Объект, элемент, система

В теории надежности используют понятия объект, элемент, система. Объект — техническое изделие определенного целевого назначения, рассматриваемое в периоды проектирования, производства, испытаний и эксплуатации. Объектами могут быть различные системы и их элементы, в частности: сооружения, установки, технические изделия, устройства, машины, аппараты, приборы и их части, агрегаты и отдельные детали.

Элемент системы — объект, представляющий отдельную часть системы. Само понятие элемента условно и относительно, так как любой элемент, в свою очередь, всегда можно рассматривать как совокупность других элементов. Понятия система и элемент выражены друг через друга, поскольку одно из них следовало бы принять в качестве исходного, постулировать. Понятия эти относительны: объект, считавшийся системой в одном исследовании, может рассматриваться как элемент, если изучается объект большего масштаба. Кроме того, само деление системы на элементы зависит от характера рассмотрения (функциональные, конструктивные, схемные или оперативные элементы), от требуемой точности проводимого исследования, от уровня наших представлений, от объекта в целом. Человек-оператор также представляет собой одно из звеньев системы человек-машина.

Система — объект, представляющий собой совокупность элементов, связанных между собой определенными отношениями взаимодействующих таким образом, чтобы обеспечить выполнение системой некоторой достаточно сложной функции. Признаком системности является структурированность системы, взаимосвязанность составляющих ее частей, подчиненность организации всей системы определенной цели. Системы функционируют в пространстве и времени.

1.2.1. Состояние объекта

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

Неисправность — состояние объекта, при котором он не соответствует хотя бы одному из требований, установленных НТД.

Работоспособность — состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции, сохраняя значения основных параметров в пределах, установленных НТД. Основные параметры характеризуют функционирование объекта при выполнении поставленных задач и устанавливаются нормативно-технической документацией.

Неработоспособность — состояние объекта, при котором значение хотя бы одного заданного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям, установленным НТД.

Понятие исправность шире, чем понятие работоспособность. Работоспособный объект в отличие от исправного, удовлетворяет лишь тем требованиям НТД, которые обеспечивают его нормальное функционирование при выполнении поставленных задач. Работоспособность и неработоспособность в общем случае могут быть полными или частичными. Полностью работоспособный объект обеспечивает в определенных условиях максимальную эффективность его применения. Эффективность применения в этих же условиях частично работоспособного объекта меньше максимально возможной, но значения ее показателей при этом еще находятся в пределах, установленных для такого функционирования, которое считается нормальным. Частично неработоспособный объект может функционировать, но уровень эффективности при этом ниже допускаемого. Полностью неработоспособный объект применять по назначению невозможно.

Понятия частичной работоспособности и частичной неработоспособности применяют главным образом к сложным системам, для которых характерна возможность нахождения в нескольких состояниях. Эти состояния различаются уровнями эффективности функционирования системы. Работоспособность и неработоспособность некоторых объектов могут быть полными, т.е. они могут иметь только два состояния.

Работоспособный объект, в отличие от исправного, обязан удовлетворять лишь тем требованиям НТД, выполнение которых обеспечивает нормальное применение объекта по назначению. При этом он может не удовлетворять, например, эстетическим требованиям, если ухудшение внешнего вида объекта не препятствует его нормальному (эффективному) функционированию. Очевидно, что работоспособный объект может быть неисправным, однако отклонения от требований НТД при этом не настолько существенны, чтобы нарушалось нормальное функционирование.

Предельное состояние — состояние объекта, при котором его дальнейшее применение по назначению должно быть прекращено из-за неустранимого нарушения требований безопасности или неустранимого отклонения заданных параметров за установленные пределы, недопустимого увеличения эксплуатационных расходов или необходимости проведения капитального ремонта. Признаки (критерии) предельного состояния устанавливаются НТД на данный объект.

Невосстанавливаемый объект достигает предельного состояния при возникновении отказа или при достижении заранее установленного предельно допустимого значения срока службы или суммарной наработки, устанавливаемых из соображений безопасности эксплуатации в связи с необратимым снижением эффективности использования ниже допустимой или в связи с увеличением интенсивности отказов, закономерным для объектов данного типа после установленного периода эксплуатации.

