Основные понятия теории надежности

Качество продукции – это совокупность её свойств, обусловливающих способность удовлетворять определенным потребностям, в соответствии с назначением. Одним из важнейших технико – экономических показателей качества продукции является надежность.

Наука о надежности изучает закономерности изменения технического состояния объектов и, в частности, возникновения отказов и на основании этого разрабатывает способы их предупреждения и устранения, обеспечивающие с наименьшей затратой времени и средств необходимую продолжительность их работы, т.е. теория надежности – наука о методах обеспечения и сохранения надежности при проектировании, изготовлении и эксплуатации. Таким образом, надежность закладывается на стадии проектирования, обеспечивается в процессе изготовления и поддерживается (управляется) в процессе эксплуатации.

Термины и определения, используемые в теории надежности, регламентированы ГОСТ 27.002-89 «Надежность в технике. Термины и  определения».

Согласно ГОСТ «надежность - это свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования.

Объект – техническое изделие определенного целевого назначения, рассматриваемое в периоды проектирования, производства, испытаний и эксплуатации.

Под системой понимается совокупность взаимосвязанных устройств, которая предназначена для самостоятельного выполнения заданных функций. К примеру, электроэнергетическая система (ЭЭС) представляет собой совокупность взаимосвязанных электрических станций, электрических сетей, узлов нагрузок, объединенных процессом производства, преобразования, передачи и распределения электроэнергии для снабжения потребителей.

Отдельные части, на которые можно подразделить систему, представ­ляющие собой законченные устройства, способные самостоятельно выполнять некоторые локальные функции в системе принято называть элементами (например, генераторы, трансформаторы, линии электропередач и т. д.).

Понятия «элемент» и «система» в расчетах надежности относительны. Объект, считающийся системой в одном исследовании, может рассматриваться как элемент в объекте большего масштаба. Например, если исследуется надежность работы электростанции, то станция представляется как система, а отдельные генераторы, выключатели, шины РУ, турбины и т.д. – как отдельные элементы. Если исследуется надежность одного генератора, то отдельные его части (статор, возбудитель и т.д.) представляются как элементы, а сам генератор – как система.

В связи с этим, рассматривая многие свойства и характеристики эле­ментов и систем, в тех случаях, где нет необходимости подчеркивать свойст­ва, присущие только системам или только элементам, будем говорить об объ­ектах. В качестве объекта могут рассматриваться система, подсистема или элемент.

Одним из важнейших понятий в теории надежности является понятие технического состояния объекта, которое определяется как совокупность подверженных изменению в процессе производства и эксплуатации его свойств, характеризуемых в определенный момент времени признаками, установленными технической документацией.

Разделяют пять основных видов технического состояния изделий:

1. исправное;

2. неисправное:

3. работоспособное;

4. неработоспособное;

5. предельное.

Переход изделий из одного вида технического состояния в каждый из последующих, указанных выше, происходит вследствие свершения событий: повреждение или отказ. Переход изделий из одного состояния в другое в

обратной последовательности происходит вследствие проведения определенного процесса: восстановление или ремонт.

Исправность – состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям, установленным нормативно-технической документацией (НТД).

Работоспособность – состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции, сохраняя значения основных параметров, установленных  НТД.

Основные параметры характеризуют функционирование объекта при выполнении поставленных задач.

Понятие исправность шире, чем понятие работоспособность. Работоспособный объект обязан удовлетворять лишь тем требования НТД, выполнение которых обеспечивает нормальное применение объекта по назначению. Таким образом, если объект неработоспособен, то это свидетельствует о его неисправности. С другой стороны, если объект неисправен, то это не означает, что он неработоспособен.

Предельное состояние – состояние объекта, при котором его применение по назначению недопустимо или нецелесообразно.

Применение (использование) объекта по назначению прекращается в следующих случаях:

• при неустранимом нарушении безопасности;

• при неустранимом отклонении величин заданных параметров;

• при недопустимом увеличении эксплуатационных расходов.

Для некоторых объектов предельное состояние является последним в его функционировании, т.е. объект снимается с эксплуатации, для других – определенной фазой в эксплуатационном графике, требующей проведения ремонтно-восстановительных работ

По характеру исполнения и функционирования объекты могут быть восстанавливаемые и невосстанавливаемые. Если при возникновении от­каза работоспособность объекта может быть восстановлена путем проведе­ния ремонтов и технического обслуживания, то такой объект называется восстанавливаемым. Если же при отказе объект либо не подлежит, либо не поддается восстановлению в процессе эксплуатации, то он называется невосстанавливаемым.

