Теоретические основы надежности

Надежность авиационной наземной техники (АНТ) — свойство СМ сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, при техническом обслуживании, ремонтах, хранении и транспортировании.

Надежность — сложное Свойство, которое в зависимости от назначения СМ и условий их применения состоит из сочетаний свойств: безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости. Для конкретных СМ и условий их эксплуатации эти свойства имеют различную относительную значимость. Например, для ряда деталей и узлов машин, являющихся с позиции теории надежности неремонтируемыми изделиями, основное свойство — безотказность. В целом же для АНТ как для ремонтируемых изделий одним из важнейших свойств может быть ремонтопригодность. К параметрам, характеризующим способность выполнять требуемые функции, относят кинематические и динамические параметры, показатели точности функционирования АНТ, производительности, скорости и т. д. С течением времени эти параметры могут изменяться. При изменениях, превышающих допустимые пределы, происходит переход СМ в неработоспособное состояние, т. е наступает отказ.

Основные понятия и определения. Понятие отказа является важным в теории надежности. Отказ машины — событие, заключающееся в нарушении ее работоспособного состояния.

Для каждой СМ признаки отказов установлены нормативно-технической документацией. В зависимости от причин возникновения различают конструкционные, производственные и эксплуатационные отказы.

Конструкционные отказы могут возникнуть вследствие неудачной конструкции узла неверно выбранных посадок, недостаточной жесткости, несоответствия расчетных данных на прочность или износостойкость. Наиболее часто наблюдаются отказы из-за потери прочности, устойчивости и усталости. В условиях пониженных температур возникают отказы в результате хрупкого разрушения материала.

Производственные отказы возникают в результате несовершенства или нарушения технологии производства СМ, применения некачественных материалов. Они являются результатом несоблюдения технологических условий изготовления, ремонта и сборки узлов СМ. Отказы могут возникнуть вследствие изменения или несоблюдения первоначальных размеров изделия, формы, качества поверхности, структуры материала и его механических свойств.

Неисправности элементов сопряжений в большинстве случаев происходят из-за неправильных посадок, нарушения регулировок и ослабления креплений. Эти неисправности вызывают увеличение бокового и радиального зазоров в паре зубчатых колес, увеличение зазора в шарнирах между втулкой и шейкой вала. Изменения посадок в неподвижных соединениях приводят к уменьшению натягов. Ослабление креплений приводит к увеличению динамических нагрузок, потере жесткости или нарушению сопряжений. Нарушение центровки и соосности, параллельности и перпендикулярности осей ведет к нарушению зацепления зубчатых колес, перекосу опор и т. д. Конструкционные и производственные отказы обычно проявляются в приработочный период, когда СМ вступает в эксплуатацию. Отказы в период приработки конструкционного и производственного характера часто приводят к длительным перерывам в работе АНТ и требуют трудоемких работ по их устранению. Особенно часто это случается со СМ, вновь вводимыми в эксплуатацию.

Эксплуатационные отказы вследствие нарушения установленных правил или условий эксплуатации. По характеру возникновения различают отказы внезапные, постепенные и перемежающиеся.

Внезапный отказ характеризуется скачкообразным изменением одного или нескольких заданных параметров объекта.

Постепенный отказ характеризуется постепенным изменением одного или нескольких заданных параметров объекта. Характерный пример постепенного отказа нарушение работоспособности тормозов в результате отказа фрикционных элементов.

Перемежающийся отказ многократно возникающий самоустраняющийся отказ одного и того же характера. Примером такого отказа может служить ухудшение мощностных и топливно-экономических показателей двигателя из-за появления нагара в головке цилиндра. Этот отказ часто самоустраняется при длительной работе машины в тяжелом нагрузочном режиме.

Свойства надежности. Надежность обусловливается рядом более простых свойств.

Сохраняемость — свойство АНТ сохранять значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в течение и после хранения И (или) транспортирования. Сохраняемость наиболее полно характеризует одну из сторон надежности АНТ сезонного использования и сменного рабочего оборудования.

Безотказность — свойство АНТ непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или некоторой наработки. Под наработкой подразумевают продолжительность или объем работы АНТ, измеряемые в часах, километрах, кубических метрах или других единицах. Безотказность как характеристика надежности особенно важна для элементов системы управления, тормозных устройств, механических передач и других механизмов СМ, отказ которых может привести к аварии или длительному простою дорогостоящего оборудования.

Долговечность — свойство АНТ сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта. Под предельным состоянием АНТ следует понимать состояние, при котором дальнейшая эксплуатация ее должна быть прекращена из-за неустранимого нарушения требований безопасности или неустранимого ухода заданных параметров за установленные пределы, или неустранимого снижения эффективности эксплуатации ниже допустимой. На практике объект, достигший своего предельного состояния, направляют на капитальный ремонт или списывают.

Ремонтопригодность — свойство АНТ, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений и поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем проведения технического обслуживания и ремонтов. Ремонтопригодность наряду с долговечностью является основным свойством, определяющим уровень надежности АНТ.

