Безотказность системы. На тему «Надежность технических систем. гамма-процентный ресурс - суммарная наработка, в течение которой объект не достигнет предельного состояния с заданной вероятностью г, выраженной в процентах

Показателями надежности называют количественные характеристики одного или нескольких свойств объекта, составляющих его надежность. К таким характеристикам относят, например, временные понятия - наработку, наработку до отказа, наработку между отказами, ресурс, срок службы, время восстановления. Значения этих показателей получают по результатам испытаний или эксплуатации.

По восстанавливаемости изделий показатели надежности подразделяют на пока- затели для восстанавливаемых изделий и показатели невосстанавливаемых изделий.

Применяются также комплексные показатели. Надежность изделий, в зависимости от их назначения, можно оценивать, используя либо часть показателей надежности, либо все показатели.

Показатели безотказности :

вероятность безотказной работы - вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ объекта не возникает;

средняя наработка до отказа - математическое ожидание наработки объекта до первого отказа;

средняя наработка на отказ - отношение суммарной наработки восстанавли-ваемого объекта к математическому ожиданию числа его отказов в течение этой наработки;

интенсивность отказов - условная плотность вероятности возникновения отказа объекта, определяемая при условии, что до рассматриваемого момента времени отказ не возник. Этот показатель относится к невосстанавливаемым изделиям.

Показатели долговечности.

Количественные показатели долговечности восстанавливаемых изделий делятся на 2 группы.

1. Показатели, связанные со сроком службы изделия:

срок службы - календарная продолжительность эксплуатации от начала экс-плуатации объекта или ее возобновление после ремонта до перехода в предельное со-стояние;

средний срок службы - математическое ожидание срока службы;

срок службы до первого капитального ремонта агрегата или узла – это про-должительность эксплуатации до ремонта, выполняемого для восстановления исправности и полного или близкого к полному восстановления ресурса изделия с заменой или восстановлением любых его частей, включая базовые;

срок службы между капитальными ремонтами , зависящий преимущественно от качества ремонта, т.е. от того, в какой степени восстановлен их ресурс;

суммарный срок службы – это календарная продолжительность работы техни-ческой системы от начала эксплуатации до выбраковки с учетом времени работы после ремонта;

гамма-процентный срок службы - календарная продолжительность эксплуатации, в течение которой объект не достигнет предельного состояния с вероятностью γ, выраженной в процентах.

Показатели долговечности, выраженные в календарном времени работы, позволяют непосредственно использовать их в планировании сроков организации ремонтов, поставки запасных частей, сроков замены оборудования. Недостаток этих показателей заключается в том, что они не позволяют учитывать интенсивность использования оборудования.

2. Показатели, связанные с ресурсом изделия:

ресурс - суммарная наработка объекта от начала его эксплуатации или ее во-зобновление после ремонта до перехода в предельное состояние.

средний ресурс - математическое ожидание ресурса; для технических систем в качестве критерия долговечности используют технический ресурс;

назначенный ресурс – суммарная наработка, при достижении которой эксплуатация объекта должна быть прекращена независимо от его технического состояния;

гамма-процентный ресурс - суммарная наработка, в течение которой объект не достигнет предельного состояния с заданной вероятностью γ, выраженной в процентах.

Единицы для измерения ресурса выбирают применительно к каждой отрасли и к каждому классу машин, агрегатов и конструкций отдельно. В качестве меры продолжи-тельности эксплуатации может быть выбран любой неубывающий параметр, характе-ризующий продолжительность эксплуатации объекта (для самолетов и авиационных двигателей естественной мерой ресурса служит налет в часах, для автомобилей – пробег в километрах, для прокатных станов – масса прокатанного металл в тоннах. Если наработку измерять числом производственных циклов, то ресурс будет принимать дискретные значения.

Комплексные показатели надежности.

Показателем, определяющим долговечность системы, объекта, машины, может служить коэффициент технического использования.

Коэффициент технического использования - отношение математического ожидания суммарного времени пребывания объекта в работоспособном состоянии за некоторый период эксплуатации к математическому ожиданию суммарного времени пребывания объекта в работоспособном состоянии и всех простоев для ремонта и технического обслуживания:

Коэффициент технического использования, взятый за период между плановыми ремонтами и техническим обслуживанием, называется коэффициентом готовности, ко-

торый оценивает непредусмотренные остановки машины и что плановые ремонты и мероприятия по техническому обслуживанию не полностью выполняют свою роль.

Коэффициент готовности - вероятность того, что объект окажется в работо-способном состоянии в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых применение объекта по назначению не предусматривается. Физический смысл коэффициента готовности - это вероятность того, что в прогнозируемый момент времени изделие будет исправно, т.е. оно не будет находиться во внеплановом ремонте.

Коэффициент оперативной готовности - вероятность того, что объект окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых применение объекта по назначению не предусматривается, и, начиная с этого момента, будет работать безотказно в течение заданного интервала времени.

Классификация показателей . В зависимости от способа получения показатели подразделяют на расчетные, получаемые расчетными методами; экспериментальные, определяемые по данным испытаний; эксплуатационные, получаемые по данным экс-плуатации.

В зависимости от области использования различают показатели надежности нормативные и оценочные.

Нормативными называют показатели надежности, регламентированные в нор-мативно-технической или конструкторской документации.

К оценочным относят фактические значения показателей надежности опытных образцов и серийной продукции, получаемые по результатам испытаний или эксплуатации.

§ 5. Методика исследования надежности технических систем

5.1. Системный подход к анализу возможных отказов: понятие, назначение, цели и этапы, порядок, границы исследования

С позиций безопасности системный подход к анализу возможных отказов состоит в том, чтобы увидеть, как части системы функционируют во взаимодействии с другими ее частями.

Системный анализ - методология исследования любых объектов посредством представления их в качестве отдельных элементов и анализа этих элементов; применяется для:

Выявления и четкого формулирования проблемы в условиях неопределенности;

Выбора стратегии исследования и разработок;

Точного определения систем (границ, входов, выходов, связей), выявления целей развития и функционирования системы;

Выявление функций и состава вновь создаваемой системы.

Системы являются сложными многоуровневыми и многокомпонентными образованиями. В целях адекватной информации и определения причинных связей элементы системы конкретизируются. Такой подход позволяет однозначно определить опасности и опасные состояния системы. Он обеспечивается декомпозицией систем - расчленением иерархии и организации системы на взаимосвязанные составные части (подсистемы, элементы), последующим исследованием их независимо друг от друга и координацией локальных решений. Этот метод представляет, по существу, разложение сложных систем на простые с применением теорем об условных вероятностях и условных распределениях. При этом вначале вычисляются показатели надежности более простых подсистем, а затем полученные результаты группируются с целью получения характеристик всей системы в целом. Рассматриваемый метод может быть использован для упрощения, как пространства состояний, так и конфигурации системы. Эффективность метода зависит от выбора ведущего элемента, т.е. элемента, используемого при декомпозиции системы. Если этот элемент выбран неудачно, то, несмотря на идентичность конечного результата, вычисления окажутся значительно более громоздкими. В случае сравнительно сложных систем правильный выбор главных элементов для создания простой конфигурации может оказаться сложной задачей.