Восстановление – событие, заключающееся в повышении уровня работоспособности объекта или относительного уровня его функционирования, которое достигается проведением ремонтов, отключений или изменением режима работы. Отказ и восстановление – это два противоположных случайных события.

К числу невосстанавливаемых объектов можно отнести, например: подшипники качения, полупроводниковые изделия и т.п. Энергетические объекты в целом следует считать восстанавливаемыми, хотя могут быть случаи, когда отдельные элементы или части объектов на некотором временном интервале необходимо рассматривать как невосста­навливаемые.

Важнейшим понятием в теории и практике надежности является понятие отказа. Согласно ГОСТ, под отказом понимается событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния ТИ, т.е. утраты работоспособности. Таким образом, если происходит полная или частичная утрата способности выполнения заданных функций, то такое событие называется отказом.

Это определение является качественным. При этом необходимо установить критерий отказа, т. е. что считать потерей работоспособности. Работоспособное состояние объекта определяется перечнем заданных параметров, характеристик и допустимыми пределами их изменения – допусками. Нарушением работоспособного состояния называется выход хотя бы одного заданного параметра за установленный допуск. Признаки, позволяющие установить факт нарушения работоспособного состояния, и являются критериями отказа. Критерий отказа – отличительный признак или совокупность признаков, согласно которым устанавливается факт возникновения отказа. Например, поставляемая ЭЭС потребителю энергия характеризуется, в частности, U и f. По условию работы потребителей допускается определенное отклонение этих параметров от их номинальных значений U _ном и f _ном. Выход параметров за пределы заданных отклонений U_доп ; f_доп и означает наступление отказа ЭЭС.

При рассмотрении показателей надежности любого объекта различают три периода его эксплуатации: 1—период приработки; 2—нормальной эксплуатации; 3 – период интенсивного износа и старения (см. рис. 1)

Рисунок 1.

Период 1 характеризуется снижением интенсивности отказов с течением времени (приработочные отказы ), что объясняется выявлением скрытых дефектов монтажа и изготовления, отбраковкой элементов.

Период 2 характеризуется примерно постоянной интенсивностью отказов ( внезапные отказы ).

Период 3 характеризуется повышением интенсивности отказов с течением времени и связан с интенсивным износом и старением, необратимыми физико–химическими процессами в материалах, из которых изготовлен элемент и его части (постепенные отказы).

Внезапные отказы проявляются в результате резкого, скачкообразного изменения основных параметров объекта, связанных с концетрациями внешних или внутренних нагрузок, либо с нарушением условий работы, ошибочными действиями персонала и т. д.

При постепенных отказах наблюдается плавное изменение параметров в результате выше указанных причин. Постепенные отказы часто проявляются в форме внезапных отказов. Это подразделение условно.

Кроме того, отказы классифицируются:

• по степени нарушения работоспособности – на полные и частичные;

• по связи с отказами других объектов – на не зависимые и зависимые;

• по времени существования - на устойчивые и сбои;

Если в результате отказа объект полностью прекращает выполнение своих функций, то такой отказ называется полным, если частично – частичным. Если отказ какого – либо объекта в системе не является следствием отказов других объектов, то такой отказ называется независимым. Если же при отказе объекта изменяется вероятность появления отказов других объектов, то такой отказ называется зависимым. Устойчивый – такой отказ, когда для восстановления работоспособности требуется ремонт объекта; сбой – когда для восстановления работоспособности требуется только отключение объекта или изменение его режима работы без ремонта.

У объектов, функционирующих не постоянно во времени, отказы могут быть следующих видов:

• отказ срабатывания, заключающийся в невыполнении объектом требуемого срабытывания;

• ложное срабатывание, заключающееся в срабатывании при отсутствии требований;

• излишнее срабатывание, заключающееся в срабатывании объекта при требовании срабатывания других элементов.

Примерами таких объектов могут быть различные системы релейной защиты, противоаварийной автоматики и т. п.

Причины и характер отказов объектов. Характер проявления всех свойств надежности наиболее полно фокусируется в причинах и характере отказов объектов, которые в значительной степени определяют и средства обеспечения надежности. Поэтому полезно проанализировать причины, обу­словливающие отказы. Если рассматривать их с точки зрения источников происхождения, то они могут быть подразделены на два класса:

1. повреждения и неполадки оборудования, устройств, входящих в систему;

2. ошибочные или вынужденные действия обслуживающего персонала.