Показатели надежности. Количественно надежность АНТ оценивают с помощью показателей, которые выбирают и определяют с учетом особенностей объекта, режимов и условий его эксплуатации и последствий отказов. Значения показателей определяют для заданных режимов и условий применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования.

Номенклатура показателей надежности АНТ, ее систем и агрегатов должна выбираться в зависимости от следующих критериев: класса, временного режима эксплуатации; последствий отказа (группа надежности), принципа ограничения длительности использования

Отнесение АНТ, ее систем и агрегатов к тому или иному классу изделий должно осуществляться в соответствии с требованиями ГОСТ 27.003—83 (СТ СЭВ 878 -78).

Для определенной СМ должен быть выбран характерный временной режим эксплуатации, который определяется чередованием следующих периодов: ожидания (по условиям эксплуатации от СМ не требуется функционирование, они не создают полезного эффекта, но готовы к немедленному приведению в действие); действия (от СМ требуется функционирование).

Режим может быть:

непрерывный - период действия длится непрерывно;

циклический — определенные периоды действия и простоя чередуются с постоянной цикличностью;

оперативный — неопределенный период простоя сменяется периодом заданной продолжительности;

общий — периоды действия и простоя чередуются случайным образом. Закономерность чередования не может быть установлена по условиям эксплуатации, либо условия эксплуатации различаются для разных экземпляров изделий одного вида.

Численное значение показателя может изменяться в зависимости от условий эксплуатации.

Различают единичные и комплексные показатели надежности АНТ. Единичный показатель количественно характеризует только одно свойство надежности АНТ. Комплексный показатель надежности количественно характеризует не менее двух ее основных свойств, например, безотказность и ремонтопригодность.

Показатели безотказности. Основным в этой группе показателей является вероятность безотказной работы. Вероятность безотказной работы оценивается вероятностью того, что в пределах заданной наработки отказ СМ не возникает.

Конкретное численное значение вероятности безотказной работы имеет определенный смысл лишь тогда, когда оно поставлено в зависимость от заданной наработки, в течение которой возможно возникновение отказа. Вероятность безотказной работы определяется в предположении, что в начальный момент времени исчисления заданной наработки СМ была работоспособна.

Вероятность безотказной работы в интервале от 0 до t0:

Математическое ожидание наработки СМ до отказа определяет среднюю наработку до отказа

Наработка, в течение которой отказ СМ не возникает с вероятностью γ, выраженной в процентах, называется гамма-процентной наработкой до отказа

При γ= 100 % гамма-процентная наработка называется установленной безотказной наработкой, а при γ=50 % медианной наработкой до отказа.

Средняя наработка на отказ определяется отношением наработки СМ или восстанавливаемого ее агрегата к математическому ожиданию числа отказов в течение этой наработки. Этот показатель определяет наработку СМ, приходящуюся в среднем на один отказ, в рассматриваемом интервале суммарной наработки или определенной продолжительности эксплуатации.

Интенсивность отказов определяется как условная плотность вероятности возникновения отказа СМ для рассматриваемого момента времени при условии, что до этого момента отказ не возник. Интенсивность отказов

Она не является плотностью распределения случайной величины, так как не обладает необходимыми свойствами плотности распределения
Параметр потока отказов — это отношение среднего числа отказов восстанавливаемого объекта за произвольно малую его наработку к значению этой наработки. Он используется в качестве показателя безотказности АНТ, эксплуатация которой может быть описана следующей схемой: в начальный момент времени СМ начинает работу и работает до отказа, после отказа происходит восстановление работоспособности, и СМ вновь работает до отказа и т. д. При этом время восстановления не учитывается. Для таких СМ моменты отказов на оси суммарной наработки или на оси непрерывного времени образуют поток отказов. В качестве характеристики потока отказов используют «ведущую функцию» Ω(t) данного потока — математическое ожидание числа отказов за время t:

Параметр потока отказов ω(t) характеризует среднее число отказов, ожидаемое в малом интервале времени:

Параметр потока отказов связан с ведущей функцией соотношением

Показатели долговечности. Долговечность АНТ характеризуется показателями, связанными с оценкой продолжительности их эксплуатации. Эти показатели могут указывать на вид действий после наступления предельного состояния (средний ресурс до капитального ремонта) или характеризовать предельное состояние АНТ до окончательного снятия ее с эксплуатации (полный средний ресурс). В полный срок службы АНТ входят продолжительности всех видов ее ремонта.

Средний ресурс представляет собой математическое ожидание ресурса АНТ. Вид формулы для определения среднего ресурса аналогичен (1.2):
Гамма-процентный ресурс определяется наработкой, в течение которой СМ не достигает предельного состояния с заданной вероятностью у. выраженной в процентах. Этот показатель аналитически определяется аналогично гамма-процентной наработке до отказа.

Назначенный ресурс представляет собой суммарную наработку АНТ, при достижении которой применение ее по назначению должно быть прекращено. Цель установления назначенного ресурса — обеспечение принудительного заблаговременного прекращения применения СМ по назначению исходя из требований безопасности или экономического анализа. При достижении СМ назначенного ресурса в зависимости от особенностей эксплуатации, технического состояния и других факторов она может быть списана, направлена на средний или капитальный ремонт, передана для применения по назначению, переконсервирована (при хранении) или может быть принято решение о продолжении эксплуатации.

