Сравнение вероятности безотказной работы двух машин

Варьируя же временем , можно прийти к противоположному выводу. Действительно, пусть машина 1 предназначена для эксплуатации в течение времени , а машина 2 – в течение . При этих условиях отказов в машине 2 будет меньше, чем в системе 1, и можно прийти к выводу, что машина 2 более надежна, чем машина 1. Этот абсурдный вывод получается потому, что сравниваются две машины с разными условиями эксплуатации – одна эксплуатируется длительный период, Другая – короткий. Можно прийти к неправильному выводу, что, варьируя временем, можно изменить (увеличить и уменьшить) надежность.

Надежность - свойство технического объекта сохранять свои параметры работы в определенных пределах при данных условиях эксплуатации.

Из определения следует, что надежность есть внутреннее свойство технического объекта, объективная реальность, присущая данному образцу техники.

Ненадежной считается не только та машина, у которой наступает механическое повреждение, приводящее к ее неработоспособности, но также и та, у которой параметры эксплуатации выходят за допустимые пределы. Это могут быть производительность, качество выпускаемой продукции, переход в аварийное состояние, когда не только не возможна эксплуатация всего производства, но дальнейшая эксплуатация машины может привести к экологической или техногенной катастрофе.

Отказ

Отказом будем называть событие, после появления которого параметры работы объекта техники выходят за допустимые пределы.

Из этого определения следует, что отказ может наступать не только при механических повреждениях элементов конструкции, но и при выходе параметров эксплуатации за допустимые пределы.

Моменты возникновения отказов в сложной системе обычно являются событиями случайными. Иногда место их возникновения удается предсказать заранее. Это возможно в тех случаях, когда наступает механический износ одного и того же элемента (или узла) во многих однотипных машинах. Подобные отказы называют закономерными.

Случайным являются отказы, место и моменты, возникновения которых заранее предсказать затруднительно.

Систематические отказы одних и тех же элементов наиболее часто наблюдаются в начале эксплуатации первых образцов машины и возникают вследствие конструктивных или технологических ошибок. В дальнейшем объект техники усовершенствуется, и подобные отказы не возникают.

Отказы, как случайные события, могут быть независимыми и зависимыми. Если отказ какого-либо элемента в машине не приводит к отказу других элементов, то такой отказ называется независимым. Отказ, появившийся в результате отказа других элементов, называется зависимым.

В большинстве случаев механические повреждения элементов наступают мгновенно, внезапно и приводят к потере работоспособности либо самого элемента, либо всего объекта техники. Такие отказы называют мгновенными или внезапными.

Длительное постепенное изменение параметров элементов конструкции по причине старения материалов в большинстве случаев приводит лишь к ухудшению выходных характеристик объекта техники при сохранении его работоспособности. Такие отказы называют постепенными.

В большом числе случаев мгновенные и постепенные отказы можно считать событиями независимыми и рассматривать количественные характеристики надежности от действия указанных отказов раздельно.

Деление отказов на мгновенные и постепенные в теории надежности имеет большое значение. Характер отказа указывает решающее влияние на:

- методику расчета надежности,

- способы построения надежных схем,

- способы обнаружения места отказа.

Отказы также можно разделить на окончательные и перемежающиеся. При окончательном отказе объект техники либо становится неработоспособным, либо его характеристики выходят за допустимые пределы на время, пока не будет устранен отказ. Перемежающийся отказ продолжается короткое время, затем машина само восстанавливается и работает надежно.

Не всегда отказы элементов конструкции объекта техники приводят к потере ее надежности. В сложном объекте техники всегда имеются элементы, выход из строя которых не приводит к уходу основных характеристик за допустимые пределы. К таким элементам относятся, например, сигнальные лампы, некоторые приборы контроля за работой аппаратуры, резервные элементы, используемые для повышения надежности, и т. п. Отказ таких элементов иногда называют второстепенной неисправностью и не учитывают при расчете надежности машины.

Время появления отказов в большинстве случаев является событием случайным. Как случайное событие отказы могут быть:

несовместные, равновозможные, достоверные, невозможные.

Эти термины имеют понятия, общепринятые в теории вероятностей.