Трудности, возникающие при рассмотрении сложных систем, можно уменьшить, используя метод преобразования. Он состоит в последовательном упрощении систем с последовательным и параллельным соединением элементов путем преобразования их в эквивалентные схемы. Подобная процедура выполняется до тех пор, пока вся система не будет сведена к одному-двум элементам. При этом обычно делается допущение о независимости отказов. Основное преимущество данного метода заключается в его простоте и доступности, однако, он не приемлем при наличии постепенных отказов.

Анализом возможных отказов системы или ее элементов называют оценку влияния возможных отказов элементов следующего уровня структуры на выходные характеристики исследуемого объекта и определение перечня возможных отказов. Возможным отказом системы называется состояние, в которое может перейти система за время эксплуатации при возникновении отказов входящих в него элементов следующего уровня структуры. Совокупность возможных отказов называют перечнем возможных отказов.

Анализ возможных отказов проводят с целью выявления возможных причин их возникновения, оценки вероятности возникновения, времени возникновения, выбора методов обнаружения и регистрации, определения последствий отдельных видов отказов и разработки предупредительных, контрольных и защитных мероприятий по обеспечению надежности и безопасности на стадиях эксплуатации и проектирования систем.

В зависимости от сложности системы анализ возможных отказов проводят с использованием различных источников информации - конструкторской документации и схем эксплуатации, карт технологических процессов, опыта создания и эксплуатации систем-аналогов, циклограмм функционирования, результатов статистической обработки измерений входных и выходных параметров и др.

Анализ возможных отказов предусматривает следующие этапы:

Анализ процесса эксплуатации системы и составление перечня периодов эксплуатации;

Задание границ рассмотрения системы;

Рассмотрение взаимодействия и взаимовлияния составных частей (элементов) системы;

Назначение контролируемых параметров и систем контроля;

Определение характерных признаков отказов и их симптомов;

Составление перечня возможных отказов для каждого периода эксплуатации;

Оценка вероятностных и временных характеристик каждого вида отказов из перечня возможных отказов;

Анализ критичности отказов и ранжирование отказов по важности;

Определение возможных последствий отказов, возможности их обнаружения и устранения (или уменьшения степени опасности).

Анализ должен удовлетворять следующим требованиям, выполнение которых в значительной мере повышает качество проводимых исследований:

Проводиться с достаточной степенью полноты и детализации;

Учитывать физическую природу процессов, протекающих в системе;

Учитывать влияние взаимных отказов, различные режимы работы элементов системы, возможные отказы между элементами (отказы межсистемных связей и соединений);

Обеспечивать согласованность параметров элементов системы.

Анализ процесса эксплуатации системы позволяет получить необходимые сведения для выявления возможных отказов. Его проводят в следующем порядке:

Определяют назначение системы, особенности условий и режимов эксплуатации и перечень выполняемых задач;

Выделяют основные, обеспечивающие и вспомогательные функции;

Для каждой выявленной функции определяют взаимно однозначные группы статистически независимых выходных параметров, номинальные и предельно допустимые значения каждого параметра;

Определяют виды элементов системы, их функциональные особенности и характер взаимодействия при эксплуатации, наличие резервных элементов, выявляют элементы, не имеющие аналогов;

Определяют условия эксплуатации (основные и резервные режимы работы, возможности работы с измененными выходными параметрами и др.);

Определяют продолжительность каждого периода эксплуатации.

Составление перечня возможных отказов. Он должен обладать достаточной полнотой, определяемой наличием наиболее вероятных и критичных (приводящих к наиболее тяжелым последствиям) отказов, но не может быть избыточным из-за включения в него зависимых отказов. Отказы, возникающие по одной и той же причине, могут быть объединены.

Общее число возможных отказов в перечне складывается из общего числа всех выделенных условно независимых параметров по каждой функции системы с учетом возможного числа нарушений предельно допустимых значений по каждому параметру.

При составлении перечня анализируют также ограничения на условия применения изделия, нарушения которых рассматривают как возможные отказы. Далее уточняют перечень при проведении анализа причин, оценке вероятностей возникновения, возможностей обнаружения отказов и их последствий. Перечни возможных отказов и их причин оформляются в виде отчетов.

Методические основы задания границ системы при анализе опасных состояний и отказов состоят в следующем. Только главные, наиболее вероятные или критические события должны рассматриваться на начальной стадии анализа. Для определения этих событий можно использовать анализ критичности. По мере продвижения исследовательской работы (экспертизы) можно включать все более редкие или менее вероятные события или предпочесть не принимать их в расчет.

В принципе окружающие условия - это весь мир, в котором находится данная система. Таким образом, чтобы не отклоняться от намеченной цели, необходимо установить разумные пределы влияния окружающей среды при проведении исследования с помощью дерева событий или отказов, поскольку эти два подхода предусматривают детальную разработку процесса развития начальных аварийных событий в системе и окружающей ее среде.

При определении границ системы требуется тщательно установить начальные состояния элементов. Все элементы, которые имеют более одного рабочего состояния, создают различные начальные условия. Например, начальное количество жидкости в баке может быть регламентировано. Событие "бак полный" становится одним начальным состоянием, а "бак пустой" является другим состоянием. Необходимо также точно установить рабочий отрезок времени: например, условия при пуске и остановке могут создавать другого рода опасные условия, отличающиеся от установившихся режимов работы.

Когда достаточное количество информации по системе собрано, можно составить описания вариантов развития процесса (сценариев) и определить конечные события. Затем устанавливают причинные взаимосвязи, ведущие к каждому конечному событию, например при помощи дерева отказа.

Обычно система изображается в виде блок-схемы, показывающей все функциональные (или причинные) взаимосвязи и элементы. При ее построении исключительно важную роль приобретает правильное задание граничных условий, которые не следует путать с физическими границами системы.

Одним из основных требований, предъявляемых к граничным условиям, является задание завершающего (головного) нежелательного события, установление которого требует особой тщательности, поскольку именно для него, как для основного отказа, выполняется анализ. Кроме того, чтобы проводимый анализ был понятен всем заинтересованным лицам, исследователь обязан составить перечень всех допущений, принимаемых при определении системы и построении порядка исследования.

Обычно для каждой системы строят несколько маршрутов развития завершающего (опасного) события. Впоследствии они могут быть и связаны, но на этапе анализа с ними работают отдельно. Аналогично, если система функционирует в различных режимах, то может понадобиться анализ развития опасных состояний для каждого из режимов.

Взаимосвязи элементов и топография системы. Система состоит из таких элементов, как единицы оборудования, материалы, персонала предприятия (необязательно, чтобы эти элементы были самыми мелкими элементами в системе; они могут быть блоками или целыми подсистемами), которые находятся в определенной окружающей среде и подвержены внешнему воздействию.

Опасные состояния вызываются одним или несколькими элементами, приводящими к отказам в системе. Окружающая среда, персонал, старение могут влиять на систему только через ее элементы (рис.5.1.1.).

Каждый элемент системы связан с другими элементами специфическим образом, а идентичные элементы могут иметь различные характеристики в различных системах. Поэтому необходимо уточнять взаимосвязи и топографию системы. Взаимосвязи и топографию определяют, например, путем изучения системы трубопроводов данного предприятия, электрических схем, механических соединений, потоков информации, а также физического расположения элементов. Эти связи наилучшим образом можно представить в виде различных схем системы; технических описаний системы, карт технологических потоков и др., которые оказываются полезными в данной работе.