Средний срок службы АНТ определяется как математическое ожидание срока ее службы, т. е. является вероятностной характеристикой долговечности АНТ.

Гамма-процентный срок службы представляет собой календарную продолжительность от начала эксплуатации АНТ, в течение которой она не достиг нет предельного состояния с заданной вероятностью у, выраженной в процентах. Формула для определения гамма-процентного срока службы аналогична формуле (1.3).

Назначенный срок службы определяет календарную продолжительность эксплуатации АНТ, при достижении которой применение ее по назначению должно быть прекращено. Для АНТ, подлежащей длительному хранению, может быть установлен назначенный срок хранения, по истечении которого дальнейшее хранение недопустимо.

Показатели ремонтопригодности. К ним относятся вероятность восстановления работоспособного состояния и среднее время восстановления работоспособного состояния.

Вероятность восстановления работоспособного состояния (вероятность восстановления) — вероятность того, что время восстановления работоспособного состояния СМ не превысит заданного. Эта поверхность представляет собой значение функции распределения времени восстановления при tв= Т3, где Т3— заданное время восстановления

Среднее время восстановления работоспособного состояния (среднее время восстановления) оценивается математическим ожиданием времени восстановления работоспособного состояния.

Среднее время восстановления

Показатели сохраняемости. К ним относятся средний срок сохраняемости и гамма-процентный срок сохраняемости.

Под средним сроком сохраняемости АНТ понимают математическое ожидание срока сохраняемости. Гамма-процентный срок сохраняемости представляет собой срок сохраняемости, достигаемый СМ с заданной вероятностью у, выраженной в процентах.

Комплексные показатели надежности. Наиболее часто применяемыми на практике комплексными показателями надежности АНТ являются коэффициент готовности Кг и коэффициент технического использования Кти.

Коэффициент готовности — вероятность того, что СМ окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых применение ее по назначению не предусматривается, т. е.

Коэффициент готовности характеризует готовность СМ к применению по назначению только в отношении ее работоспособности, следовательно, означает вероятность застать объект в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, причем этот момент времени не может быть выбран в тех интервалах, где применение СМ исключено.

Коэффициент технического использования представляет собой отношение математического ожидания интервалов времени пребывания СМ в работоспособном состоянии за некоторый период эксплуатации к сумме математических ожиданий интервалов времени пребывания ее в работоспособном состоянии, простоев, обусловленных техническим обслуживанием и ремонтов за тот же период эксплуатации. Он характеризует время нахождения СМ в работоспособном состоянии относительно рассматриваемой продолжительности эксплуатации. Период эксплуатации, для которого определяется коэффициент технического использования, должен, как правило, содержать все виды технического обслуживания и ремонтов. Коэффициент технического использования учитывает затраты времени на плановые и неплановые ремонты

Из выражений (1.11) и (1.12) следует, что чем меньше среднее время восстановления и суммарные простои, связанные с техническим обслуживанием и ремонтом, тем выше коэффициент готовности и технического использования.

Объемы технического обслуживания и ремонта, определяемые исходя из обеспечения требуемого уровня безотказности, существенно влияют на коэффициент технического использования и эксплуатационные расходы. Вместе с тем они зависят от уровня ремонтопригодности конструкции АНТ.

В числе других комплексных показателей надежности АНТ — коэффициент оперативной готовности, коэффициент планируемого применения и коэффициент сохранения эффективности.

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

Он характеризует надежность АНТ, необходимость применения которой возникает в произвольный момент времени, после которого требуется определенная безотказная работа. До этого момента СМ может находиться в режиме дежурства (при полных или облегченных нагрузках, но без выполнения заданных рабочих функций) и режиме применения для выполнения рабочих функций. В обоих режимах возможно возникновение отказов и восстановление работоспособности СМ.

Коэффициент планируемого применения — доля периода эксплуатации, в течение которой АНТ не должна находиться на плановом техническом обслуживании и ремонте. Он представляет собой отношение разности заданной продолжительности эксплуатации и математического ожидания суммарной продолжительности плановых технических обслуживаний и ремонтов за тот же период эксплуатации к значению этого периода.

Под коэффициентом сохранения эффективности понимают отношение значения показателя эффективности за определенную продолжительность эксплуатации к номинальному значению этого показателя, вычисленному при условии что отказы АНТ в течение того же периода эксплуатации не возникают. Данный коэффициент характеризует степень влияния отказов агрегатов АНТ на эффективность ее применения по назначению. При этом под эффективностью применения АНТ принимают ее свойство создавать некоторый полезный результат (выходной эффект) в течение периода эксплуатации в определенных условиях.

Эффективность как свойство характеризуется соответствующими показателями. Показатель эффективности — показатель качества, характеризующий выполнение АНТ ее функций. В идеальном случае СМ выполняет свои функции (создает определенный выходной эффект) при отсутствии отказов. Реальный выходной эффект определяется с учетом реальной надежности АНТ.

 

Смотрите также