Сформулировать понятие отказа для данной конкретной машины бывает чрезвычайно трудно. Это объясняется тем, что во многих случаях не существует критерия для установления допусков на параметры эксплуатации, и они носят субъективный характер.

Критерии надежности. Характеристики надежности

Качественного определения надежности недостаточно, так как оно не позволяет:

- рассчитать надежность,

- сформулировать требования на надежность вновь разрабатываемой машины,

- сравнить надежность различных элементов и систем,

- рассчитать сроки службы и необходимое количество запасных деталей для нормальной эксплуатации объекта техники,

- наметить пути повышения надежности.

Для этих целей необходимы критерии надежности, по которому оценивается надежность аппаратуры.

Критерии и количественные характеристики надежности имеют вероятностный характер. К ним можно отнести:

- вероятность безотказной работы ,

- среднее время безотказной работы ,

- интенсивность отказов ,

- частота отказов .

Между этими характеристиками существуют определенные аналитические зависимости. Зная эти зависимости, можно по одной или нескольким характеристикам вычислить остальные. Предсказать надежность объекта техники.

Вероятность безотказной работы и среднее время являются наиболее наглядными характеристиками. Однако они не могут в полной мере характеризовать надежность. Широко используются такие характеристики, как:

- коэффициент отказов,

- коэффициент (норма) профилактики,

- коэффициент вынужденного простоя.

Эти и другие количественные характеристики дают представление о надежности совокупности объектов техники какого-то типа. В силу своих вероятностных свойств они не позволяют предсказать надежность данного конкретного образца. Тем не менее, указанные критерии и количественные характеристики позволяют:

- сравнивать объекты техники по надежности,

- оценивать надежность числом,

- намечать пути повышения надежности,

- эффективнее эксплуатировать объект техники.

Сохранность

Сохранность есть свойство объекта техники находиться в исправном состоянии при хранении.

Сохранность машины зависит от большого числа факторов, большинство из которых являются случайными. Поэтому оценить этот параметр можно с помощью вероятностных методов. Сохранность является достаточно сложным параметром, поэтому никакой одной характеристикой невозможно оценить его полностью.

Особенность объекта техники состоит в том, что в условиях его хранения преобладают постепенные отказы из-за ухудшения характеристик элементов конструкции вследствие их старения. Даже для однотипных элементов зависимость параметров машины от времени является случайной функцией. Подобные зависимости для основного параметра элемента приведены на рисунке. Они образуют семейство реализации случайных кривых, среднее значение которых является убывающей функцией времени хранения и равно при и при .

Разброс значений основного параметра и момента возникновения отказа.

Как множество реализации случайных функций , так и среднее их значение могут быть также и возрастающими функциями. Вид этих функций определяется типом элементов и условиями хранения. В большинстве случаев основной определяющий параметр изменяется в одну сторону. В любой момент времени параметры однотипных элементов конструкции имеют случайные значения. Закон распределения параметров при идеальных условиях хранения, когда на элементы действует большое число примерно равноценных факторов можно считать нормальным. Если – такое значение параметра, при котором происходит отказ, то время возникновения отказа при условии, что основной параметр имеет нормальное распределение в любой момент времени , имеет также нормальное распределение. На практике закон распределения параметров, а, следовательно, и закон распределения времени возникновения отказов могут существенно отличаться от нормального вследствие влияния ограниченного числа превалирующих факторов.

Получить экспериментальным путем законы распределения времени возникновения отказов затруднительно. Для получения достоверных статистических данных необходимо настолько большое время наблюдения, что полученные в результате эксперимента данные теряют свое значение.

Для предсказания сохранности необходимо либо проводить ускоренные испытания сохранности, либо производить экстраполяцию характеристик распределения параметров элементов конструкции.

При хранении объекта техники старение одних элементов, в большинстве случаев, не вызывает старения других. Это существенно облегчает оценку сохранности аналитическими способами, так как постепенные отказы элементов можно считать событиями независимыми, а их параметры не коррелированными.

Сохранность является важным техническим понятием. Она дополняет понятие надежности и совместно с ним определяет надежность аппаратуры в различных ее состояниях.