Для восстанавливаемых объектов переход в предельное состояние определяется наступлением момента, когда дальнейшая эксплуатация невозможна или нецелесообразна вследствие следующих причин:

— становится невозможным поддержание его безопасности, безотказности или эффективности на минимально допустимом уровне;

— в результате изнашивания и (или) старения объект пришел в такое состояние, при котором ремонт требует недопустимо больших затрат или не обеспечивает необходимой степени восстановления исправности или ресурса.

Для некоторых восстанавливаемых объектов предельным состоянием считается такое, когда необходимое восстановление исправности может быть осуществлено только с помощью капитального ремонта.

Режимная управляемость * — свойство объекта поддерживать нормальный режим посредством управления с целью сохранения или восстановления нормального режима его работы.

Живучесть * — свойство объекта противостоять локальным возмущениям и отказам, не допуская их системного развития с массовыми отказами.

Безопасность * — свойство объекта не допускать ситуаций, опасных для людей и окружающей среды.

1.2.2. Переход объекта в различные состояния

Повреждение — событие, заключающееся в нарушении исправности объекта при сохранении его работоспособности.

Отказ — событие, заключающееся в нарушении работоспособности объекта.

Критерий отказа — отличительный признак или совокупность признаков, согласно которым устанавливается факт отказа. Признаки (критерии) отказов устанавливаются НТД на данный объект.

Восстановление — процесс обнаружения и устранения отказа (повреждения) с целью восстановления его работоспособности (исправности).

Восстанавливаемый объект — объект, работоспособность которого в случае возникновения отказа подлежит восстановлению в рассматриваемых условиях.

Невосстанавливаемый объект — объект, работоспособность которого в случае возникновения отказа не подлежит восстановлению в рассматриваемых условиях.

При анализе надежности, особенно при выборе показателей надежности объекта, существенное значение имеет решение, которое должно быть принято в случае отказа объекта. Если в рассматриваемой ситуации восстановление работоспособности данного объекта при его отказе по каким-либо причинам признается нецелесообразным или неосуществимым (например, из-за невозможности прерывания выполняемой функции), то такой объект в данной ситуации является невосстанавливаемым. Таким образом, один и тот же объект в зависимости от особенностей или этапов эксплуатации может считаться восстанавливаемым или невосстанавливаемым. Например, аппаратура метеоспутника на этапе хранения относится к восстанавливаемой, а во время полета в космосе — невосстанавливаемой. Более того, даже один и тот же объект можно отнести к тому или иному типу в зависимости от назначения: ЭВМ, используемая для неоперативных вычислений, является объектом восстанавливаемым, так как в случае отказа любая операция может быть повторена, а та же ЭВМ, управляющая сложным технологическим процессом в химии, является объектом невосстанавливаемым, так как отказ или сбой приводит к непоправимым последствиям.

Авария * — событие, заключающееся в переходе объекта с одного уровня работоспособности или относительного уровня функционирования на другой, существенно более низкий, с крупным нарушением режима работы объекта. Авария может привести к частичному или полному разрушению объекта, созданию опасных условий для человека и окружающей среды.

1.2.3. Временные характеристики объекта

Наработка — продолжительность или объем работы объекта. Объект может работать непрерывно или с перерывами. Во втором случае учитывается суммарная наработка. Наработка может измеряться в единицах времени, циклах, единицах выработки и других единицах. В процессе эксплуатации различают суточную, месячную наработку, наработку до первого отказа, наработку между отказами, заданную наработку и т. д.

Если объект эксплуатируется в различных режимах нагрузки, то, например, наработка в облегченном режиме может быть выделена и учитываться отдельно от наработки при номинальной нагрузке.

Технический ресурс — наработка объекта от начала его эксплуатации до достижения предельного состояния. Обычно указывается, какой именно технический ресурс имеется в виду: до среднего, капитального, от капитального до ближайшего среднего и т. п. Если конкретного указания не содержится, то имеется в виду ресурс от начала эксплуатации до достижения предельного состояния после всех (средних и капитальных) ремонтов, т.е. до списания по техническому состоянию.

Срок службы — календарная продолжительность эксплуатации объекта от ее начала или возобновления после капитального или среднего ремонта до наступления предельного состояния.

Под эксплуатацией объекта понимается стадия его существования в распоряжении потребителя при условии применения объекта по назначению, что может чередоваться с хранением, транспортированием, техническим обслуживанием и ремонтом, если это осуществляется потребителем.

Срок сохраняемости — календарная продолжительность хранения и (или) транспортирования объекта в заданных условиях, в течение и после которой сохраняются значения установленных показателей (в том числе и показателей надежности) в заданных пределах.

