fd02aed

дисперсии заменяется ее точечной оценкой такой же, как в соотно-

шении (1.12).

Для восстанавливаемых систем при простейшем потоке доверительные границы параметра потока отказов: ωн=λн, ωв=λв. Нижняя

иверхняя доверительные границы средней наработки до отказа

исредней наработки на отказ соответственно будут:

Т1н = Т0н = λ–в1 ; Т1н = Т0н = λ–н1 .

(3.73)

За заданное время t0 нижняя и верхняя доверительные границы вероятности безотказной работы

P (t	0	) = e−λвt0	;	P (t	0	)= e−λнt0 .	(3.74)
н				в

Если в результате испытаний по плану [NRT] число отказов равно нулю, то ωн = 0. При этом определяется только односторонняя верхняя доверительная граница

N	nj
ωв = χα2(2)/2 ∑∑tij ,		(3.75)
j=1	i=1

где χα2(2) – квантиль χ2-распределения при доверительной вероятности α с числом степеней свободы 2.

Пример 3.18. Испытания систем на безотказность, проведенные по плану [NUN], где N = 15, показали следующие наработки до отказа:

922, 766, 153, 250, 604, 553, 731, 411, 505, 310, 140, 214, 308, 415, 981.

Найти точечную оценку и доверительные границы средней наработки до отказа с доверительной вероятностью α = 0,9.

Решение. Согласно (2.19) точечная оценка средней наработки до отказа

T = 1 15 t = 485ч.

1 15 ∑i=1 i

Согласно (1.10) точечная оценка среднеквадратического отклонения средней наработки до отказа

		1		15
	S =			∑(ti − 485)2 = 272ч.
		15 −1 i=1

251

При доверительной вероятности α = 0,9 найдем квантиль распределения Стьюдента tα(N–1) = 1,328. Следовательно, согласно (1.22) и (1.23) определяем нижнюю и верхнюю доверительные границы:

T1*н = 485–1,328·272/ 15 = 391 ч;

T1*в = 485–1,328·272/ 15 = 578 ч.

Пример 3.19. При испытаниях N = 10 систем по плану [NRT] не было получено отказов. Длительность испытаний Т = 1000 ч. Найти доверительные границы параметра потока отказов и средней наработки на отказ при доверительной вероятности α = 0,95.

Решение. Нижняя доверительная граница параметра потока

отказов ωн = 0. По соотношению (3.75) с учетом того, что χ0,952(2) = = 5,99, верхняя односторонняя граница параметра потока отказов

ω*в = 5,99/(2·10·1000) = 3·10–4 ч–1.

Согласно (3.73) нижняя односторонняя доверительная граница средней наработки на отказ

T0*н = 1/ωв = 1/(3·10–4) = 3330 ч.

3.7. Методологические исследования надежности

Под методологией исследования надежности техники понимают совокупность используемых методов, методику и общую схему проведения исследований.

При исследовании надежности техники проводят анализ проблем, осуществляют постановку задачи, принимают решения

иосуществляют руководство их реализацией. Исследования проводят по этапам, причем на отдельных этапах используют интуицию

иопыт, а на других применяют научные методы, т. е. используют теорию. В качестве основных методов исследования чаще всего применяют математическое моделирование и экспериментирование на физической модели.

Методика исследования сводится к постановке задачи, описанию цели, описанию и выбору стратегий и общим принципам исследования.

Постановка задачи является начальным этапом исследования, в котором формируют условия и результат решения задачи. В об-

252

щем случае, условия задачи и обоснования ее решения должны описывать множество решений и правила обоснования этих решений, а результат должен содержать или одно предлагаемое решение, или несколько рекомендуемых решений.

Существенную роль в исследовании надежности играют методы стохастического анализа, т. е. методы теории вероятностей и математической статистики. Теория вероятностей служит основой для определения основных понятий теории надежности.

Методы математической статистики нашли широкое применение в теории массового обслуживания при статистической оценке надежности по результатам массового обслуживания и по результатам испытаний и эксплуатации, а также при планировании эксперимента и проверке статистических гипотез.

3.7.1. Исследование надежности на этапе разработки конструкторской документации

Исследования надежности являются составной частью проектирования и имеют поисковый прогностический характер.