Рис. 5.1.1. Воздействия и взаимосвязи элементов

Например, гидравлический удар, который вызывается быстрым закрытием клапана и который, в свою очередь, приводит к потере герметичности фланцевого соединения, выявляют при изучении схемы трубопроводов. Взаимовлияние двух расположенных емкостей возможно в случае пожара. Возможные изменения состояния элементов системы, возникающие в результате других причин, следует также включать в технические описания или в карты логических переходов.

Работа в подготовительный период. Объем подготовительной работы определяется сложностью системы. Работа состоит из четырех основных этапов:

Получение данных;

Обработка данных;

Планирование последовательности проведения исследований;

Организация обсуждений.

Как правило, данные включают различные чертежи и схемы (линейные схемы, карты технологического процесса, схемы размещения производственного оборудования и пр.), эксплуатационные инструкции, схемы последовательного контроля за работой приборов, логические схемы, программы для ЭВМ, иногда даже инструкции изготовителей и поставщиков по правилам эксплуатации оборудования.

Эти данные должны быть проверены для того, чтобы удостовериться в их пригодности для исследования и выявить в них все противоречия и неточности. Объем работы, необходимой для обработки данных и планирования последовательности проведения исследований, зависит от типа системы.

Руководитель группы разрабатывает план проведения исследования и обсуждает как метод, так и план исследования с членами группы до начала работы по выявлению опасностей.

1. Надежность автоматизированных технических систем. Понятие надежности. Основные проблемы надежности.

Надежностью называют свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортировки. Расширение условий эксплуатации, повышение ответственности выполняемых радиоэлектронными средствами (РЭС) функций, их усложнение приводит к повышению требований к надежности изделий.

Надежность является сложным свойством, и формируется такими составляющими, как безотказность, долговечность, восстанавливаемость и сохраняемость. Основным здесь является свойство безотказности - способность изделия непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение времени. Потому наиболее важным в обеспечении надежности РЭС является повышение их безотказности.

Особенностью проблемы надежности является ее связь со всеми этапами “жизненного цикла” РЭС от зарождения идеи создания до списания: при расчете и проектировании изделия его надежность закладывается в проект при изготовлении надежность обеспечивается, при эксплуатации - реализуется. Поэтому проблема надежности - комплексная проблема и решать ее необходимо на всех этапах и разными средствами. На этапе проектирования изделия определяется его структура, производится выбор или разработка элементной базы, поэтому здесь имеются наибольшие возможности обеспечения требуемого уровня надежности РЭС. Основным методом решения этой задачи являются расчеты надежности (в первую очередь - безотказности), в зависимости от структуры объекта и характеристик его составляющих частей, с последующей необходимой коррекцией проекта.

2 .Количественные характеристики безотказности. Наработка на отказ.

Безотказность (и другие составляющие свойства надежности) РЭС проявляется через случайные величины, наработку до очередного отказа и количество отказов за заданное время. количественными характеристиками свойства здесь выступают вероятностные переменные.

Наработка есть продолжительность или объем работы объекта. для РЭС естественно исчисление наработки в единицах времени, тогда как для других технических средств могут быть удобнее иные средства измерения (например, наработка автомобиля - в километрах пробега). Для невосстанавливаемых и восстанавливаемых изделий понятие наработки различается, в первом случае подразумевается наработка до первого отказа (он же является и последним отказом), во втором – между двумя соседними во времени отказами (после каждого отказа производится восстановление работоспособного состояния). Математическое ожидание случайной наработки Т

(1.1)является характеристикой безотказности и называется средней наработкой на отказ (между отказами). В (1.1) через t обозначено текущее значение наработки, а f(t ) плотность вероятности ее распределения.

Вероятность безотказной работы t отказ объекта не возникает:

. (1.2)

вероятностью отказа q (t )=Вер(T £ t ) =1 – p (t ) = F (t ). (1.3)

В (1.2) и (1.3) F(t t частотой отказов:

.(1.4)Из (1.4) очевидно, что она характеризует скорость уменьшения вероятности безотказной работы во времени.

Интенсивностью отказов называют условную плотность вероятности возникновения отказа изделия при условии, что к моменту t отказ не возник:
. (1.5)

Функции f(t ) и l (t ) измеряются в ч -1 .

. (1.6)

t

(1.7)

Поток отказов при l (t )=const называется простейшим

t

T 0 =1/l , (1.8)т.е. при простейшем потоке отказов средняя наработка Т 0 t = Т 0 , вероятность безотказной работы изделия составляет 1/е. Часто используют характеристику, называемую g - процентной наработкой

. (1.9)

3.Вероятность безотказной работы - вероятность того, что в пределах заданной наработкиt отказ объекта не возникает:

. (1.2)

Вероятность противоположного события называется вероятностью отказа и до- полняет вероятность безотказной работы до единицы:

q (t )=Вер(T £ t ) =1 – p (t ) = F (t ). (1.3)

В (1.2) и (1.3) F(t ) есть интегральная функция распределение случайной наработки t. Плотность вероятности f(t ) также является показателем надежности, называемым частотой отказов:

Из (1.4) очевидно, что она характеризует скорость уменьшения вероятности безотказной работы во времени.

4. Интенсивностью отказов называют условную плотность вероятности возникновения отказа изделия при условии, что к моменту t отказ не возник:

. (1.5)

Функции f(t ) и l (t ) измеряются в ч -1 .

Интегрируя (1.5), легко получить:

. (1.6)

Это выражение, называемое основным законом надежности, позволяет установить временное изменение вероятности безотказной работы при любом характере изменения интенсивности отказов во времени. В частном случае постоянства интенсивности отказов l (t ) =l = const (1.6) переходит в известное в теории вероятностей экспоненциальное распределение:

(1.7)

Поток отказов при l (t )=const называется простейшим и именно он реализуется для большинства РЭС в течении периода нормальной эксплуатации от окончания приработки до начала старения и износа.

Подставив выражение плотности вероятности f(t ) экспоненциального распределения (1.7) в (1.1), получим:

T 0 =1/l , (1.8)

т.е. при простейшем потоке отказов средняя наработка Т 0 обратна интенсивности отказов l. С помощью (1.7) можно показать, что за время средней наработки, t = Т 0 , вероятность безотказной работы изделия составляет 1/е.

5. Часто используют характеристику, называемую g - процентной наработкой - время, в течении которого отказ не наступит с вероятностью g (%):

. (1.9)

Выбор параметра для количественной оценки надежности определяется назначением, режимами работы изделия, удобством применения в расчетах на стадии проектирования.

ЛЕКЦИЯ 1

Цель лекции: Ознакомление с основными понятиями теории надежности. Введение в теорию надежности. Основные термины и определения теории надежности.

1.1 Введение. Основные понятия и определения теории надежности.

Теория надежности – научная дисциплина, в которой изучаются методы обеспечения эффективности работы объектов (устройств, систем)в процессе эксплуатации.

Теория надежности (ТН) появилась в середине 40-х годов 20-века и использовалась для необходимых расчетов надежности систем управления и различных видов связи.