Существует большой класс систем, время хранения которых соизмеримо со временем их работы, а иногда во много раз его превосходит. Это машины разового использования (например, машины управления военными объектами) и машины с малым коэффициентом использования (самолетное оборудование, оборудование транспортных средств и т. п.). К подобной аппаратуре относятся также запасные части и приборы, хранящиеся на складе.

При работе сложных систем и комплексов часть объекта техники может находиться в рабочем состоянии в течение малого промежутка времени, хотя машина в целом длительно выполняет свои функции. К такой аппаратуре иногда относятся устройства экстренного торможения, предохранительные клапана, машины коррекции, самоконтроля.

Надежность подобных объектов техники может существенно зависеть от ее сохранности, а иногда и определяться ею. В связи с этим при оценке надежности сложных систем необходимо учитывать потерю ими надежности при хранении.

Ремонтопригодность

Объект техники, как автоматическая машина длительного использования, в процессе ее эксплуатации требует проведения профилактических мероприятий и устранения отказов. Это приводит к ее вынужденным простоям. Длительность вынужденного простоя не входит в понятия надежности и сохранности, а такие характеристики надежности. Поскольку вероятность и среднее время безотказной работы, частота и опасность отказов, не полностью характеризуют эксплуатационные качества машин химических производств. Для полного описания эксплуатации вводится понятие ремонтопригодность.

Ремонтопригодность есть приспособленность объекта техники к обнаружению и устранению отказов, а также к их предупреждению.

Характеризовать ремонтопригодность можно временем вынужденного простоя, которое равно суммарному времени, потребному на профилактику, отыскание места отказа и его устранение.

Совместно с надежностью ремонтопригодность характеризует способность машины выполнять заданные функции в любой момент времени. Чем надежнее машина и чем выше ее ремонтопригодность, тем реже она отказывает и меньше простаивает, т. е. тем выше вероятность застать систему в любой момент времени в исправном состоянии-

Стоимость эксплуатации за некоторый промежуток времени определяется зависимостью

где – стоимость эксплуатации, не зависящая от возникающих отказов.

Стоимость эксплуатации зависит от надежности машины, определяемой числом отказов , в течение которого определяется , и от ремонтопригодности, характеризуемой средней стоимостью устранения отказа. Часто бывает легче снизить среднюю стоимость устранения одного отказа , чем добиться уменьшения . Это означает, что повышение ремонтопригодности может быть эффективным способом уменьшения стоимости эксплуатации. Ремонтопригодность характеризует до некоторой степени стоимость эксплуатации объекта техники. Чем выше ремонтопригодность, тем, при прочих равных условиях, ниже стоимость эксплуатации.

Ремонтопригодность совместно с надежностью определяют эффективность действия машин, как некоторых технических систем. Если машина достаточно надежна и редко отказывает, но, имея низкую ремонтопригодность, требует больших затрат времени на профилактику и восстановление, то она не всегда может конкурировать с машиной, которая менее надежна, но зато время ее простоя, потребное на профилактику и восстановление, мало.

Ремонтопригодность совместно с надежностью определяют стоимость эксплуатации, необходимое количество резервных элементов конструкции, потребных для выполнения задачи, объем ремонтных средств.

Время, потребное для восстановления, так же как и время возникновения отказов, является величиной случайной, зависящей от характера отказов, квалификации обслуживающего персонала, организации ремонта и т. д.

Понятие ремонтопригодности относится к машинам длительного использования, а также к таким машинам, которые могут находиться в состоянии длительного хранения.

Это понятие не имеет смысла для таких систем разового использования, которые не восстанавливаются ни при хранении, ни при работе.

Срок службы

Сложные машины, так же как и простые элементы конструкции, не могут эксплуатироваться бесконечно долго. При эксплуатации происходит старение элементов, возникает большое число отказов и наступает время, когда дальнейшая эксплуатация либо невозможна, либо нецелесообразна. Это время характеризуется сроком службы аппаратуры.

Срок службы – это время от начала эксплуатации аппаратуры до ее технической непригодности.