Основные задачи исследования надежности заключаются в установлении и обосновании требований по надежности к изделию и его составным частям, в выборе принципиальных направлений и рациональных стратегий проектного обеспечения надежности, в проработке вопросов обеспечения надежности на последующих стадиях создания изделия.

Исследование надежности начинают с момента разработки технического задания (ТЗ) на изделие и его составные части. Как правило, требования к надежности сложной технической системы (изделия) задают в ТЗ головному разработчику системы в количественной форме в виде определенной номенклатуры и количественных значений показателей надежности изделия с указанием порядка и условий их подтверждения.

Требования к надежности составных частей изделия устанавливают также в ТЗ на составные части в виде номенклатуры и количественных значений показателей надежности.

При нормировании показателей надежности по составным частям системы используют различные аналитические и статистические модели и методы в зависимости от конструктивных особенностей системы и способов ее эксплуатации и применения. Наибольшее распространение получили следующие методы нормирования:

253

•равной надежности;

•учета сложности элементов и числа их предельных состояний;

• оптимального распределения требований по надежности с учетом ограничений по массе, стоимости и другим характеристикам элементов;

•нормирования с учетом проверок и восстановления элементов системы в процессе эксплуатации;

•нормирования с учетом и оптимизацией затрат на экспериментальную отработку элементов системы.

В общем случае задача нормирования надежности элементов сводится к оптимизации целевой функции, которая, в свою очередь, является функцией точечных значений оценок надежности элементов:

G = G(Pi), i = 1:n,

(3.76)

где Pi – оценка надежности i-го элемента; n – число элементов, входящих в систему.

В качестве целевой функции можно выбрать минимальные стоимость С или массу М и т. п.:

G = C, C = C(Pi), i = 1:n.	(3.77)
В процессе решения отыскивают вектор Р = (P1, Р2, ..., Pn), ми-
нимизирующий стоимость или массу.
Часть нормирования проводят при условии	выполнения

не только требований по надежности системы, но и требований по безопасности. Тогда в качестве функции надежности используют функцию безопасности.

С целью обеспечения заданных показателей надежности в каждой отрасли промышленности разрабатывают ряд нормативных документов по вопросам обеспечения проектной надежности. Так, на стадиях эскизного и технического проектирования разрабатывают программу обеспечения надежности, в которой предусматривают решение как технических, так и организационных мероприятий, направленных на обеспечение надежности изделий. Важными моментами являются обоснование программы обеспечения надежности изделия в целом и его составных частей, а также выработка и согласование порядка подтверждения требований надежности

254

на всех стадиях создания изделия. После выбора основных схемноконструкторских решений службой надежности предприятия совместно с подразделениями-разработчиками проводят анализ конструкции изделия и осуществляют расчет проектной надежности изделия, а по результатам расчета осуществляют корректировку конструкторской документации с целью обеспечения заданных требований по надежности.

Требования по надежности, задаваемые в ТЗ на систему и ее элементы, должны быть подтверждены к концу разработки проекта, перед началом серийного производства и эксплуатации. Это является непременным условием дальнейшей успешной эксплуатации системы.

Следует подчеркнуть, что оценивать надежность системы и ее составных частей необходимо на каждой стадии разработки системы. Полученные оценки являются прогностическими, т. к. система и ее составные части на каждой стадии, как правило, конструктивно отличаются от будущего изделия и имеют различный уровень отработанности. Тем не менее оценивание должны проводить на каждой стадии, т. к. оно сохраняет информацию о надежности по результатам испытаний составных частей и системы и позволяет использовать ее при завершении испытаний. Это существенно сокращает затраты на изготовление изделий, время и средства на экспериментальную отработку изделия в целом.

3.7.2. Исследование надежности на этапе испытаний опытных образцов

Всякое испытание является объективной оценкой технического состояния испытуемого образца. Проводимые испытания позволяют проверить соответствие изготовленного образца требованиям технического задания. По своему назначению испытания на данном этапе можно разделить на экспериментальные исследования, экспериментальную отработку и завершающие испытания.

Экспериментальные исследования проводят с целью изучения свойств и поведения, вновь разрабатываемых комплектующих изделий, материалов, покрытий, смазочных материалов в условиях эксплуатации, а также влияние новых технологий на безотказность, долговечность и сохраняемость материалов и изделий. К числу исследовательских испытаний относят также испытания на воздейст-

255

вие критической температуры, износостойкость, критические нагрузки, различные виды излучений и т. п.

