Методы расчета надежности

Методы расчета надежностиподразделяют:

1) по составу рассчитываемых показателей надежности (ПН): безотказности, ремонтопригодности; долговечности; сохраняемости; комплексных показателей надежности (методы расчета коэффициентов готовности, технического использования, сохранения эффективности идр.).

2) по основным принципам расчета свойств, составляющих надежность, или комплексных показателей надежности объектов: методы прогнозирования, структурные методы расчета, физические методы расчета.

а) Методы прогнозирования основаны на использовании для оценки ожидаемого уровня надежности объекта данных о достигнутых значениях и выявленных тенденциях изменения ПН объектов, аналогичных или близких к рассматриваемому по назначению, принципам действия, схемно-конструктивному построению и технологии изготовления, элементной базе и применяемым материалам, условиям и режимам эксплуатации, принципам и методам управления надежностью.

Методы прогнозирования применяют:

- для обоснования требуемого уровни надежности объектов при разработке технических заданий и (или) оценки вероятности достижения заданных ПН при проработке технических предложений и анализе требований (контракта);

- для ориентировочной оценки ожидаемого уровня надежности объектов на ранних стадиях их проектирования, когда отсутствует необходимая информация для применения других методов расчета надежности;

- для расчета интенсивности отказов серийно выпускаемых и новых элементов разных типов с учетом уровня их нагруженности, качества изготовления, областей применения аппаратуры, в которой используются элементы;

- для расчета параметров типовых задач и операций технического обслуживания и ремонта объектов с учетом конструктивных характеристик объекта, определяющих его ремонтопригодность.

Для прогнозирования надежности объектов применяют:

- методы эвристического прогнозирования (экспертной оценки);

- методы прогнозирования по статистическим моделям;

- комбинированные методы.

Методы эвристического прогнозировании основаны на статистической обработке независимых оценок значений ожидаемых ПН, разрабатываемого объекта (индивидуальных прогнозов), даваемых группой квалифицированных специалистов (экспертов) на основе представленной им информации об объекте, условиях его эксплуатации, планируемой технологии изготовления и других данных, имеющихся в момент проведения оценки. Опрос экспертов и статистическую обработку индивидуальных прогнозов ПН проводят общепринятыми при экспертной оценке любых показателей качества методами (например, метод Дельфи).

Методы прогнозирования по статистическим моделям основаны на экстра- и интерполяции зависимостей, описывающих выявленные тенденции изменения ПН объектов-аналогов с учетом их конструктивно-технологических особенностей и других факторов, информации о которых для разрабатываемого объекта известна или может быть получена в момент проведения оценки. Модели для прогнозирования строят по данным о ПН и параметрах объектов-аналогов с использованием известных статистических методов (многофакторного регрессионного или факторного анализа, методов статистической классификации и распознавании образов).

Комбинированные методы основаны на совместном применении для прогнозирования надежности объектов методов прогнозирования по статистическим моделям и эвристических методов с последующим сравнением результатов. При этом эвристические методы используют для оценки возможности экстраполяции используемых статистических моделей и уточнения прогноза по ним ПН. Применение комбинированных методов целесообразно в случаях, когда есть основании ожидать качественных изменений уровня надежности объектов при недостаточном для применения только статистических методов числе объектов-аналогов.

б) Структурные методы расчета основаны на представлении объекта в виде логической (структурно-функциональной) схемы, описывающей зависимость состояний ипереходов объекта от состояний и переходов его элементов с учетом их взаимодействия и выполняемых ими функций в объекте с последующими описаниями построенной структурной модели адекватной математической моделью и вычислением ПН объекта по известным характеристикам надежности его элементов.

Структурные методы являются основными методами расчета показателей безотказности, ремонтопригодности и комплексных ПН в процессе проектировании объектов, поддающихся разукрупнению на элементы, характеристики надежности, которые в момент проведения расчетов известны или могут быть определены другими методами (прогнозирование, физические по статистическим данным, собранные в процессе их применения в аналогичных условиях). Эти методы применяют также для расчета долговечности и сохраняемости объектов, критерии предельного состояния которых выражаются через параметры долговечности (сохраняемости) их элементов.

Расчет ПН структурными методамив общем случае включает:

- представление объекта в виде структурной схемы, описывающей логические соотношения между состояниями элементов и объекта с учетом структурно-функциональных связей и взаимодействии элементов, принятой стратегии обслуживания, видов и способов резервировании и других факторов;

- описание построенной структурной схемы надежности (ССН) объекта адекватной математической моделью, позволяющей в рамках введенных предположений и допущений вычислить ПН объекта по данным о надежности его элементов в рассматриваемых условиях их применения.