Интенсивность отказов. Графическая зависимость интенсивности отказов от времени (кривая жизни изделия)

Процесс возникновения отказов в ЭВМ обычно описывается сложными вероятностными законами. Поэтому в инженерной практике для оценки надежности ЭВМ вводят количественные характеристики, основанные на обработке экспериментальных данных. Рассмотрим оценку надежности неремонтируемых систем. Приведенные характеристики верны и для ремонтируемых систем, если их рассматривать для случая до первого отказа. Пусть на испытания поставлена партия, содержащая N годных изделий. В процессе испытаний некоторая их часть, например N1, выходит из строя. Тогда к моменту времени ti остается N(ti) изделий. Очевидно, что

N(ti) = N – N1

Отношение

Q*(ti) = N1 / N

характеризует частоту отказов (статистическую) в данном опыте и является оценкой теоретической вероятности выхода из строя изделия, строгое выражение для которой выглядит следующим образом:

.

Величина P(ti), равная

называется теоретической вероятностью безотказной работы и характеризует вероятность того, что к моменту ti не произойдет отказа. Напротив, величина Q(ti) равна вероятности того, что к моменту ti произойдет отказ.

Статистическая вероятность безотказной работы находится при конечных значениях N:

Вероятность безотказной работы системы может быть определена и для произвольного интервала времени (t1; t2), т. е. не с момента включения системы, как рассматривалось ранее. В этом случае говорят об условной вероятности безотказной работы P(t1; t2) в период (t1; t2), имея в виду, что в момент времени t1 (в начале наработки) система находится в работоспособном состоянии.

Условная вероятность P(t1; t2) определяется отношением

P(t1; t2) =P(t2)/ P(t1),

где P(t1) и P(t2) - соответственно значения функций надежности в начале (t1) и конце (t2) наработки. В качестве показателя надежности неремонтируемых систем используют также плотность распределения наработки до отказа f(t).

Плотностью распределения наработки до отказа f(f) называют производную по времени от функции отказа Q(t):

Отсюда видно, что величина f(t) d t характеризует безусловную вероятность того, что система обязательно откажет в интервале времени (t; t+ d t) при условии, что в момент времени t она находилась в работоспособном состоянии.

Наиболее распространенным количественным показателем надежности является интенсивность отказов. Интенсивность отказов λ(t) представляет условную вероятность возникновения отказа в системе в некоторый момент времени наработки при условии, что до этого момента отказов в системе не было. Величина λ(t) определяется отношением

Очевидно, что величина λ(t) d t характеризует условную вероятность того, что система откажет в интервале времени (t; t+ d t) при условии, что в момент времени t она находилась в работоспособном состоянии. Вероятность безотказной работы связана с величинами λ(t) и f(t) следующими выражениями:

Зная одну из характеристик надежности P(t), λ(t) или f(t), можно найти две другие.

Если необходимо оценить условную вероятность, можно воспользоваться следующим выражением:

Правильно понимать физическую природу и сущность отказов очень важно для обоснованной оценки надежности технических устройств. В практике эксплуатации последних различают три характерных типа отказов:

- приработочные,

- внезапные

- отказы из-за износа.

Они различаются физической природой, способами предупреждения и устранения и проявляются в различные периоды эксплуатации технических устройств. Отказы удобно характеризовать «кривой жизни» изделия, которая иллюстрирует зависимость интенсивности происходящих в нем отказов λ(t) от времени t. Такая идеализированная кривая для ЭВА приведена на рисунке.12.1

Рис. 12.1 Кривая жизни

Она характеризуется тремя явно выраженными периодами: приработки I нормальной эксплуатации II и износа III.

Приработочные отказы наблюдаются в первый период(0 - t1) эксплуатации ЭВА. Они возникают, когда часть элементов, входящих в состав ЭВА, являются либо бракованными, либо имеют низкий уровень надежности. Они могут быть также следствием некачественного выполнения сборочных операций и ошибок в монтаже. Физический смысл приработочных отказов может быть объяснен тем, что электрические и механические нагрузки, приходящиеся на компоненты ЭВА в приработочный период, превосходят их электрическую и механическую прочность. Поскольку продолжительность периода приработки ЭВА определяется в основном интенсивностью отказов входящих в ее состав некачественных элементов, то продолжительность безотказной работы таких элементов обычно сравнительно низка, поэтому выявить и заменить их удается за сравнительно короткое время.

