ЛЕКЦИЯ 6. НАДЕЖНОСТЬ СУДОВ И СУДОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ

6.1. Содержание и значение надежности.

6.2. Основные понятия. Номенклатура показателей надежности.

6.3 Оценка надежности по данным эксплуатации.

6.4. Показатели надежности судов.

Содержание и значение надежности.

Непрерывное усложнение судовых технических средств при неизменной надежности комплектующих элементов, узлов и изделий неизбежно ведет к снижению надежности судовых систем, устройств и судов в целом. Выход из строя основного оборудования в силу специфических условий эксплуатации судов создает аварийную обстановку, а иногда вызывает аварии с тяжелыми последствиями, включая человеческие жертвы. Морские транспортные суда длительное время находятся вдали от береговых баз и не могут рассчитывать на своевременную помощь судоремонтных предприятий. Поэтому при недостаточном уровне надежности судового оборудования для обеспечения непрерывного работоспособного состояния судна предусматривают резервирование (дублирование) агрегатов, что еще более усложняет судовую установку.

Непрерывное увеличение количества судов, их размеров и скорости ведет к росту интенсивности движения и требует повышения безопасности плавания, что в значительной степени зависит от надежности всех судовых технических средств. В этом состоят технические предпосылки возникновения проблемы надежности.

Важность проблемы повышения надежности подтверждается также экономическими соображениями. Недостаточный уровень надежности — это дополнительные затраты, вызванные авариями и простоями судов, снижением их скорости и увеличением времени грузовых операций, а также дополнительные расходы на ремонт и ТО оборудования. Увеличение межремонтного периода судов, сокращение численности судовых экипажей (без увеличения напряженности труда) не могут быть успешно реализованы без существенного повышения надежности всех технических средств. В этом состоят экономические предпосылки проблемы надежности.

Таким образом, проблема обеспечения необходимого уровня надежности судового оборудования относится к числу проблем первостепенной важности.

Технический прогресс выдвинул проблему надежности на первое место и зависит от успешного ее решения [3]. Однако недостаточно понимать значение надежности для повышения технико-экономической эффективности создания и использования технических средств. Необходимо уметь количественно оценивать уровень надежности, определять количественную зависимость надежности от режимов использования и условий эксплуатации.

Любая отрасль человеческих знаний, чтобы стать самостоятельной наукой, должна овладеть математическим аппаратом. Для теории надежности основу математического аппарата составляют теория вероятностей и математическая статистика. Теория надежности является инструментом для решения многих практических задач, и в частности задач оптимальной ТЭ. В качестве примера рассмотрим схему использования теории надежности для решения практических задач ТЭ судового оборудования.

1. Зная зависимость показателей надежности от режимов работы и условий эксплуатации, можно рассчитать характеристики надежности для различных возможных режимов плавания (эксплуатации судов), следовательно, можно заранее принять меры, обеспечивающие достаточно высокий уровень надежности даже в самых неблагоприятных условиях эксплуатации.

2. Используя показатели безотказности и ремонтопригодности изделий, можно определить оптимальную периодичность работ по ТО, что позволит повысить уровень надежности при минимальных затратах.

3. Зная показатели долговечности, безотказности элементов и условия пополнения запасов, можно рассчитать оптимальное количество СЗЧ, что позволит избежать затоваривания и простоя оборудования (судов) из-за нехватки каких-либо деталей или узлов.

Используя эксплуатационные данные о надежности судового оборудования, специалисты морской индустрии квалифицированно оценивают техническое состояние судов, планируют ремонт конкретных видов техники, а научно-исследовательские и проектно-конструкторские организации морского транспорта разрабатывают системы и методы ТО судов, обеспечивают использование на судах наиболее надежного оборудования [4, 5, 6].

Основные понятия. Номенклатура показателей надежности.

Одним из проявлений научно-технического прогресса является установление единой терминологии в каждой отрасли науки, техники, культуры. Единые термины в любой области знаний позволяют четко классифицировать предметы, явления, события; исключают разное понимание и толкование одного и того же явления, процесса, позволяют использовать математический аппарат и современную вычислительную технику для обработки результатов эксплуатации, исследований.

Термины и определения основных понятий и показателей надежности приведены в руководящих документах. Целесообразно привести дополнительные разъяснения некоторых основных понятий и исходных положений теории и практики надежности.

Любой объект, с точки зрения соответствия предъявляемым к нему требованиям, в каждый момент может находиться в одном из следующих состояний: исправном, работоспособном, неисправном, неработоспособном, предельном. Понятие исправность шире, чем понятие работоспособность. Работоспособный объект в отличие от исправного удовлетворяет лишь тем требованиям нормативно-технической документации, которые обеспечивают его нормальное функционирование с параметрами, установленными в НТД, т. е. с установленными значениями мощности, скорости, напряжения, точности регулирования, производительности, сопротивления изоляции и т. д.

Работоспособный объект может быть неисправным, однако его неисправность при этом не настолько существенна, чтобы нарушать нормальное функционирование объекта (например, перегорание сигнальной лампы контроля питания на щите при наличии вольтметра; деформация рукоятки управления, практически не влияющая на процесс управления, и т. п.).