В качестве структурных схем надежности могут применяться:

- структурные блок-схемы надежности, представляющие объект в виде совокупности определенным образов соединенных (в смысле надежности) элементов;

- деревья отказов объекта, представляющие графическое отображение причинно-следственных связей, обуславливающих определенные виды его отказов;

- графы (диаграммы) состояний и переходов, описывающих возможные состояния объекта и его переходы из одного состояния в другое в виде совокупности состояний и переходов его элементов.

в) Физические методы расчета основаны на применении математических моделей, описывающих физические, химические и иные процессы, приводящие к отказам объектов (к достижению объектами предельного состояния), и вычислении ПН по известным параметрам нагруженности объекта, характеристикам примененных в объекте веществ и материалов с учетом особенностей его конструкции и технологии изготовления.

Математические модели, применяемые для описания соответствующего ССН, определяются видами и сложностью указанных структур, принятыми допущениями относительно видов законов распределения характеристик надежности элементов, точностью и достоверностью исходных данных для расчета и другими факторами.

Для описания безотказности объектов вида I (табл. 2.7) (по классификации объектов в соответствии с ГОСТ 27.003) применяют блок-схемы безотказности и устанавливаются:

- методы прямого расчета вероятности безотказной работы объекта (ВБР) но соответствующим параметрам безотказности элементов для простейших параллельно-последовательных структур;

- методы расчета ВБР для более сложных структур, относящихся к классу монотонных, включая метол прямого перебора состояний, метод минимальных путей и сечений, метод разложения относительно любого элемента.

Для расчета показателей типа средней наработки объекта до отказа в указанных методах используют метод прямого или численного интегрирования распределения наработки до отказа объекта, представляющего композицию соответствующих распределений наработок до отказа его элементов. Если информация о распределении наработок до отказа элементов неполна или недостоверна, то применяют различные граничные оценки ПН объекта, известные из теории надежности.

В частном случае невосстанавливаемой системы с различными способами резервирования и при экспоненциальном распределении наработок до отказа элементов применяют ее структурное отображение в виде графа переходов и его математическое описание с помощью марковского процесса.

Методы расчета безотказности комплексных восстанавливаемых объектов вида I (табл. 2.7) универсальным методом расчета для объектов любой структуры и при любых сечениях распределений наработок между отказами и времени восстановления элементов, при любых стратегиях метод статистическогомоделировании, в общем случае включающий:

- синтез формальной модели (алгоритма) формирования последовательности случайных событий, происходящих в процессе работы объекта;

- разработку программного обеспечения для реализации на ЭВМ составленного алгоритма и расчета ПН объекта;

- проведение имитационного эксперимента на ЭВМ путем многократной реализации формальной модели, обеспечивающей требуемую точность и достоверность расчета ПН.

Метод статистического моделирования для расчета надежности применяют при отсутствии адекватных аналитических моделей из числа рассматриваемых ниже.

Для резервированных последовательных структур с восстановлением и произвольными способами резервирования элементов применяют марковские модели для описания соответствующих графов (диаграмм) состояний.

В некоторых случаях для объектов с неэкспоненциальным распределением и временем восстановления не марковская задача расчета ПН может быть сведена к марковской путем введения определенным способом фиктивных состояний объекта в его граф переходов.

Другой эффективный метод расчета ПН объектов с резервом основан на представлении наработок их между отказами в виде суммы случайного числа случайных слагаемых и непосредственном вычислении ПН объектов без привлечения методов теории случайных процессов.

Метод расчета надежности конкретного объекта выбирают в зависимости от:

- целей расчета и требований к точности определения ПН объекта;

- наличия и (или) возможности получения исходной информации, необходимой для применения определенного метода расчета;

- уровня отработанности конструкции и технологии изготовления объекта, системы его ТО и ремонта, позволяющего применять соответствующие расчетные модели надежности.

При расчете надежности конкретных объектов возможно одновременное применение различных методов, например методов прогнозирования надежности горных машин и их элементов с последующим использованием полученных результатов в качестве исходных данных для расчета надежности объекта в целом или его составных частей различными структурными методами.