Срок службы объект техники нельзя отождествлять с ее надежностью. Сложная машина может иметь большое число отказов в течение срока службы, т. е. может иметь низкую надежность, а срок службы – большой. Это объясняется тем, что при установлении срока службы не дается абсолютной гарантии, что в течение этого срока не будет ни одного отказа, а устанавливается лишь вероятность этого события. Срок службы машины не определяется только сроком службы элементов конструкции, из которых состоит машина. Он зависит также от сложности машины, условий эксплуатации, технологии изготовления. Справедливым является только утверждение, что чем выше срок службы элементов конструкции, тем при прочих равных условиях, выше срок службы объекта техники.

Гарантийный срок службы всегда меньше срока службы. Он не характеризует надежность объекта техники, а лишь устанавливает взаимоотношения между потребителем и поставщиком машины. Если в течение гарантийного срока произойдет отказ, то не потребитель, а предприятие, установившее этот срок, несет юридическую ответственность, в частности оно выполняет ремонт отказавшего аппарата или, если это невозможно, заменяет его исправным. Если гарантийный срок службы машины истек, то это вовсе не означает, что такую машину нельзя эксплуатировать. Машина еще может обладать достаточным запасом надежности и быть технически пригодной. Дальнейшая ее эксплуатация возможна, однако вся ответственность за последствия отказов ложится на потребителя.

Срок службы не является определяющим понятием в теории надежности. Однако его введение важно для практики, так как машина обладает такими свойствами, как надежность и сохранность, только в течение времени, которое не превышает ее срока службы.

Избыточность

Для повышения надежности в большинстве случаев приходится либо:

- выбирать наиболее качественные элементы конструкции, обладающие высокой надежностью,

- уменьшить нагрузки на наиболее важные элементы конструкции,

- вводить резервные элементы конструкции машины.

Это требует увеличения стоимости, веса и габаритов и приводит к некоторой избыточности машины по указанным характеристикам.

Избыточность – есть превышение веса, габаритов или стоимости машины по сравнению с минимально необходимыми для данной конструкцию. Связано это с обеспечением заданной надежности. Избыточность иногда не совсем точно отождествляют с резервированием.

От величины избыточности зависит время работы объекта техники, в течение которого сохраняются его параметры эксплуатации в заданных пределах. Чем больше избыточность, тем, при прочих равных условиях, больше это время.

Элемент расчета надежности

Элементом расчета надежности называются:

- деталь, сборочная единица, узел, часть объекта техники (машина, агрегат),

имеющие количественную характеристику, самостоятельно учитываемую при расчете надежности сложной машины.

Обычно при анализе сложной машины вычисление количественных характеристик надежности проводится по известным количественным характеристикам надежности деталей, узлов, машин и других устройств, входящих в систему. Можно, например, вначале вычислить количественные характеристики надежности узлов по известным характеристикам деталей, затем – машины по рассчитанным характеристикам узлов и, наконец, – всей установки. Технологического процесса в целом.

В этом случае элементами расчета могут быть детали, узлы (крупные и мелкие сборочные единицы), машины, агрегаты и даже отдельные технологические установки, если анализируется надежность сложного технологического комплекса.

Элементы расчета могут иметь либо основное, либо резервное соединение.

Основным соединением элементов расчета называется такое, при котором отказ любого одного элемента ведет к отказу всего соединения.

Элементы могут иметь соединение либо последовательное, либо параллельное, либо смешанное.

Резервным (резервированным) соединением элементов расчета называется такое, при котором отказ соединения наступает только в том случае, если отказали основной и резервные элементы.

Если для нормального функционирования машины необходимо несколько элементов расчета, то отказ резервного соединения наступает при отказе резервных элементов и хотя бы одного основного.

Обычно сложная машина состоит из элементов расчета, часть которых имеет основное соединение, а часть – резервное. Подобные машины часто называют машинами, имеющими смешанное соединение элементов.

Резервирование

Резервированием называется метод повышения надежности путем включения резервных элементов конструкции при разработке технической машины или при ее эксплуатации.

Основным параметром резервирования является его кратность. Под кратностью резервирования понимается отношение числа резервных элементов расчета к числу резервируемых (основных).