При делении объектов на восстанавливаемые и невосстанавливаемые, с одной стороны, и на ремонтируемые и неремонтируемые - с другой, следует иметь в виду, что термин ремонтируемый характеризует приспособленность объекта к проведению ремонта и ТО как внутреннее свойство объекта, определяемое его конструкцией, а термин восстанавливаемый характеризует возможность и целесообразность восстановления работоспособности и исправности объекта в конкретной ситуации при эксплуатации. Объект может быть ремонтируемым, но не восстанавливаемым. Например, многие контрольно-измерительные приборы и элементы автоматики по своей конструкции являются объектами ремонтируемыми, но в условиях судна, как правило, не подлежат ремонту, т. е. восстановлению работоспособности после отказа, и поэтому рассматриваются как невосстанавливаемые. В тоже время имеется немало объектов, которые однозначно можно отнести либо к восстанавливаемым и ремонтируемым, либо к невосстанавливаемым и неремонтируемым. Большинство судовых механизмов: двигатели, насосы, сепараторы и т. д. - являются объектами ремонтируемыми и восстанавливаемыми, а такие изделия, как электрические лампы, шарикоподшипники и т. п. - неремонтируемыми и невосстанавливаемыми. Деление объектов на ремонтируемые и неремонтируемые является определяющим при выборе показателей для оценки их надежности.

Совокупность свойств, обусловливающая пригодность продукции, объекта для удовлетворения определенных потребностей в соответствии с их назначением, называется качеством. Надежность является одним из составляющих свойств качества объекта. В свою очередь, надежность можно рассматривать как сложное свойство, включающее в себя несколько частных свойств, в том числе безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость.

P (t) = exp [-∫λ (t) dt];

при λ (t) = λ =const P(t) = e^{- λ t}.

P (t) = N(t) / n.

Средняя наработка до отказаТ₁-математическое ожидание наработки объекта до первого отказа.

При экспоненциальном распределении времени до отказа, когда λ = const ,

T₁ = 1 / λ.

Восстанавливаемый объект в течение всего срока службы может отказать много раз. После каждого отказа производится восстановление работоспособности путем замены отказавших элементов, регулировки, ремонта, и объект снова включается в работу. Последовательность отказов восстанавливаемого объекта образует поток отказов, который характеризуется ведущей функцией потока Ω (t), представляющей собой математическое ожидание, т. е. среднее значение количества отказов на момент времени t. При этом время восстановления не учитывается, так как Т_b<T₀. Рассмотрим показатели безотказности восстанавливаемых объектов, пользуясь схемой их функционирования.

Параметр потока отказов ω (t) - среднее количество отказов восстанавливаемого объекта в единицу времени, взятое для рассматриваемого момента времени t:

ω (t) = m(∆t)/N∆t,

где: m(∆t) - количество отказов за промежуток времени ∆t;

N- общее количество объектов под наблюдением.

Для большинства реальных потоков отказов

Ω (t) = ∫ ω (t) dt.

При экспоненциальном распределении наработки между отказами

ω (t)= λ.

Изменение функции ω(t) во времени аналогичен изменению функции λ(t).Имеется явно выраженный период приработки с увеличенным значением ω(t), период нормальной эксплуатации с ω (t)=const, но период износа и старения наступает значительно позднее, чем у λ (t). Это можно объяснить тем, что восстановление работоспособности после отказов часто осуществляется путем замены отказавших элементов на новые, а износовые отказы объекта в целом определяются сроком службы базовых деталей (корпуса, станины).

Наработка на отказ - отношение наработки восстанавливаемого объекта к математическому ожиданию числа его отказов в течение этой наработки:

T₀ = t / M (m).

При экспоненциальном распределении наработки между отказами

T₀ = 1 / ω.

Вероятность безотказной работы Р(t), как показатель надежности, может применяться и для восстанавливаемых объектов. Однако, в этом случае он характеризует безотказность объекта с учетом системы планового ТО либо рассматривается вероятность безотказной работы за период между очередными ТО.

Перечисленные выше показатели безотказности характеризуют абсолютный уровень надежности конкретных объектов.

Наряду с этим для определения наименее надежных элементов сложных объектов, для выделения наиболее часто встречающихся видов отказов применяются показатели относительной безотказности - коэффициенты отказов, которые показывают долю отказов элементов определенного типа в общем потоке отказов объекта (системы, сложного изделия) либо долю отказов определенного вида (характера) в общем количестве отказов объекта:

Выбор номенклатуры показателей надежности и, в частности, безотказности для конкретных объектов производится исходя из их функционального назначения, конструктивного исполнения, последствий отказов. Так, например, для объектов ответственного назначения, отказ которых может вызвать аварию судна или сложных агрегатов, сорвать выполнение задания, как правило, нормируется вероятность безотказной работы за время выполнения задания (рейса, якорной или швартовной операции и т. д.). Для объектов, отказ которых приводит к материальным потерям, нормируется средняя наработка до отказа или наработка на отказ (соответственно для невосстанавливаемых и восстанавливаемых объектов). Для комплектующих элементов основным показателем является интенсивность отказов или параметр потока отказов.

