Распределение нормируемых показателей надежности

Выбор и обоснование показателей

Одной из важнейших задач на этапе проектирования является правильный выбор номенклатуры нормируемых показателей надежности. Необоснованный выбор показателей надежности из широкой номенклатуры имеющихся показателей может привести к неправильным решениям при проектировании системы.

Информация о назначении системы дает возможность определить область и интенсивность применения системы по назначению. Сведения об условиях и режимах работы системы используют для оценки влияния факторов окружающей среды на работоспособность проектируемой системы, а также влияния действующих внешних и внутренних нагрузок на несущую способность элементов системы. Количественные значения этих оценок являются исходными данными для расчета прочности и устойчивости элементов и узлов металлоконструкций.

Если по условиям применения систему предполагается ремонтировать в условиях эксплуатации, то в качестве одного из основных показателей надежности следует выбирать коэффициент готовности К_Г или коэффициент технического использования K_ТИ.

В случае, если отказ системы или отдельных ее элементов приводит к невыполнению важной задачи или нарушает безопасность работы обслуживающего персонала, а также вызывает угрозу для здоровья и жизни людей, находящихся в зоне действия системы, то для таких систем основным показателем надежности является безотказность, выражающаяся в виде наработки на отказ или вероятности безотказной работы.

Если в результате простоя системы после отказа возникают большие материальные затраты, то такая система должна иметь хорошую ремонтопригодность и высокие показатели безотказности.

Если система по условиям эксплуатации подлежит длительному хранению (ожиданию работы) или она должна транспортироваться на специальных транспортных средствах, то такая система должна обладать высокими показателями сохраняемое в соответствующих условиях хранения и транспортирования.

Все показатели надежности проектируемой системы должны обеспечивать нормальное ее функционирование в течение заданного срока эксплуатации.

Распределение норм надежности проводят на этапах эскизного и рабочего проектирования технической системы. Предполагается, что на любом из этих этапов конструирования систему можно разбить на некоторое число подсистем в виде отдельных сборочных единиц и исходить из начальной надежности каждой подсистемы, полученной расчетом или по ре­зультатам испытаний подсистем.

Пусть р ₁, р ₂,..., р_n означают надежность подсистем. Если предположить, что отказ любой подсистемы приводит к отказу системы в целом, то надежность системы на основании теоремы умножения вероятностей определяется выражением:

Р = р ₁ р ₂... р_n (9.10)

При проектировании задаются требуемым уровнем надежности системы Р^ТР. Задача состоит в том, чтобы повысить хотя бы одно из значений р, на столько, чтобы Р > Р^ТР.

Для повышения надежности необходимо произвести дополнительные затраты, связанные либо с введением резервирования в этой системе, либо с введением в систему более надежных элементов.

Одна из методик повышения надежности Р до требуемого значения Р^ТР сводится к следующему. Надежности р ₁, р ₂,…, р_n располагают в неубывающей последовательности:

р ₁ £ р ₂£…£ р_n. (9.11)

Каждую из надежностей р ₁, р ₂,…, р_k увеличивают до одного и того же значения р₀^ТР, а надежности, начиная с р_{k+ 1}, ..., р_п,остаются неизменяемыми. Номер k выбирают из максимального значения j, для котoрого

, (9.12)

где р_{n+ 1} =1 по определению.

Значение p^ТР ₀ определяют из соотношения

. (9.13)

Очевидно, что надежность системы после определения р₀^ТР будет удовлетворять заданному требованию, поскольку новая надежность равна:

. (9.14)

Пример 9.7. Пусть техническая система состоит из трех подсистем. Надежность каждой из них соответственно равна: р ₁ = 0,7; р ₂= 0,8; р ₃= 0,9. Известно, что отказ любой одной подсистемы приводит к отказу системы в целом. Требуемое значение надежности системы равно Р^ТР = 0,65.

Провести перераспределение норм надежности таким образом, чтобы произведение вероятностей трех подсистем соответствовало заданному требованию.

