Основные понятия теории надежности
Теория надежности изучает процессы возникновения отказов технических объектов и способы борьбы с отказами. Техническими объектами могут быть изделия, системы и их элементы, в частности сооружения, установки, устройства, машины, аппараты, приборы и их части, агрегаты и отдельные детали.
Различают два основных состояния объектов: работоспособное и неработоспособное. Согласно ГОСТ 13377-75 состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции, сохраняя значения заданных параметров в пределах, установленных нормативно технической документацией, называют работоспособным.
Состояние объекта, при котором значения хотя бы одного заданного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям, установленным нормативно-технической документации, называют неработоспособным.
Отказ – событие, заключающееся в нарушении работоспособности, т.е. в переходе в неработоспособное состояние.
Обычно неработоспособность – состояние, при котором нельзя начинать применение объекта (например, выпускать самолет в воздух). Однако возможны задачи, в которых неработоспособность – состояние, при котором объект не может продолжать выполнять свое назначение
Когда объект предназначен для выполнения нескольких функций, часто находят значения показателей надежности по каждой из функций.
Возможен и другой путь: оценивают свойства объекта выполнять все требуемые от него функции. Отказом считается невыполнение хотя бы одной из функций независимо от того, возникла ли случайная ситуация в которой требуется выполнение этой функции, или нет.
Пусть состоящая из nэлементов система предназначена для выполнения несколькихkфункций. Функционирование такой системы может быть представлено как процесс изменения вектора состоянийZ(t) в пространстве состояний [x(t),y(t)]? Гдеxi– состояниеi-го элемента системы,i=1,2,…,n;yj– переменная, характеризующая потребность в выполненииj-ой функции,j=1,2,…,k.
Обычно предполагается, что отдельные координаты вектора Z(t) являются независимыми случайными функциями времени (наработки), принимающими одно из двух возможных значений:
Искомые показатели «надежности» находят как числовые характеристики некоторого функционала от случайного процесса Z(t). Понятие функционала является обобщением понятия функции. Функционал Ф определен на процессеZ(t), если каждой траекторииz(t) ставится в соответствие некоторое число Т=Ф[z(t)]. В рассматриваемом случае найденные показатели «надежности» характеризуют не техническую систему, а ситуацию по удовлетворению случайного спроса. Поэтому слово «надежность» в кавычках.
Пример поясняющий приведенные соображения. Пусть необходимо везти груз ночью через лес, в котором могут быть грабители. Охраняющий груз человек вооружен пистолетом. Очевидно, что значение показателя надежности этого пистолета не должно зависеть от случайной потребности в нем, т.е. от того, нападут грабители или нет.
1.1. Виды отказов объектов.
Отказы можно классифицировать по различным признакам.
По характеру устранения можно различать окончательные (устойчивые) и перемежающиеся (то возникающие, то исчезающие) отказы. Перемежающиеся отказы являются следствием обратимых случайных изменений режимов работы и параметров объекта. При возвращении режима работы в допустимые пределы объект сам, обычно без вмешательства человека, возвращается в работоспособное состояние. Например совершенно исправный триггер может перестать реагировать на управляющий сигнал из-за случайного резкого уменьшения напряжения питания. Когда напряжение питания опять станет равным номинальному значению, триггер будет продолжать исправно работать (конечно если в результате колебаний не произошел окончательный отказ).
Целесообразно различать два показателя надежности: для окончательных отказов и для перемежающихся отказов.
По связи с другими отказами можно различать отказы первичные, т.е. возникшие по любым причинам, кроме действия другого отказа. Например, из-за пробоя конденсатора может сгореть сопротивление. При вычислении показателей надежности обычно учитываются лишь первичные отказы.
Отказы являются случайными событиями, которые могут быть независимыми или зависимыми. Отказы являются зависимыми, если при появлении одного из них изменяется вероятность появления второго отказа. Для независимых отказов вероятность появления одного из них не зависит от того, произошли другие отказы или нет. Таким образом, различие между вторичным и зависимым отказами состоит в том, что после появления отказа (первичного) вторичный отказ другого элемента наступает неизбежно, а для зависимого отказа лишь изменяется вероятность его появления.
По легкости обнаружения отказы могут быть очевидными (явными) или скрытыми (неявными).
Для каждого определенного типа объектов отказы можно различать по внешним проявлениям. Например, различные отказы конденсаторов можно разбить на две группы: типа обрыв и типа замыкание.
По характеру возникновения можно различать отказы внезапные, состоящие в резком практически мгновенном изменении характеристик объектов, и отказы постепенные, происходящие за счет медленного, постепенного ухудшения качества объектов.Внезапные отказы обычно проявляются в виде механических повреждений элементов (поломки трещины, обрывы, пробои изоляции и т.п.), из-за чего эти отказы называют грубыми. Для внезапных отказов отсутствуют видимые признаки их приближения, т.е. перед отказом обычно не удается обнаружить количественные изменения характеристик объекта.
Постепенные отказы (параметрические, плавные) связаны с износом деталей, старения 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, обычно связанный с его механическим повреждением.
Таким образом возникновению всякого отказа предшествует накопление тех или иных изменений внутри объекта.
Для объектов разного назначения и устройства применяются различные показатели надежности. Можно выделить четыре группы объектов, различающиеся показателями и методами оценки надежности:
неремонтируемые объекты, применяемые до первого отказа;
ремонтируемые объекты, восстановление которых в процессе применения невозможно (невосстанавливаемые объекты);
ремонтируемые восстанавливаемые в процессе применения объекты, для которых недопустимы перерывы в работе;
Ремонтируемые восстанавливаемые в процессе применения объекта, для которых допустимы кратковременные перерывы в работе.
Классификация объектов по показателям и методам оценки надежности приведена на рис 1.1
Рис.1.1 Группы объектов, различающиеся показателями надежности.