Целью экспериментальной отработки является сравнительный анализ работоспособности изделий различных вариантов конструкции и выбор наилучшего из них. Экспериментальную отработку проводят на объектах испытаний в условиях, приближенных к реальным условиям эксплуатации изделий. Получаемую по результатам испытаний информацию используют для оценки технического состояния и показателей надежности. Экспериментальная отработка включает испытания: лабораторные, стендовые, ресурсные, на длительное хранение и специальные.

Завершающие испытания (межведомственные, государственные) проводят на образцах, изготовленных по документации главного конструктора, которая подготовлена к передаче в серийное производство. Эти испытания дают наиболее полное представление о работоспособности и надежности работы составных частей и изделия в целом.

Экспериментальные исследования и испытания являются наиболее трудоемкими и дорогостоящими и занимают большую часть программы создания и обеспечения надежности техники.

По назначению, условиям эксплуатации и конструктивному исполнению изделия очень разнообразны. Их можно применять для работы под землей, в морях и океанах, на поверхности земли, в воздушном и космическом пространстве. При этом на конструкции изделий и их элементов действуют разнообразные нагрузки внешней среды: огромное давление или глубокий вакуум, высокая или низкая температура, агрессивные среды или биовредители, различные излучения естественного или искусственного происхождения, вибрации, тепловые, электрические и механические нагрузки

ит. п. Все перечисленные виды воздействий необходимо воспроизвести в процессе экспериментальной отработки изделий, которые обычно проводят в определенных условиях ограничений в зависимости от возможностей воспроизведения различных воздействий

иих сочетаний.

Сложную систему представляют в виде многоуровневой структуры и многоэтапного процесса отработки. На нижнем уровне структуры испытывают простейшие элементы, на последующих уровнях – составные части изделий и само изделие.

256

Программа экспериментальной отработки сложной системы должна предусматривать научно обоснованные методы испытаний, как в нормальных, так и в утяжеленных режимах. В нормативной документации для каждого вида техники устанавливают требования к программам испытаний, определяют последовательность испытаний – от простого к сложному, число испытаний, число опытных образцов, режимы испытаний и т. д.

В процессе экспериментальной отработки постоянно проводят поиск рациональных технических решений по обеспечению надежности, вносят изменения в конструкцию. По результатам экспериментальной отработки осуществляют предварительную оценку надежности изделия.

К числу методов исследования надежности на этапе испытаний опытных образцов относится теория подобия, которая непосредственно связана с моделированием, методологией постановки опытов в натурных условиях и на моделях. Теория подобия также включает методику обработки полученных результатов и их распространение на другие объекты исследования.

Таким образом, основными задачами применения методов подобия для обеспечения надежности являются:

–привлечение сведений об аналогах для оценки надежности вновь создаваемых сложных систем;

–планирование экспериментальной отработки с учетом статистических данных об аналогах;

–применение методов моделирования для обеспечения надежности с учетом возможных отказов;

–контроль и оценка завершенности испытаний по результатам сравнения испытаний с базовым процессом отработки.

3.7.3. Исследованиенадежности техники наэтапесерийного производства

После завершения всех видов испытаний исследование надежности сложных систем продолжают на этапе подготовки к серийному производству и в процессе серийного производства. Исследовательские работы на данном этапе направлены на обеспечение полученных показателей надежности в процессе экспериментальной отработки опытных образцов. С этой целью проводят корректировку конструкторской и технологической документации таким

257

образом, чтобы не изменялись основные технические характеристики изделия, подтвержденные результатами испытаний опытных образцов.

Одним из важных моментов обеспечения надежности комплектующих элементов в процессе серийного производства является научно обоснованный подход к определению объемов входного контроля и разработке методики его проведения.

Важное место в обеспечении надежности техники при серийном производстве занимают статистические методы исследования, используемые при оценке погрешностей изготовления, определяющих точность и стабильность производства изделия. Стабильность технологического процесса прослеживают с помощью контрольных карт.

Для изделий серийного и массового производства вводят статистический приемочный контроль, который представляет собой выборочный контроль, основанный на применении методов математической статистики для проверки соответствия качества выпускаемой продукции.