Решение. Используя формулу (9.10), получим:

Р= p ₁ р ₂ р ₃ = 0,7·0,8·0,9 = 0,504.

Предположим, что мы не рассчитываем k по формуле (9.12), а произвольно задаем k= 1. Тогда, подставляя исходные данные в формулу (9.13), получим:

p^ТР ₀= [0,65/0,8·0,9·1,0]^1/1 = 0,903.

Р= 0,903·0,8·0,9 = 0,65.

Полученное значение надежности соответствует требуемому Р^ТР = 0,65.

Однако на основании полученного значения p^ТР ₀можно заключить, что распределение средств, необходимых для повышения надежности, не было оптимальным. Другими словами, приложено больше средств для достижения заданного показателя, чем требовалось.

Определим теперь k по формуле (9.12). С этой целью вычислим три величины:

r ₁ = [ Р^ТР /р ₂ р ₃·1,0]^1/1 = [0,65/0,8·0,9·1,0]^1/1 = 0,903;

r ₂ = [ Р^ТР /р ₃·1,0]^1/2 = [0,65/0,9·1,0]^1/2 = 0,85;

r ₃ = [ Р^ТР / 1,0]^1/3 = [0,65/1,0]^1/3 = 0,866.

Так как р ₁ < r ₁, р ₂ < r ₂, р ₃ > r ₃, примем k = 2.В этом случае наибольшее значение индекса j со свойством p < r, равно двум. Далее, учитывая выражение (9.13), находим

p^ТР ₀ = [0,65/0,9]^1/2 = 0,85.

Это означает, что средства на повышение надежности необходимо распределить следующим образом: надежность подсистемы №1 увеличивают с 0,7 до 0,85; надежность подсистемы №2 – с 0,8 до 0,85; надежность подсистемы №3 оставляют на прежнем уровне. В результате вероятность безотказной работы всей системы:

Р = (0,85)² 0,90 = 0,65.

Номенклатура нормируемых показателей надежности для многих видов технических объектов приведена в государственных и отраслевых стандартах, технических условиях и других нормативно-технических документах. Например, в ГОСТ 4.113–84 в качестве основных показателей для химического оборудования установлены наработка на отказ, установленный ресурс до капитального ремонта и установленный срок службы.

В соответствии с ГОСТ 27.003–90 номенклатура показателей надежности выбирается на основе следующих основных классификационных признаков:

– определенность назначения изделия (общего или конкретного назначения);

– число возможных (учитываемых) состояний по работоспособности при эксплуатации (наличие частично неработоспособных состояний);

– режим применения или функционирования;

– возможные последствия отказов или достижения предельного состояния при применении или хранении и транспортировании;

– возможность восстановления;

– характер процессов, определяющих переход в предельное состояние;

– возможность и способ восстановления ресурса или срока службы;

– возможность и необходимость технического обслуживания;

– возможность и необходимость контроля перед применением;

– наличие в составе средств вычислительной техники.

Если рассматривать полную программу обеспечения надежности при проектировании, то она должна включать следующие этапы:

1 Постановка задачи.

2 Определение конструктивных параметров.

3 Анализ характера, последствий и важности отказов.

4 Проверка правильности выбора наиболее важного конструктивного параметра.

5 Формулировка соотношения между критическими параметрами и критериями, определяющими появление отказа.

6 Расчет напряжения, определяющего появление отказа.

7 Выбор распределения напряжения, определяющего появление отказа.

8 Расчет прочности, определяющей появление отказа.

9 Выбор распределения прочности, определяющей появление отказа.

10 Расчет показателей надежности, связанных с этими распределениями, определяющими появление отказа, для каждого критического вида отказа.

11 Повторный цикл проектирования для обеспечения заданной надежности.

12 Оптимизация конструкции с точки зрения рабочих характеристик, стоимости, веса и т.д.

13 Повторный цикл оптимизации для каждого ответственного элемента системы.

14 Расчет показателей надежности системы.

15 Повторение всех этапов с целью оптимизаций надежности системы.

Дата добавления: 2015-04-30