Постепенно она нашла применение во многих областях человеческой деятельности (машиностроение, транспорт, строительство, энергетика, системы управления).

Технические средства и условия их работы становятся все более сложными. Количество элементов в отдельных видах устройств исчисляется сотнями тысяч. Если не принимать специальных мер по обеспечению надежности, то любое современное сложное устройство практически будет неработоспособным.

Наука о надежности развивается в тесном взаимодействии с другими науками. Прежде всего, она тесно связана с проектированием информационных систем и вопросами обеспечения их безопасности.

Среди математических дисциплин, прежде всего наибольшее применение получили: теория вероятности; некоторые элементы дискретной математики; дифференциальные уравнения и интегральные исчисления.

В настоящее время теория надежности является самостоятельной научной дисциплиной.

Основные ее задачи: установление видов количественных показателей надежности; выработка методов аналитической оценки надежности; разработка методов оценки надежности по результатам испытаний; оптимизация надежности на стадиях разработки и эксплуатации технических систем.

1.2 Основные термины и определения.

Надежность - свойство объекта (системы) сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях эксплуатации.

Техническая система – совокупность элементов, взаимодействующих между собой в процессе выполнения заданных функций.

Элемент системы –составная часть любой системы, которая рассматривается без дальнейшего разделения как единое целое; внутренняя структура элемента не является предметом исследования.

Понятия «система» и «элемент системы» выражены одно через другое и часто условны: то, что является системой для решения одних задач, для других принимается элементом в зависимости от целей изучения, требуемой точности, уровня знаний о надежности и т.д.

С точки зрения надежности все технические системы делятся на два вида:

1) Невосстанавливаемые элементы и системы, т.е. неремонтируемые в процессе эксплуатации (радиоэлементы, интегральные схемы, часть приборов, аппаратура летательных аппаратов и т.д.)

2) Восстанавливаемые элементы и системы, которые могут быть отремонтированы непосредственно после отказа в заданное время.

Само понятие «восстановление» следует понимать не только как корректировку, настройку, пайку или иные ремонтные работы по отношению к тем или иным техническим средствам, но и замену этих средств.

Подавляющее большинство систем, применяющихся для автоматизации технологических процессов, как правило, подлежит восстановлению после отказа, после чего они вновь продолжают работу.

Работоспособность - такое состояние изделия, при котором оно соответствует всем требованиям, предъявляемым к его основным параметрам. К числу основных параметров технических систем относятся: быстродействие; нагрузочная характеристика; устойчивость и точность выполнения операций.

Комплекс других показателей технической системы: масса, габариты, удобство в обслуживании и др. могут изменяться с течением времени. Эти изменения имеют допустимые значения, их превышение может привести к возникновению отказного состояния (частичного или полного).

Состояния технической системы могут быть также разделены на: исправное при котором система полностью соответствует всем требованиям нормативно-технической документации и конструкторской документации;

неисправное – когда система имеет хотя бы одно несоответствие этим требованиям.

Событие, заключающееся в нарушении работоспособности системы, т.е. в переходе ее из работоспособного состояния в неработоспособное состояние, называется отказом.

Событие, заключающееся в переходе системы из исправного в неисправное (но работоспособное) состояние, называется повреждением.

Предельное состояние – возникает при условии, когда дальнейшее применение технической системы или оборудования невозможно или нецелесообразно.

После попадания в предельное состояние может следовать ремонт (капитальный или средний), в результате чего восстанавливается исправное состояние, или же система окончательно прекращает использоваться по назначению (физическое и моральное старение, износ).

Рисунок 1 – Схема основных состояний и событий восстанавливаемой системы

ЛЕКЦИЯ 2

Цель лекции: Ознакомление с основными этапами расчета и показателями надежности невосстанавливаемых систем.

Нормальное распределение

В отличие от экспоненциального распределения нормальное используется для описания таких систем и особенно их элементов, которые подвержены действию износа. При этом обязательно учитывается функция и плотность распределения наработки до отказа T , t - средняя наработка до отказа.

Параметрами нормального распределения являются: m – математическое ожидание случайной величины, T – наработки до отказа (или времени безотказной работы); σ – среднеквадратическое отклонение наработки до отказа T по результатам испытаний систем.

Нормальное распределение описывает поведение случайных величин в диапазоне (- ∞, ∞), но т.к. наработка до отказа является не отрицательной величиной, чтобы это учесть, то вместо нормального в принципе должно использоваться усеченное нормальное распределение.

Область возможных значений случайной величины может быть от 0 до ∞ (0 при t=0). Усеченное нормальное распределение применят, если m < 3σ, в противном случае использование более простого нормального (не усеченного) распределения дает достаточную точность.

Показатели надежности нормального распределения:

Рисунок 3.2 - Графики изменения показателей надежности при нормальном распределении

Лекция 4

Цель лекции: обучение методам расчета показателей надежности восстанавливаемых систем.

Лекция 5

Цель лекции: Изучение методов расчета надежности невосстанавливаемых систем при различных сложностях структурной схемы расчета надежности.

5.1 Методы расчета надежности невосстанавливаемых систем

При расчете вероятности безотказной работы, средней наработки до первого отказа элементы системы рассматриваются как невосстанавливаемые. В этом случае при основном (последовательном) соединении элементов (рисунок 5.1) вероятность безотказной работы вычисляется как произведение вероятностей всех элементов:

P с (t) = Р 1 (t ) Р 2 (t ) ....Р n -1 (t ) Р n (t )= (5.1)

Рисунок 5.1 – Структурная схема расчета надежности, последовательное соединение элементов

При резервном (параллельном) соединении элементов (рисунок 5.2) и при условии, что для работы системы достаточно работы одного из включенных параллельно элементов, отказ системы является совместным событием, имеющим место при отказе всех параллельно включенных элементов. Если параллельно включено элементов и вероятность отказа каждого, то вероятность отказа этой системы:

Q c (t) = Q 1 (t ) Q 2 (t ) ....Q m-1 (t ) Q m (t )= (5.2)

Рисунок 5.2 – Структурная схема расчета надежности, параллельное соединение элементов

Если структурная схема надежности состоит из последовательно-параллельного соединения, то расчет надежности использует формулы (5.1) и (5.2). Например, на рисунке 5.3 представлена схема, а уравнение 5.3 демонстрирует расчет функции надежности для этой схемы.

Рисунок 5.3 – Структурная схема расчета надежности, смешанное

соединение элементов

Pc(t)= P1(t)*P2(t)*P3456(t) = P1(t)*P2(t)*{1-} (5.3)

Однако, не все структурные схемы расчета надежности могут быть сведены к последовательно-параллельному соединению. На рисунке 5.4 представлена одинарная мостиковая схема расчета надежности.

Рисунок 5.4 – Мостиковая схема соединения элементов

Для всех элементов схемы известны вероятности безотказной работы Р1,Р2,Р3,Р4,Р5 и соответствующие им вероятности отказа типа «обрыв» q1,q2,q3,q4,q5. Необходимо определить вероятность наличия цепи между точками a и b схемы 5.4.

Метод перебора состояний

Расчету надежности любой системы независимо от используемого метода предшествует определение двух непересекающихся множеств состояний элементов, соответствующих работоспособному и неработоспособному состояниям системы. Каждое из этих состояний характеризуется набором элементов, находящихся в работоспособном и неработоспособном состояниях.