Как и при экспериментальной отработке, в серийном производстве сложных изделий имеются ограничения на объемы испытаний, в связи с чем ставят задачу проведения ускоренных испытаний. Важным моментом является определение продолжительности ускоренных испытаний и разработка методики пересчета результатов ускоренных испытаний к нормальным условиям. Одним из основных параметров пересчета являются показатели надежности. Ускоренные испытания проводят методом доламывания или ступенчатых погружений, а также используют тот или иной принцип расходования ресурса или известные методы решения проблемы переменного режима. Для пересчета результатов ускоренных испытаний к нормальным условиям могут быть использованы принципы: физический в теории надежности Седякина, линейного накопления повреждений и др. На основании указанных принципов выбирают тот или иной метод доламывания и ступенчатых нагружений и, соответственно, те или иные модели отказов.

Результаты ускоренных испытаний используют для получения как точечных, так и интервальных оценок показателей надежности. При разработке математической модели ускоренных испытаний ставят задачу выбрать режимы испытаний, определить число образ-

258

цов и длительность проведения испытаний таким образом, чтобы подтвердить требуемые показатели надежности с заданной достоверностью.

Значительное место в исследовании надежности изделий на стадии серийного производства занимают методы неразрушающего контроля, физическую основу которых составляют исследования физических характеристик элементов конструкции изделия и обнаружение несовершенства структуры материала. Эти методы базируются на результатах физических, физико-химических, электрофизических и других процессов, приводящих к выходу из строя изделий.

Наибольшее распространение получили методы неразрушающего контроля качества продукции, основанные на использовании электромагнитных излучений, на явлениях искажения магнитного поля ферромагнитного образца при наличии в нем дефектов, на свойстве нагретого тела излучать энергию в определенном инфракрасном диапазоне электромагнитных колебаний.

Широко используют акустические методы неразрушающего контроля, основанные на использовании явлений, связанных с периодическими изменениями плотности среды и дифракции света при распространении в среде ультразвуковых колебаний.

Для контроля качества изделий могут быть применены методы теории случайных процессов, информативных параметров и теории статистической классификации.

3.7.4. Исследованиенадежности техникинаэтапеэксплуатации

Проблема исследования надежности техники в процессе эксплуатации связана с контролем и поддержанием технического состояния на уровне, достаточном для выполнения заданных функций. Целью исследования является обеспечение эффективности функционирования или применения эксплуатируемой системы по назначению в установленные сроки, поддержание некоторого гарантированного числа изделий в системе в состоянии готовности, обеспечение безопасности выполнения работ, продление сроков эксплуатации системы с обеспечением надежности на заданном уровне.

Таким образом, система эксплуатации представляет собой сложную организационно-техническую задачу, которая требует самостоятельного исследования.

259

Одним из важнейших вопросов эксплуатации техники является оптимальное техническое обслуживание изделия, которое проводят в соответствии с эксплуатационной документацией, содержащей теоретические и практические обоснования видов, периодичности

иобъемов технических обслуживаний. Вместе с тем ставится задача проведения исследовательских работ по оценке фактического технического состояния изделия и назначения по этому состоянию соответствующего технического обслуживания или ремонта. Такую стратегию управления системой называют эксплуатацией системы по состоянию.

Техническое обслуживание предусматривает проведение профилактического обслуживания либо текущего ремонта изделия.

Эксплуатационные свойства сложной системы определяются ее безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью, сохраняемостью и приспособленностью к техническому обслуживанию в условиях эксплуатации. Задача оптимизации эксплуатации системы рассматривает широкий круг вопросов, связанных с выбором основных технических и эксплуатационных характеристик, обоснованием уровня контролепригодности и ремонтопригодности, выбором рациональной периодичности проверок, технического обслуживания и ремонта с обоснованием числа запасных частей, инструмента

ипринадлежностей и использованием различных видов резервирования.

Решение задач контроля технического состояния и надежности всей совокупности изделий, находящихся в эксплуатации, позволяет оценивать эффективность принятого в эксплуатационной доку-

ментации порядка технического обслуживания, восстановления и ремонта техники, своевременного выявления ненадежных элементов системы и принятия решения по повышению ее надежности.

Контроль, диагностика и поиск неисправностей позволяют выявить и устранить отказы и неисправности на каждом конкретном изделии и практически реализовать стратегию эксплуатации техники по состоянию.

В задачах эксплуатации и ремонта широко используют методы статистической оценки показателей надежности, методы проверки статистических гипотез. С целью повышения эффективности обслуживания применяют модели управляемых процессов восстанов-

260