Исходными данными для расчета надежности объекта могут быть:

- априорные данные о надежности объектов, составных частей и комплектующих изделий рассматриваемого объекта по опыту их применения в аналогичных или близких условиях;

- оценки показателей надежности (параметры законов распределения характеристик надежности) составных частей объекта и параметров, примененных в объекте материалов, полученные экспериментальным или расчетным способами непосредственно в процессе разработки (изготовления, эксплуатации) рассматриваемого объекта и его составных частей;

- расчетные и (или) экспериментальные оценки параметров нагружения и примененных в объекте составных частей и элементов конструкции.

Так же источниками исходных данных для расчета надежности объекта могут быть:

- стандарты и технические условия на составные части объекта, применяемые в нем комплектующие элементы межотраслевого применения, вещества и материалы;

- справочники по надежности элементов, свойствам веществ и материалов, нормативам продолжительности (трудоемкости, стоимости) типовых операций ТО и ремонта и другие информационные материалы;

- статистические данные (банки данных) о надежности объектов-аналогов, входящих в их состав элементов, свойствах применяемых в них веществ и материалов, о параметрах операций ТО и ремонта, собранные в процессе их разработки, изготовления, испытаний и эксплуатации:

- результаты прочностных, электрических, тепловых и иных расчетов объекта и его составных частей, расчеты показателей надежности составных частей объекта.

При наличии нескольких источников исходных данных для расчета надежности объекта приоритеты в их использовании или методы объединения данных из разных источников должны быть установлены в методике расчета. В расчете надежности, включаемом в комплект рабочей документации на объект, предпочтительным должно быть применение исходных данных из стандартов и технических условий на составные части, элементы и материалы.

Адекватность выбранного метода расчета и построенных расчетных моделей целям и задачам расчета надежности объекта характеризуют:

- полнотой использования в расчете всей доступной информации об объекте, условиях его эксплуатации, системе ТО и ремонта, характеристиках надежности составных частей, свойствах применяемых в объекте веществ и материалов;

- обоснованностью принятых при построении моделей допущений и предположений, на точность и достоверность оценок ПН;

- степенью соответствия уровня сложности и точности расчетных моделей надежности объекта доступной точности исходных данных для расчета.

Степень адекватности моделей и методов расчета надежности горных машин оценивают путем:

- сопоставления результатов расчета и экспериментальной оценки ПН объектов-аналогов, для которых применялись аналогичные модели и методы расчета;

- исследования чувствительности моделей к возможным нарушениям принятых при их построении допущений и предположений, а также к погрешностям исходных данных для расчета;

- экспертизы и апробации применяемых моделей и методов, проводимых в установленном порядке.

Для расчета надежности объектов применяют:

- типовые методики расчета, разрабатываемые для группы (вида, типа) однородных по назначению и принципам обеспечения надежности объектов, оформляемые в виде соответствующих нормативных документов (государственных и отраслевых стандартов, стандартов предприятия и др.);

- методики расчета, разрабатываемые для конкретных объектов, особенности конструкции и (или) условия применения которых не допускают применения типовых методик расчета надежности.

Указанные методики, как правило, включают непосредственно в отчетные документы по расчету надежности или оформляют в виде отдельных документов, включаемых в комплект документации соответствующего этапа разработки объекта.

Типовая методика расчета надежности должна содержать:

- характеристику объектов, на которые распространяется методика, в соответствии с установленными настоящим стандартом правилами их идентификации;

- перечень рассчитываемых ПНобъекта в целом и его составных частей, методы, применяемые для расчета каждого показателя;

- типовые модели для расчета ПН и их примеры для расчета надежности конкретных объектов, соответствующие этим моделям алгоритмы расчета и, при наличии, программные средства;

- методы и соответствующие методики оценки параметров нагруженности составных частей объектов, учитываемых в расчетах надежности;

- требования к исходным данным для расчета надежности (источники, состав, точность, достоверность, форма представления) или непосредственно сами исходные данные, методы объединения разнородных исходных данных для расчета надежности, получаемых из разных источников;

- решающие правила для сопоставления расчетных значений ПНс требуемыми, если результаты расчета применяют для контроля надежности объектов;

- методы оценки погрешностей расчета ПН,вносимые принятыми для используемых моделей и методов расчета допущениями и предположениями;

- методы оценки чувствительности результатов расчета к нарушениям принятых допущений и (или) к погрешностям исходных данных;

- требования к форме представления результатов расчета ПНи правила зашиты результатов расчета в соответствующих контрольных точках ПОНи при экспертизах проектов объектов.