Поскольку при независимых отказах вероятность каждого из состояний определяется произведением вероятностей нахождения элементов в соответствующих состояниях, то при числе состояний, равном m , вероятность работоспособного состояния системы определяется выражением:

P = ; (5.1)

Вероятность отказа: Q = 1- (5.2)

где m – общее число работоспособных состояний, в каждом j-м из которых число исправных элементов равно вышедших из строя - kj.

При сравнительно простой структуре системы применение метода перебора состояний сопряжено с громоздкими выкладками. Например, для схемы на рисунке 5.4 составим таблицу состояний, переводя сначала по одному, затем по два, по три элемента в неработоспособное состояние, сохраняя работоспособное состояние системы.

Т а б л и ц а 5.1

Если все элементы системы равнонадежны, то вероятность безотказной работы системы при p i =0,9:

Р с = = р 5 +5р 4 q+8p 3 q 2 +2p 2 q 3 = 0,978

Лекция 6

Цель лекции: Изучение основных способов повышения надежности за счет резервирования.

Виды резервирования

Для повышения надежности систем и элементов применяют резервирование, основанное на использовании того или иного вида избыточности.

Избыточность определяет следующие разновидности резервирования: функциональное, временное, информационное, структурное.

В этом случае, если различные системы или устройства выполняют близкие функции, осуществляется функциональное резервирование. Такое резервирование часто применяют для многофункциональных систем. Например, значение температуры пара на выходе котлоагрегата может быть определено по показаниям потенциометра, осуществляющего в комплекте с термоэлектрическим преобразователем индивидуальный контроль ответственного параметра, и с помощью вызова этого параметра на электронное табло информационно-измерительной системы, осуществляющей расчет технико-экономических и других показателей.

Временное резервирование заключается в том, что допускается перерыв функционирования системы или устройства из-за отказа элемента. Во многих случаях временное резервирование, обеспечивающее непрерывность технологического процесса, осуществляется за счет введения аккумулирующих емкостей, складов сырья и полуфабрикатов. Например, кратковременный перерыв в подаче топлива не приведет к прекращению генерации пара из-за аккумуляции теплоты поверхностям нагрева котлоагрегата.

Информационное резервирование связано с возможностью компенсации потери информации по одному каналу информацией по другому каналу.

На большинстве технологических объектов, благодаря внутренним связям имеет место информационная избыточность, которая часто используется для оценки достоверности информации.

Например, усредненный расход пара на выходе котла соответствует усредненному расходу воды на его выходе, расход газа на котле определяет расход воздуха при фиксированном составе дымовых газов.

Для локальных систем наиболее характерно структурное резервирование. При этом виде резервирования повышение надежности достигается путем введения дополнительных элементов в структуру системы.

Структурное резервирование

Структурное резервирование разделяют на общее и поэлементное (раздельное). При общем резервировании система или устройство резервируется в целом, при поэлементном резервируются отдельные элементы или их группы.

Если резервные элементы функционируют наравне с основными элементами, то имеет место постоянное резервирование, являющееся пассивным. Если резерв вводится в состав системы после отказа основного элемента и сопровождается переключающимися операциями, то имеет место резервирование замещением – активное резервирование.

Схемы общего постоянного (а) и общего резервирования замещением (б) приведены на рисунке 6.1.

Рисунок 6.1 - Схемы общего резервирования

При поэлементном способе резервирования (рисунок 6.2 а- постоянном, б - замещением) резервные элементы могут находиться в нагруженном, облегченном и ненагруженном состоянии.

При нагруженном (горячем) резерве интенсивность отказов основного о и резервного н элементов одинакова, о = н. У облегченного (теплого) резерва интенсивность отказов резервных элементов об ниже, чем у основных работающих, о > об.

При ненагруженном (холодном) резерве вероятностью отказов элементов в состоянии резерва можно пренебречь, х = 0.

Рисунок 6.2 – Схемы поэлементного резервирования

При резервировании замещением один и тот же резерв может быть использован для замены любого из ряда однотипных элементов. Такой способ резервирования называют скользящим или с неоднозначным соответствием.

В подсистемах автоматизированных систем управления широко используются все рассмотренные способы резервирования. В локальных системах в основном применяют поэлементное (рисунок 6.2,б) резервирование замещением с ненагруженным резервом.

Отказавшие первичные и вторичные приборы, регулирующие блоки и блоки управления, исполнительные механизмы заменяют исправными (со склада).

Для характеристики соотношения между общим числом однотипных элементов n и числом r необходимых для функционирования системы работающих элементов вводится понятие кратности резервирования

k = (n - r)/r. (6.1)

Значение k может быть целым, если r =1 , и дробным, если r >1 . В этом случае дробь нельзя сокращать.

Скользящее резервирование является разновидностью резервирования с дробной кратностью. Структурное резервирование сопряжено с дополнительными затратами на резервные элементы, то они должны окупаться за счет повышения надежности системы и снижения потерь от ее отказов.

Наиболее простыми показателями эффективности резервирования является следующее выражение:

В τ = τ р /τ; В р = Р р /Р ; В Q = Q/Q р (6.2)

где В τ – выигрыш за счет повышения средней наработки до отказа резервированной системы τ р по сравнению с наработкой нерезервированной системы τ; В р и В Q – аналогичные показатели по повышению вероятности безотказной работы и снижению вероятности отказа.

Резервирование эффективно, если значение показателей В р , В Q и В τ больше единицы.

Лекция 7

Цель лекции: обучение методам расчета надежности невосстанавливаемых систем с постоянным резервом

Поэлементное резервирование

Надежность системы, содержащей группы элементов или отдельные элементы с поэлементным резервированием (рисунок 7.3,б), рассчитываются с использованием формул общего постоянного резервирования (5.1) и (5.2). Так, если система состоит из n участков с поэлементным резервированием целой кратностью k i , то вероятность безотказной работы системы:

где q ij – вероятность отказа j–го элемента, входящего в i–й участок резервирования. Для сопоставления эффективности общего и поэлементного резервирования сравним вероятности отказа двух систем, включающих одинаковое n(k+1) число равнонадежных элементов. Вероятность отказа системы с общим резервированием:

Считая, что вероятность отказа каждого из элементов q<<1 (1-q) n ≈1-nq, Q op =n k +1 q k +1 . Для раздельного резервирования, используя (7.3) и считая q<<1, получаем: Q пр =1-(1-q k +1) n ≈nq k +1 .

Эффективность поэлементного резервирования по сравнению с общим Q op /Q пр составит n k . С увеличением глубины n и кратности k резервирования его эффективность растет. Использование поэлементного резервирования сопряжено с введением дополнительных подключающих элементов, имеющих ограниченную надежность. В связи с этим имеется оптимальная глубина резервирования n опт, при n> n опт эффективность резервирования снижается.

Лекция 8

Цель лекции: Обучение основным методам расчета надежности восстанавливаемых систем в процессе эксплуатации.

Лекция 9

Цель лекции: Обучение основных практических методов оценки надежности по результатам испытаний.

