоторых частных случаев свойство эффективности может полностью включать в себя надежность и живучесть, но в общем случае ряд составляющих свойств надежности (например, сохраняемость и ремонтопригодность) не покрываются свойством эффективности.