Методика расчета надежности конкретного объекта должна содержать:

- информацию об объекте, обеспечивающую его идентификацию для расчета надежности в соответствии с требованиями настоящего стандарта;

- номенклатуру рассчитываемых ПНи их требуемые значения;

- модели для расчета каждого ПНпринятые при их построении допущения и предположения, соответствующие алгоритмы вычислении ПНи применяемые программные средства, оценки погрешностей и чувствительности выбранных (построенных) моделей;

- исходные данные для расчета и источники их получения;

- методики оценки параметров нагруженности объекта и его составных частей или непосредственно опенки указанных параметров со ссылкамина соответствующие результаты и методики прочностных, тепловых, электрических и иных расчетов объекта.

Результаты расчета надежности объекта оформляют в виде раздела пояснительной записки к соответствующему проекту (эскизному, техническому) или в виде самостоятельного документа (по ГОСТ 2.102, отчета и др.) содержащего:

- цели и методику (ссылку на соответствующую типовую методику) расчета;

- расчетные значения всех ПНи заключения о их соответствии установленным требованиям надежности объекта;

- выявленные недостатки конструкции объекта и рекомендации по их устранению с оценками эффективности предлагаемых с точки зрения их влияния на уровень надежности;

- перечень составных частей и элементов, лимитирующих надежность объекта или по которым отсутствуют необходимые данные для расчета ПНпредложения по включению в ПОН дополнительных мероприятий по повышению (углубленному исследованию) их надежности или по их замене на более надежные (отработанные и проверенные);

- заключение о возможности перехода к следующему этапу отработки объекта при достигнутом расчетном уровне его надежности.

Расчетные оценки ПН,заключения о их соответствии установленным требованиям и возможности перехода к следующему этапу видов работ по разработке (постановке на производство) объекта, рекомендации по доработкам с целью повышения его надежности включают в акт приемочных испытаний, если принято решение о контроле надежности объекта расчетным методом.

Контрольные вопросы

1 Какие показатели надежности вы знаете?

2. Дайте определения: объект, изделие, техническая система, элемент.

3. Перечислите понятия и дайте определение, охватывающие основные технические состояния объекта.

4. Перечислите понятия и дайте определение временным понятиям надежности.

5. Каким требованиям должны соответствовать показатели надежности?

6. Как показатели надежности влияют на жизненный цикл изделия?

7. Перечислите и дайте определения показателям безотказности.

8. Статистическая формула определения вероятности безотказной работы от начала эксплуатации до t₀.

9. Статистические формулы определения вероятности отказа в интервале времениот 0 до t₀ и интервале времени от t до t + t₀.

10. Статистическая формула определения плотности распределения отказов объекта.

11. Статистическая формула определения интенсивности отказов (для практике).

12. Статистическая формула определения времени средней наработки до отказа.

13. Перечислите показатели безотказности восстанавливаемых объектов.

14. Перечислите и дайте определения показателям долговечности части объекта (ресурс,средний ресурс, средний ресурс между средними (капитальными) ремонтами, срок службы, срок сохраняемости, остаточный ресурс).

15. Перечислите и дайте определения показателям долговечности объекта (технический ресурс, доремонтный ресурс, послеремонтный ресурс, полный ресурс, назначенный ресурс, назначенный срок службы, назначенный срок хранения).

16. Гамма-процентный ресурс.

17. Перечислите и дайте определения показателям ремонтопригодности.

18. Определить среднее время восстановления изделия.

19. Определить среднюю оперативную трудоемкость внепланового текущего ремонта.

20. Перечислите и дайте определения показателям сохраняемости.

21. Перечислите и дайте определения комплексным показателям надежности

22. Статистический коэффициент технического использования.

23. Виды отказов по времени и причин их возникновения (повреждение, отказ, критерий отказа, причина отказа, случайные причины, систематические причины, внезапный отказ, постепенные по развитию отказы, внезапные по проявлению отказы, постепенный отказ).

24. Отказы, вызванные той или иной причиной и процессе жизненного цикла изделия (конструктивные,производственные (технологические), эксплуатационные).

25. Отказы, характеризующиеся результатами их последствий (критичность отказа, сбой, ресурсный отказ, перемежающийся отказ, явный отказ, скрытый отказ деградационный отказ).

26. Цели расчета надежности объекта на определенном этапе видов работ на определенной стадии его жизненного цикла.

27. Этапы видов работ расчета надежности.

28. Элементы идентификации объекта для расчета его надежности.

29. Основные признаки подразделения изделий при задании требований по надежности.

30. Классификация методов расчета надежности.

31. Виды и применение методов прогнозирования надежности.

32. Какие действия необходимо произвести для идентификации объекта для расчета его надежности?