Определительные испытания

Определительным испытаниям могут подвергаться автоматизированные системы управления в целом, их подсистемы, функции, технические средства и любые другие элементы систем.

Перед началом определительных испытаний составляется план испытаний . Планом испытаний называют правила, устанавливающие объем выборки, порядок их проведения испытаний и критерии их прекращения. Рассмотрим наиболее распространенные планы определительных испытаний. Наименование плана принято обозначать тремя буквами (цифрами): первая из них обозначает число испытуемых систем, вторая – наличие R или отсутствие U восстановлений на время испытаний в случае отказа, третья – критерий прекращения испытаний.

План соответствует одновременному испытанию систем. Эти системы после отказа не восстанавливаются (или же восстанавливаются, но данные о их поведении после первого отказа в испытаниях не рассматриваются). Испытания прекращают по истечении наработки каждой отказавшей системы. На рисунке 9.1,а знаком «х» обозначено наличие отказа; t i - наработка до отказа i –ой системы. Этот план обычно применяют для определения вероятности безотказной работы системы за время Ť.

Рисунок 9.1 – Планы испытаний

Испытания прекращают по истечении наработки каждой отказавшей системы. Этот план обычно применяют для определения вероятности безотказной работы системы за указанное время Ť.

План – соответствует испытаниям N таких же невосстанавливаемых систем, однако в отличие от плана испытание прекращают, когда число отказавщих систем достигает r. На рисунке 9.1,б, r -ый отказ имеет место у i–ой системы. Если r = N , переходим к плану , когда испытания прекращаются после отказов всех систем.

План обычно применяют для определения средней наработки до отказа в случае экспоненциального распределения, а план – в случае нормального распределения. Испытания по плану требуют значительных времени и числа испытываемых систем, но дают возможность полностью определить эмпирическую функцию распределения. Планы , позволяют определить эмпирическую функцию распределения только для некоторого интервала времени, дают меньше информации, зато позволяют быстрее закончить испытания.

План – описывает испытания N систем причем отказавшие во время испытаний системы заменяют новым или восстанавливают. Испытания прекращают по истечении наработки Ť каждой из позиций (под позицией понимаем определенное место на стенде или объекте, применительно к которому наработка исчисляется независимо от произошедших на данной позиции замен или восстановлений – рисунок 9.1, в)

План – соответствует испытанияv N систем, когда отказавшие во время испытаний системы заменяют новыми или восстанавливают. Испытание прекращают, когда суммарное по всем позициям число отказавших систем достигает r (рисунок 9.1,г).

Задачами планирования является определение минимального объема наблюдений – выбор числа испытываемых систем N, а также продолжительности наблюдений Ť для планов и или числа отказов r для планов и .

Результатами определительных испытаний должны являться точечные и интервальные оценки показателей надежности.

Точечная оценка понятие математической статистики. Пусть имеются результаты k наблюдений t 1 , t 2 ,….t k над некоторой случайной величиной Т с функцией распределения F(t,υ), причем праметр υ этого распределения неизвестен. Необходимо найти такую функцию ῦ=g(t 1 ,t 2 ,….t k) результатов наблюдений t 1 ,….t k , которую можно было рассматривать как оценку параметра υ. При таком выборе финкций g каждой совокупности (t 1 ,….t k) будет соответствовать точка ῦ на числововй оси, которую называют точечной оценкой параметра υ.

Статистические определения показателей надежности, приведенные в лекции 2, являются их точечными оценками. При этом оценка средней наработки до отказа, соответствует плану , так как здесь рассматриваются завершенные (не прерванные в испытаниях) наработки до отказа каждой из испытуемых систем.

где S - суммарная наработка всех систем за время испытаний; n S - суммарное число отказов всех систем на время испытаний.

Например, при плане

При нормальном распределении и плане :

Величину V Н называют нижней доверительной границей параметра V при односторонней доверительной вероятности γ 1 .

Для заданной вероятности γ 2 по той же совокупности наблюдений может быть найдена функция V вр = g вр (t 1 ,t 2… ,t k) такая, что интервал (0, V вр) накрывает параметр V с вероятностью γ 2:

Величину V ВР называют верхней доверительной границей параметра V при односторонней доверительной вероятности γ 2.

Нижняя и верхняя доверительные границы образуют доверительный интервал, который с вероятностью γ накрывает на числовой оси неизвестное значение параметра V. При γ 1 >0,5 и γ 2 >0,5 (доверительные вероятности γ 1 и γ 2 обычно выбираются не менее 0,8) согласно (9.8) и (9.9):

где γ = γ 1 + γ 2 -1; Обычно принимают, что γ 1 = γ 2, тогда γ = 2 γ 1 – 1.

Значение доверительного интервала тем меньше. Чем больше число наблюдений (например, чем больше число отказов при испытаниях) и чем меньше значение γ доверительной вероятности.

Определение границ доверительного интервала заключается в следующем. Так как оценка неизвестного параметра V является случайной величиной, то находим закон ее распределения. Затем определяем интервал (V Н, V ВР), в которой случайная величина попадает с вероятностью γ.

Контрольные испытания

Контрольным испытаниям обычно подвергаются подсистемы, технические средства и их элементы. Для технических средств обязательными являются контрольные испытания на безотказность.

Испытания на ремонтопригодность, сохраняемость и долговечность проводят в тех случаях, когда это предусмотрено стандартами, техническими заданиями или техническими условиями на конкретный прибор (средства).

Периодичность контрольных испытаний на безотказность обычно не реже одного раза в три года.

Для проведения контрольных испытаний из совокупности (партия) однородных приборов составляется некоторая выборка и проводятся испытания на надежность попавших в эту партию приборов.

По результатам испытания выборки выносится суждение о соответствии всей партии предъявленным требованиям.

Математический аппарат решения задачи – изучаемые в математической статистике методы проверки статистических гипотез.

В качестве проверяемой (или, как принято говорить, нулевой) гипотезы принимается предположение, что партия соответствует требованиям к надежности, в качестве противоположной (альтернативной) – что партия не удовлетворяет этим требованиям.

По результатам испытаний имеет место одна из следующих четырех ситуаций:

1. Партия удовлетворяет требованиям; по результатам испытаний подтвердилась нулевая гипотеза и принято решение о принятии партии. Это решение правильно.

2. Партия удовлетворяет требованиям, но по результатам испытаний нулевая гипотеза не подтвердилась. Это произошло потому, что случайно составленная выборка содержала повышенное число отказавших приборов по сравнению с совокупностью. Принята альтернативная гипотеза; это решение неправильно и невыгодно для изготовителя приборов. При этом произошла ошибка, вероятность которой называют риском поставщика (изготовителя) α.

3. Партия не удовлетворяет требованиям, по результатам испытаний нулевая гипотеза не подтвердилась. Принята альтернативная гипотеза, т.е. решение о неприятии партии. Это решение правильно.

4. Партия не удовлетворяет требованиям, но по результатам испытаний подтвердилась нулевая гипотеза о соответствии требованиям надежности, так как выборка содержала повышенное число неотказавших приборов по сравнению со всей партией. Принято решение, но оно не выгодно в отличие от п. 2 не изготовителю, а потребителю – заказчику эти приборов. Произошла ошибка, вероятность которой называют риском потребителя (заказчика) β.