В зависимости от назначения ЭВА период приработки может продолжаться от нескольких до сотен часов. Чем более ответственное изделие, тем больше продолжительность этого периода.

загрузка...

Период приработки составляет обычно доли и единицы процента от времени нормальной эксплуатации ЭВА во втором периоде. Как видно из рисунка, участок «кривой жизни» ЭВА, соответствующий периоду приработки I, представляет собой монотонно убывающую функцию λ(t), крутизна которой и протяженность во времени тем меньше, чем совершеннее конструкция, выше качество ее изготовления и более тщательно соблюдены режимы приработки. Период приработки считают завершенным, когда интенсивность отказов ЭВА приближается к минимально достижимой (для данной конструкции) величине λmin. Это происходит в точке t1 (т. е. по истечении времени 0—t1). Приработочные отказы могут быть следствием конструкторских (например, неудачная компоновка), технологических (некачественное выполнение сборки) и эксплуатационных (нарушение режимов приработки) ошибок.

Внезапные отказы наблюдаются во второй период(t1 - t2) эксплуатации ЭВА. Они возникают неожиданно вследствие действия ряда случайных факторов, и предупредить их приближение практически не представляется возможным, тем более, что к этому времени в ЭВА остаются только полноценные компоненты, срок износа и старения которых еще не наступил. Однако и такие отказы все же подчиняются определенным закономерностям. В частности, частота их появления в течение достаточно большого промежутка времени одинакова в однотипных классах ЭВА.

Физический смысл внезапных отказов может быть объяснен тем, что при быстром количественном изменении (обычно – резком увеличении) какого-либо параметра в компонентах ЭВА происходят качественные изменения, в результате которых они утрачивают полностью или частично свои свойства, необходимые для нормального функционирования аппаратуры.

К внезапным отказам ЭВА относят, например, пробой диэлектриков, короткие замыкания проводников, неожиданные механические разрушения элементов конструкции и т. п.

Период нормальной эксплуатации ЭВА характеризуется тем, что интенсивность ее отказов в интервале времени (t1- t2) минимальна и имеет почти постоянное значениеλmin ≈ const.

Величина λmin тем меньше, а интервал (t1 – t2) тем больше, чем совершеннее конструкция ЭВА, выше качество ее изготовления н более тщательно соблюдены режимы эксплуатации. Период нормальной эксплуатации ЭВА общетехнического назначения может продолжаться десятки тысяч часов. Он может даже превышать время морального старения аппаратуры. Продолжительность периода II ограничивается для ЭВА износом и естественным старением ее элементов. Это происходит в точке t2 (по истечении времени t1 - t2). Внезапные отказы могут быть следствием технологических (например, при использовании компонентов ЭВА со скрытыми и не-выявленными в период приработки неисправностями) и эксплуатационных (например, из-за перегрузок) ошибок.

Отказы в результате износа и отказы, вызванные старениемматериалов, наблюдаются в третий период (t1—t2) эксплуатации ЭВА. Они в большинстве случаев являются закономерным следствием постепенного износа и естественного старения используемых в аппаратуре материалов и элементов. Зависят они главным образом от продолжительности эксплуатации и «возраста» ЭВА. Физический смысл отказов из-за износов может быть объяснен тем, что в результате постепенного и сравнительно медленного количественного изменения некоторого параметра компонента ЭВА этот параметр выходит за пределы установленного допуска, вследствие чего компонент полностью или частично утрачивает свои свойства, необходимые для нормального функционирования аппаратуры. При износе происходит частичное разрушение материалов, при старении - изменение их внутренних физико-химических свойств. Последние носят, как правило, необратимый характер. К отказам в результате износа относят потерю чувствительности, точности, механический износ деталей и др. Их наступление связано с резким возрастанием λ. Участок (t2 - t3) «кривой жизни» ЭВА, соответствующий периоду износа, представляет собой монотонно возрастающую функцию, крутизна которой тем меньше (а протяженность во времени тем больше), чем более качественные материалы и комплектующие изделия использованы в аппаратуре (т. е. чем менее интенсивно они разрушаются). Завершается период износа III (а вместе с ним прекращается и эксплуатация аппаратуры), когда интенсивность отказов ЭВА приблизится к максимально допустимой λ для данной конструкции. Это происходит в точке t3 (по истечении времени t2 - t3). В заключение отметим, что все перечисленные виды отказов носят случайный характер.