В зависимости от метода и кратности резервирования, а также от способа включения и состояния резерва резервирование можно разделить на

- резервирование с целой и дробной кратностью,

- общее и раздельное (или поэлементное),

- с постоянно включенным резервом и с замещением при «холодном», «теплом» и «горячем» его состоянии.

Резервированием с целой кратностью называется такое резервирование, при котором для нормальной работы машины достаточно, чтобы исправным был хотя бы один элемент расчета.

При резервировании с дробной кратностью нормальная работа машины возможна при условии, если число исправных элементов не меньше необходимого для нормальной работы. Кратность резервирования определяется из соотношения

,

где – общее число элементов расчета резервированного соединения, – число элементов, необходимое для нормальной работы соединения, – число резервных элементов.

В первом случае кратность резервирования всегда равна числу резервных устройств.

В общем случае является числом дробным. Однако может оказаться, что при делении величины на кратность резервирования получается числом целым. Так как одно и то же может получиться при различных и , то кратность резервирования следует записывать в виде простой дроби без сокращения.

Так, например, если записано , то это означает, что здесь имеет место резервирование с дробной кратностью, причем для нормальной работы соединения необходимо не менее двух элементов, а число резервных элементов равно четырем. Записать в данном случае 2 нельзя, так как такая запись означает, что имеет место резервирование с целой кратностью, причем число резервных элементов равно двум, а общее число элементов соединения равно трем.

Совершенно очевидно, что сокращение дроби также нельзя делать потому, что всякое сокращение меняет смысл резервирования.

Каждый из рассмотренных видов резервирования можно осуществить либо резервируя всю систему в целом, либо ее отдельные части. Отсюда два метода резервирования – общее и раздельное (поэлементное).

Раздельное резервирование принципиально более выгодно, чем общее. Причем, чем менее сложные элементы резервируются, тем меньше может требоваться избыточность машины. Наиболее выгодно резервировать мелкие детали (подшипники).

Реализация поэлементного резервирования может привести к существенному увеличению избыточности. Это объясняется в основном двумя причинами – различным характером отказов элементов и низкой надежностью переключателей, которые иногда необходимы для реализации поэлементного резервирования.

Если для осуществления резервирования необходимы переключатели, то их число будет тем больше, чем более простые элементы резервируются. Так как переключатели относятся к мало надежным элементам, то для повышения надежности машины необходимо существенно повышать надежность самих переключателей, т.е. увеличивать избыточность машины. По этим причинам может казаться, что реализация раздельного резервирования потребует такого увеличения избыточности, что раздельное резервирование по сравнению с общим станет нецелесообразным.

По способу включения резерва, как общее, так и раздельное резервирование может быть с постоянно включенным резервом и с замещением. При постоянно включенном резерве основной элемент и резервные функционируют одновременно, начиная с момента включения в работу.

При включении резерва по способу замещения резервные элементы вступают в работу только после отказа основных элементов. До отказа основного элемента они находятся либо в состоянии хранения, либо в облегченном режиме работы, либо в тех же условиях, что и рабочий.

Достоинство резервирования при постоянно включенном резерве состоит в его простоте, так как в этом случае переключающие устройства не требуются. Его недостаток состоит в том, что при отказе какого-либо одного элемента могут нарушаться режимы работы остальных.

Включение резерва замещением имеет следующие преимущества:

- не нарушаются режимы работы резервных элементов при отказе остальных,

- сохраняется надежность резервных элементов, так как при работе основных элементов они находятся либо в не рабочем, либо в облегченном состоянии,

- имеется возможность использовать один резервный элемент нанескольких рабочих.

Существенный недостаток данного способа резервирования состоит в том, что для его реализации необходимы переключающие устройства. При поэлементном резервировании число переключающих устройств равно числу функциональных основных элементов. Такое большое число переключателей часто не позволяет существенно повысить надежность машины. Резервирование замещением выгодно только при резервировании крупных узлов, блоков, приборов или машины, а при резервировании более простых частей машины или деталей оно целесообразно только при высокой надежности переключающих устройств.

Дата добавления: 2014-07-11; просмотров: 379; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!