Естественно, что желательно снизить значения обеих ошибок, доведя их до нуля. Зависимость вероятности L приемки партии от показателя надежности А (называемой оперативной характеристикой плана контроля) для такой предельной ситуации дана на рисунке 9.2,а. Пусть А тр – требуемое значение показателя надежности. В этой ситуации нулевая гипотеза А≥ А тр. Если она справедлива, то партия принимается с вероятностью равной единице, причем α=0. Альтернативная гипотеза заключается в том, что А£ А тр. При этом партия бракуется с вероятностью, равной единице, причем β=0.Однако такая идеальная оперативная характеристика недостижима, так как требует бесконечного объема наблюдений.

В реальной ситуации вводятся два уровня контролируемого показателя надежности: приемочный А α и браковочный А β (рисунок 9.2,б).

Рисунок 9.2 – Идеальная (а) и реальная (б) оперативные характеристики планов контроля

Если А≥ А α , то приборы должны приниматься с достаточно высокой вероятностью, не ниже L(А α) , если А£ А β , то приборы должны браковаться с достаточно высокой вероятностью, не ниже 1 – L(А β). При этом риск поставщика α=1-L(А α), риск потребителя β=1-L(А β). Тем самым проверку нулевой гипотезы А≥ А тр при альтернативе А£ А тр заменяем другой задачей – проверкой нулевой гипотезы А≥ А α при альтернативе А£ А β . Чем ближе А α к А β , тем больший объем испытаний необходим для принятия достоверного решения о соответствии партии.

Значение браковочного уровня А β устанавливается с учетом приемочного уровня А α , стоимости, продолжительности и условий испытаний и т.п.

Риск поставщика α и потребителя β обычно принимается равным 0,1-0,2, но в принципе по согласованию между потребителем и поставщиком возможен выбор и иных значений α и β.

Контрольные испытания на безотказность проводятся обычно одно- или двухступенчатым методом. При применении первого из них испытания выполняют следующим образом. Образцы, вошедшие в выборку объема d, испытывают в течение времени t и. По окончании испытаний определяют число наступивших отказов n. Если оно равно или меньше приемочного числа с, определенного в зависимости от величины А α , А β , α и β, то нулевая гипотеза подтверждается и партию принимают. Если же n>с, то подтверждается альтернативная гипотеза и партию не принимают. Одноступенчатый метод при прочих равных условиях обеспечивает минимальную календарную продолжительность испытаний, двухступенчатый при тех же условиях позволяет обеспечить минимум среднего объема испытаний.

Лекция 10

Цель лекции: Обучение основным методам повышения надежности на этапе проектирования и эксплуатации.

Лекция 11

Цель лекции: Обучение основных принципам оценки надежности программного обеспечения приборов и систем

Надежность - способность технических систем (устройств) безотказно (исправно) работать в течение определенного периода времени в заданных условиях эксплуатации.

Основное понятие в теории надежности - отказ, означающий полную или частичную потерю работоспособности системы (устройства). Виды отказов:

• внезапный отказ - повреждение (например, поломка) какого-либо элемента устройства;
• постепенный отказ возникает в результате непрерывного изменения характеристик системы, например износа в кинематических звеньях и возрастания зазоров, приводящих к поломке.

Основные параметры надежности

Надежность является комплексным показателем, который включает несколько параметров.

1. Интенсивность (или плотность) потока отказов - среднее число отказов в единицу времени:

Х(0 = 1 і т

Рщ ("? АО

где Р т Ц, ДО - вероятность отказа за период Д/.

Приближенно можно принять Р от и, ДО = - , где т - число отка-

завших элементов за период Дг; п - общее число элементов устройст-т

ва;--относительная частота отказов.

Тогда интенсивность потока отказов, ч -1:

Значения А,(0 для различных типов систем определяются опытным путем (по специальным методикам испытаний) и заносятся в справочные таблицы. Примерное распределение отказов по видам: 48 % - электронное и электрическое оборудование; 37 % - механические узлы; 15 % - гидро- и пневмоприводы.

Нормальные значения X: для отдельных элементов А.(0 = 10 4 ... ...10 6 ч -1 ; для систем А,(0 = 10 2 ... 10 4 ч _1 (по данным японских фирм,

X для ГПС среднего уровня - не более одного отказа в год при односменной работе, т. е. Х(0 = 1/2000 = 0,0005 ч -1). Для большинства отечественных систем удовлетворительным считается значение Х(0 = 0,0025 ч, что означает безотказную работу системы в течение одного месяца в трехсменном режиме, т. е. в течение 400 ч (20 ч х х 20 дней = 400 ч).

• 2. Средняя наработка на отказ (или математическое ожидание отказа), ч:

Этот параметр, как и X, характеризует запас надежности системы (в старом ГОСТе / от назывался коэффициентом надежности). Поэтому можно использовать любую из этих двух величин для характеристики надежности элемента, устройства или системы. В соответствии с указанными X нормальные значения / от для систем равны:

/ от = 300...10 4 ч.

3. Коэффициент готовности системы характеризует ее ремонтопригодность, т. е. быстроту и удобство восстановления системы:

к г =

где / в = V -- среднее время восстановления системы;

т, - время восстановления /-го элемента; т - число отказавших элементов за время / от.

4. Долговечность технической системы - свойство сохранять работоспособность в течение всего срока службы системы:

где Г р - время работы системы за весь период эксплуатации в часах; т п/ - время простоя системы по причине отказа /-го элемента;

х П 1 - суммарное время простоев за весь период эксплуатации

Для инженеров-разработчиков сложных автоматизированных систем большой интерес представляют две задачи, связанные с расчетом характеристик надежности.

Расчет вероятностей числа отказов к при п испытаниях системы

Для расчета вероятностей числа отказов к используется формула Бернулли, в основе которой лежит теорема умножения вероятностей независимых событий, т. е. вероятности их совместного появления

где р - вероятность отказа в каждом испытании (или вероятность отказа /-го элемента при п элементов системы); q - вероятность неотказа;

п - число испытаний (или число элементов системы); к - число отказов;

С„ = - : --биномиальный коэффициент (так как (р + ц) п -

к(п - к)

бином Ньютона).

Распределение вероятностей, определяемое формулой Бернулли, называется биномиальным распределением дискретной случайной величины (в нашем случае отказов), которое при п -> °° приближается к нормальному распределению вероятностей (рис. 2.2).

При больших значениях п вычисление вероятностей по формуле Бернулли затруднено, поэтому используется приближенная формула Пуассона, как предельный случай формулы Бернулли

Рп(к)і

ч-1-І-1- Т?

• 0ф27 о,006 0.001
• -Т т -

Рис. 2.2. График биномиального распределения дискретной случайной величины

при п = 10,/? = 0,2

Рассмотрим пример. Пусть техническая система состоит из п - 500 элементов при р = 0,002.

Требуется найти следующее распределение вероятностей:

• а) откажет ровно к - 3 элемента;
• б) менее 3;
• в) более 3;
• г) хотя бы 1 элемент.

Решение. Условия задачи удовлетворяют распределению Пуассона. Определим интенсивность потока отказов: X = 500 0,002 = 1.