Показатели долговечности.Показатели долговечности могут быть разбиты на две группы - технические ресурсы и сроки службы.

Технический ресурс - наработка объекта от начала эксплуатации или ее возобновления после капитального ремонта до наступления предельного состояния.

Срок службы — календарная продолжительность эксплуатации объекта от начала эксплуатации или ее возобновления после капитального ремонта до наступления предельного состояния. В таблице 3 приведена классификация показателей долговечности в зависимости от метода определения и характера предельного состояния.

Классификация показателей долговечности

Таблица 3.

Средний ресурс (срок службы) - математическое ожидание ресурса (срока службы). Зная значения ресурса отдельных объектов, можно определить средний ресурс.

Гамма- процентный ресурс -наработка, в течение которой объект не достигает предельного состояния с заданной вероятностью γ(гамма) процентов, или гамма-процентный - это такой ресурс, который имеют или превышают в среднем обусловленное число γ (гамма) процентов объектов. Гамма-процентный ресурс определяется из уравнения:

1 – F_pc(t) = γ / 100,

где: F_pc(t) - функция распределения ресурса.

Если γ = 90%, то соответствующий ресурс называется девяностопроцентным; при γ = 50% гамма-процентный ресурс называется медианным.Существенным преимуществом гамма-процентных показателей является возможность их оценки и проверки при значительно меньшем объеме статистических данных.

Назначенный ресурс - суммарная наработка объекта, при которой эксплуатация должна быть прекращена независимо от его состояния. Пользуясь таблицей 3, можно составить наименование любого показателя долговечности. Например, средний ресурс до списания – средний ресурс объекта от начала эксплуатации до его списания, обусловленного предельным состоянием. Выбор показателей долговечности для конкретных объектов осуществляется с учетом режимов работы, схемы эксплуатационного цикла, а также возможности проверки показателей по данным испытаний или эксплуатации. Например, для объектов, работающих в продолжительном режиме (охлаждающие насосы, вентиляторы и т.п.), используются ресурсы до капитального ремонта и до списания; для объектов кратковременного режима (брашпили, шпили, шлюпочные лебедки и т.п.) более целесообразно оценивать сроки службы до капитального ремонта и до списания, а также ресурс до списания.

По мере развития методов безразборной и непрерывной диагностики применение назначенных ресурсов будет сокращаться.

Показатели ремонтопригодности.Показатели ремонтопригодности могут быть условно разделены на показатели восстановления работоспособности после отказов и показатели ТО и ремонта.

Процесс восстановления работоспособности характеризуется случайной величиной времени восстановления Т_bi, т.е. времени, необходимого для отыскания и устранения одного отказа. С ним связаны показатели ремонтопригодности.

Вероятность восстановления в заданноевремя– вероятность того, что время восстановления работоспособности объекта не превысит заданного времени t_b:

V(tb) = P{ Tbi< tb}.

Более наглядными и распространенными показателями ремонтопригодности являются: среднее время восстановления¯Т_в – математическое ожидание времени восстановления работоспособности, средняя трудоемкость восстановления¯Н_в – математическое ожидание трудоемкости восстановления работоспособности.

Наряду с этим применяются показатели ремонтопригодности, характеризующие ТО и ремонт:

- среднее время одного ТО данного вида;

- средняя стоимость одного ремонта.

Комплексные показатели надежности.Рассмотренные выше единичные показатели надежности, давая количественную оценку уровню отдельных свойств, не позволяют, однако, производить сравнение надежности объектов комплексно по всем свойствам. У одних объектов могут оказаться выше показатели безотказности, но ниже показатели долговечности и ремонтопригодности, или наоборот. В связи с этим возникает необходимость введения таких показателей, которые учитывали бы совместное влияние нескольких составляющих свойств надежности. В настоящее время применяются комплексные показатели надежности, учитывающие совместное влияние безотказности и ремонтопригодности.

Коэффициент готовности – вероятность того, что объект окажется работоспособным в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых использование объекта по назначению не предусмотрено:

k_г = T₀ / (T₀ + ¯T_в).

Коэффициент технического использования – отношение времени пребывания объекта в работоспособном состоянии t_р за некоторый период эксплуатации к сумме времени работоспособного состояния и простоев, обусловленных ТО tто и ремонтами t_в +t_рем за тот же период эксплуатации:

k_ти = t_p / t_p + tв + t_то + t_рем).

Коэффициенты k_г и k_ти применяются для оценки надежности агрегатов, машин, механизмов, устройств и судов в целом. Наряду с ними большое практическое значение имеют такие комплексные показатели, как средняя суммарная стоимость ТО за определенный период эксплуатации; средняя суммарная стоимость ремонтов, а также другие удельные показатели, например трудоемкость или стоимость ТО, приходящаяся на условную единицу наработки (например, 1000 часов), на один цилиндр и т.д.