Надежность, определяемая причинами первого класса, иногда называ­ется аппаратной, а определяемая причинами второго класса - эксплуатационной.

Причины первого класса, в свою очередь, подразделяются на три груп­пы. Первую группу составляют ошибки, допущенные при конструировании, определении условий и режимов эксплуатации, изготовлении, монтаже или ремонтах оборудования. Эти ошибки, скрытые дефекты обычно проявляются в начальный период эксплуатации, который называют периодом приработки. Для него в результате указанных ошибок, а также невозможности учета всех скрытых дефектов из-за их неопределенности или недостаточности инфор­мации характерен некоторый пик частоты отказов.

Вторая группа причин вызвана износом и приводит к постепенному ут­рачиванию объектом ряда функциональных свойств. Этот процесс закономе­рен в том отношении, что с увеличением времени жизни, т. е. работы или да­же хранения, опасность утраты этих свойств возрастает. Таким образом, процесс износа происходит под влиянием постоян­но действующих факторов, имеющих и случайный, и детерминированный характер. Однако естественное завершение процесса износа имеет случайный характер. Этот период называется периодом старения.

Время между периодами приработки и старения называется периодом нормальной работы объекта. В это время в наибольшей степени проявляют­ся причины третьей группы. К ним относятся непредвиденные и непредска­зуемые воздействия, обычно физического характера, не связанные с перио­дом предшествующей работы. Эти внезапные по своей природе воздействия приводят к отказам, которые обычно имеют мгновенный характер, В качестве примера причин этой группы можно привести такие, как грозы, автокатастрофы, падение деревьев, попадание животных на электроустанов­ки, гололедные явления, порывы ветра и т. д.

Отмеченные три группы причин отказов приводят к необратимым изменениям свойств объекта. Но есть и такие причины, которые не вызывая необратимых изменений в физической структуре элемента, проявляются в большинстве случаев кратковременно и только во время своего появления могут нарушать временно работоспособность элемента или системы. Такие временные или самоустраняющиеся отказы называются сбоями.

Причины второго класса отказов также могут быть подразделены на две группы. Первую из них составляют причины, обусловленные низкой ква­лификацией эксплуатационного и ремонтного персонала, недостаточностью опыта. Вторую группу составляют причины, обусловленные масштабностью и сложностью устройств и схем, с которыми приходится работать обслужи­вающему персоналу. Например, большое число разъединителей и выключа­телей и другой сложно связанной коммутационной аппаратуры на подстан­циях повышает вероятность неправильных переключений, которые могут привести к ложным отключениям или включениям на короткозамкнутые цепи и т. п.

Однако какие бы виды отказов и виды причин, их вызвавшие, не рассматривались, их неизменно объединяет общий признак - случайность возникновения даже при постепенном накоплении физических изменений. Он позволяет трактовать отказ элемента или системы как случайное событие. Это положение является определяющим при выборе математического аппа­рата, который целесообразно применять при изучении различных закономер­ностей отказов системы.

Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость или определенные сочетания этих свойств».

Надежность электроэнергитических установок и систем, кроме перечисленных свойств, включает также устойчивоспособность, режимную управляемость, живучесть и безопасность.

Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени.

Долговечность – свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

Ремонтопригодность – свойство объекта, заключающееся в приспособлении к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов (повреждений), к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем проведения технического обслуживания и ремонтов.

Сохраняемость – свойство объекта сохранять значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в течение и после хранения и (или) транспортировки.

Устойчивость – способность объекта переходить от одного устойчивого режима к другому при различных возмущениях. Свойство системы непрерывно сохранять устойчивость в течение некоторого интервала времени называется устойчивоспособностью.

Управляемость – свойство объекта поддерживать нормальный режим посредством управления, т.е. свойство, которое определяет эффективность управления системой. Способность объекта обеспечивать включение, отключение и изменение режима работы элементов по заданному алгоритму называется режимной управляемостью.

В электрических системах с большим количеством взаимосвязанных элементов и автоматической коммутационной аппаратуры значительное влияние на надежность оказывает не только структура системы, но и надежность функционирования автоматики и коммутационной аппаратуры в аварийных режимах работы.

Живучесть – свойство системы противостоять крупным возмущениям режима, не допуская их каскадного (цепочечного) развития и массового отключения потребителей, не предусмотренного алгоритмом работы противоаварийной автоматики.

Безопасность – свойство объекта или систем не допускать ситуаций, опасных для людей и окружающей среды во всех возможных режимах работы и аварийных ситуациях