Надежность технических систем

Темы лекционных занятий
Введение. Основные понятия теории надежности.
Основные количественные характеристики надежности.
Расчет надежности технических систем. Абстрактное описание процесса функционирования. Требования к показателям надежности.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ
Теория надежности есть наука, изучающая закономерности особого рода явлений – отказы технических объектов (элементов, устройств и систем). Как и всякая наука она имеет свои понятия и определения. К основным фундаментальным понятиям теории надежности относятся понятия надежность и отказ.

В соответствии ГОСТ «Надежность в технике. Термины и определения» надежность – это свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования.
Другими словами, надежность – это свойство объекта выполнять заданные функции в определенных условиях эксплуатации.

Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его эксплуатации может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость в отдельности или определенное сочетание этих свойств как для объекта, так и для его частей.
Событие, заключающееся в нарушении работоспособности объекта, называется отказом.

Состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции, сохраняя значения заданных параметров в пределах, установленных нормативно- технической документацией называют работоспособностью (работоспособным состоянием).
Свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки называют безотказностью.

Свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов называют долговечностью.
Другими словами, долговечность – это суммарная продолжительность работы, ограниченная износом, старением или другими предельными состояниями.

Ремонтопригодность – свойство объекта, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов и устранению их последствий путем проведения ремонтов и технического обслуживания.
Объект, работоспособность которого в случае возникновения отказа подлежит восстановлению называется восстанавливаемым. В противном случае объект называют невосстанавливаемым.
Продолжительность или объем работы объекта называют наработкой.

Отказы и их классификация
Отказы можно классифицировать по различным признакам.
По характеру возникновения различают отказы внезапные и постепенные.
Внезапным называют отказ, характеризующийся скачкообразным изменением одного или нескольких заданных параметров объекта.
Постепенным – отказ, характеризующийся постепенным изменением одного или нескольких заданных параметров объекта.

Внезапные отказы обычно проявляются в виде механических повреждений элементов (поломки, трещины, обрывы, пробои изоляции и т.п.), из-за чего эти отказы иногда называют грубыми. Внезапные отказы получили свое название из-за того, что обычно отсутствуют видимые признаки их приближения, т.е. перед отказом обычно не удается обнаружить количественные изменения характеристик объекта.

Постепенные отказы (их еще называют параметрическими) связаны с износом деталей, старением материалов и разрегулированием устройств. Параметры объекта могут достигнуть критических значений, при которых его состояние считается неудовлетворительным, т.е. происходит отказ.
Внезапный отказ объекта также является следствием накопления необратимых изменений материалов. Иначе говоря, возникновение внезапного отказа также является следствием случайного процесса изменения какого-то параметра объекта. Внезапным отказ кажется лишь потому, что не контролируется изменяющийся параметр, при критическом значении которого наступает отказ объекта, обычно связанный с его механическим повреждением.

Таким образом, возникновению всякого отказа предшествует накопление тех или иных изменений внутри объекта (при этом, конечно, не рассматриваются отказы, происшедшие из-за небрежности или неумения работников).

По связи с другими отказами можно различать независимые отказы, не обусловленные повреждениями или отказами других элементов объекта, и зависимые отказы, обусловленные отказами других элементов.
По причинам, приведшим к возникновению отказа, различают конструкционный отказ, возникающий в результате ошибок проектирования (конструирования), производственный отказ, возникший в результате нарушения установленного процесса изготовления или ремонта, и эксплуатационный отказ, причиной которого стало нарушение правил и условий эксплуатации.

По характеру устранения можно различать окончательные (устойчивые) и перемежающиеся (то возникающие, то исчезающие) отказы. Перемежающиеся отказы в большинстве случаев являются следствием обратимых случайных изменений режимов работы и параметров объектов. При возвращении режима работы в допустимые пределы объект сам, обычно без вмешательства человека, возвращается в работоспособное состояние. Перемежающиеся отказы особенно неприятны в информационных системах, где они известны под названием сбоев (сбой – самоустраняющийся отказ, приводящий к кратковременному нарушению работоспособности). Появление сбоев трудно обнаружить, так как после их исчезновения объект остается работоспособным.

ОСНОВНЫЕ КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НАДЕЖНОСТИ.
Количественная сторона проблемы надежности состоит в изучении закономерностей появления отказов и восстановления работоспособности.
События, названные нами отказом и восстановлением, являются случайными, а поэтому их изучение и количественная оценка осуществляется на основе методов теории вероятностей.

Рассмотрим работу некоторого технического объекта (например, элемента) до первого отказа.
Пусть в момент t=0 элемент начинает работу, а в момент t=T происходит отказ.
Время Т, прошедшее от начала работы элемента до момента отказа – время жизни элемента, назовем временем безотказной работы (наработкой).

Рис. 1. Вероятность безотказной работы P(t) и вероятность отказа Q(t).

Вероятность отказа

Дифференциальный закон распределения времени безотказной работы

Интенсивность отказов

Согласно установившимся в теории надежности представлениям кривая имеет вид, показанный на рис.2.
Рис.2. Типичная кривая интенсивности отказов.

Среднее время безотказной работы

РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Абстрактное описание процесса функционирования объекта

Общие требования к показателям надежности