• 1. /> 500 (3) = 1 3 /3! е~" = 0,36788/6 = 0,0613.
• 2. Сумма вероятностей, кроме к - 3:

^оо«3> = /V0) + / 5 оо + /* 5 оо(2) = е“ 1 + е~" + г“ "/2 = 0,9197.

3. Противоположное событие - отказало не более 3 элементов (это сумма вероятностей, включая к = 3):

/> 500 (>3) = 1 - (? = 1 - (0,9197 + 0,0613) = 0,019 (см. п. 1 и 2).

4. Противоположное событие - не отказал ни один элемент (к = 0):

Р= 1 - />500(0) = 1 - 0,36788 = 0,632.

Если в п испытаниях вероятности р 1 появления события (отказа) не равны, то используют производящую функцию типа

Ф„(г) = (Р1 + )(р 2 1 + Ь) - (Рп* + %)’

где г - некоторая переменная.

Вероятность Р„(к) равна коэффициенту при ^ в разложении производящей функции по степеням Например, для п = 2 имеем:

ф 2 (г) = (р { 1 + 4|){р 2 1 + ? 2) =РР2 ? + (Р Ь +Р2 д)1 + дЬ’ где Р 2 (2) =р х р 2 р 2 () = (р 1 д 2 +р 2 Я) Р 2 (®) = д Ь-

Рассмотрим пример. Устройство состоит из трех независимо работающих элементов, вероятности безотказной работы которых за период / равны: р х - 0,7; р 2 - 0,8; р ъ - 0.9.

Найти следующее распределение вероятностей отказов за период V.

• а) все 3 элемента будут работать безотказно (к = 0);
• б) только 2 элемента (к = 1);
• в) только 1 элемент (к - 2);
• г) ни один из элементов (к - 3).

Решение. Сначала найдем вероятности отказов:

Составим производящую функцию для п - 3:

Фз(*) = + 4){р& + Я 2)(Р& + Яъ ) =

= (0,7* + 0,3)(0,8* + 0,2)(0,9* + 0,1) =

0,504г 3 + 0,398* 2 + 0,092* + 0,006.

Таким образом, имеем:

• а) Я 3 (0) = 0,504 - не отказал ни один элемент;
• б) /*3(1) = 0,398 - отказал один элемент;
• в) Р 3 (2) = 0,092 - отказали 2 элемента;
• г) Я 3 (3) = 0,006 - отказали 3 элемента.

Для проверки решения используем контрольную функцию

• ? р 1 = 0,504 + 0,398 + 0,092 + 0,006 = 1.

Расчет вероятностей числа отказов на заданном интервале времени t

Для вычисления функции Р г (к) используют разновидность формулы Пуассона

Р (к) = 09- е~ х ".

Вероятность того, что за время t не произойдет ни одного отказа

(к = 0):

P t (0) = P(t) = e~ Xt .

В теории надежности эта формула известна как функция надежности. Она показывает экспоненциальное распределение времени между отказами (рис. 2.3, а). Противоположная функция позволяет вычислять вероятность отказа (рис. 2.3, б):

РотО ) = 1 - е +

Вероятность безотказной работы системы для малых промежутков времени At можно рассчитывать по приближенной формуле :

P(t) = 1 -Xt y

Рис. 2.3. Графики экспоненциального распределение времени между отказами Р(1)

для различных X (а) и вероятности отказа Р от 0) (б)

которая получается разложением показательной функции в степенной ряд

е~ ь = - Xt +

м 3

В этом разложении членами выше первого порядка пренебрегаем.

Приближенная формула справедлива для малых значений

Расчет вероятностных характеристик с помощью функции надежности возможен при условии X = const. Известно, что по мере расходования резерва надежности значение X(t) в течение эксплуатации системы изменяется (рис. 2.4).

В начальный период повышенное значение X(t) - Х объясняется наличием скрытых дефектов в элементах системы, которые проявляются в процессе приработки узлов. В самый длительный период нормальной эксплуатации системы интенсивность потока отказов X(t) = - Х 2 снижается и остается приблизительно постоянным (Х 2 - const). Именно для этого периода справедлива функция надежности. Третий период характеризуется резким повышением X(t) = Х 3 , которое объяс-

Рис. 2.4.

• 1 - начальный период приработки узлов; 2 - период нормальной эксплуатации;
• 3 - период катастрофического износа узлов

няется появлением недопустимо больших зазоров в кинематических парах системы в результате прогрессирующего износа деталей.

Рассмотрим пример использования функции надежности.

Испытывают два независимо работающих элемента с характеристиками:

^ = 0,02; Х 2 = 0,05.

Найти вероятность того, что за период / = 6 ч: а) оба элемента откажут; б) оба не откажут; в) только один элемент откажет; г) хотя бы один элемент откажет.

Решение

1. Вероятность отказа одного элемента:

р от1 = 1 - е -°" 02 6 = 1 - 0,887 = 0,113,

где р х - 0,887 - вероятность безотказной работы; р от2 = 1 _ е -°" 05 6 = 1 - 0,741 = 0,259, где р 2 = 0,741.

Вероятность отказа обоих событий рассчитаем по формуле умножения вероятностей независимых событий

Рот (2 эл) -р от -р от2 = 0,113 0,259 = 0,03.

2. Вероятность безотказной работы обоих элементов находим аналогично:

Р(Г) =р г р 2 = 0,887 0,741 = 0,66.

3. Вероятность отказа только одного элемента находим как сумму произведений р {

Р2" Ц + Р " #2 = 0,113 0,741 + 0,259 0,887 = 0,31,

где д 2 =Рот2-

4. Вероятность отказа хотя бы одного элемента находим как событие, противоположное событию по п. 2:

/^(1 эл) = 1 -р х? р 2 - 1 - 0,66 - 0,34.

Пути повышения надежности технических систем

Статистика показывает, что затраты на восстановительные работы и производство запасных частей составляют более половины стоимости новой техники.

Основные пути повышения надежности:

• 1) снижение интенсивности потока отказов X (повышение Г от) за счет применения новых материалов с высокими эксплуатационными свойствами (повышение износостойкости деталей кинематических пар);
• 2) входной контроль исходных материалов, деталей и комплектующих. Сохранение технологических и эксплуатационных норм в производстве и рабочем периоде;
• 3) сокращение числа деталей в узле (и числа узлов в системе) на стадии конструирования машин и механизмов. Следует помнить, что вероятность безотказной работы машины равна произведению вероятностей />,(г) безотказной работы ее элементов:

т=р, о.

Эта формула соответствует последовательному соединению элементов в узле (рис. 2.5, а );

4) применение принципа резервирования потенциально ненадежных элементов в особо ответственных узлах:

Р (0 = 1 - П Рои О-/ = 1

Эта формула соответствует параллельному соединению элементов, когда перемножаются вероятности отказов элементов р от!

Рис. 2.5. Последовательное (а) и параллельное (б) соединение элементов в узле

(рис. 2.5, б). При тройном резервировании элемента с p{t) - 0,9 (вероятность отказа каждого из трех элементов p m {t) = 1 - 0,9 = 0,1) вероятность безотказной работы элемента с резервированием равна:

/> р (0= 1 - (0,1) 3 = 0,999;

5) обеспечение фирменного обслуживания и ремонта технических систем. Повышение надежности ведет к росту коэффициента использования оборудования.