Основные сведения о расчёте надёжности

Расчёт надёжности - это процедура определения значений показателей надёжности объекта с использованием методов, основанных на:

- справочных данных о надёжности элементов объекта,

- данных о надёжности объектов – аналогов,

- данных о свойствах материалов,

- другой информации, имеющейся к моменту расчета.

Общие правила расчёта надёжности, требования к методикам этих рас­чётов и к оформлению их результатов регламентированы межгосударствен­ным стандартом - ГОСТ 27.301-95. Расчёт надёжности. Общие положения [16].

Расчет надёжности объекта может иметь своими целями:

- обоснование количественных требований по надёжности;

- проверку выполнимости установленных требований;

- сравнительный анализ надёжности вариантов схемно-конструктив­ного построения объекта и обоснование выбора рационального варианта;

- определение достигнутого (ожидаемого) уровня надёжности;

- обоснование и проверку эффективности мер по доработке конструк­ции, технологии изготовления, системы технического обслуживания и ре­монта объекта, направленных на повышение его надёжности;

- решение различных оптимизационных задач, в которых показатели надёжности выступают в роли целевых функций, управляемых параметров или граничных условий;

- проверку соответствия ожидаемого (достигнутого) уровня надёжности объекта установлен­ным требованиям (контроль надёжности).

Расчет надёжности объектов в общем случае представляет собой проце­дуру последова­тельного поэтапного уточнения оценок показателей надёжности по мере поступления дополнительной информации о конструкции и тех­нологии изготовления объекта, о его эксплуатации, о систе­ме технического обслуживания и ремонта и т.д. Он может включать:

- идентификацию объекта;

- определение целей и задач расчета, номенклатуры и требуемых значе­ний рассчитываемых показателей надёжности;

- выбор метода(ов) расчета, адекватного(ых) особенностям объекта, це­лям расчета, наличию необходимой информации;

- составление расчетных моделей для каждого показателя надёжности;

- получение и предварительную обработку исходных данных для рас­чета, вычисление значений показателей надёжности объекта и, при необхо­димости, их сопоставление с требуемыми;

- оформление, представление и защиту результатов расчета.

Идентификация объекта включает анализ доступной информации о факторах, определяющих его надёжность. Могут анализироваться:

- назначение, области применения и функции объекта;

- критерии качества функционирования, отказов и предельных состоя­ний, возможные послед­ствия отказов (достижения объектом предельного со­стояния) объекта;

- структура объекта, состав, взаимодействие и уровни нагруженности входящих в него элементов, возможность перестройки структуры и/или алго­ритмов функционирования объекта при отказах отдельных его элементов;

- наличие, виды и способы резервирования, используемые в объекте;

- типовые условия эксплуатации объекта;

- система технического обслуживания и ремонта (СТОиР) объекта, ха­рактеризуемая видами, периодичностью, организационными уровнями, спо­собами выполнения, техническим оснаще­нием работ по его ТО и ремонту;

- распределение функций между операторами и средствами автоматиче­ского диагностирования (контроля) и управления объектом, виды и характеристики человеко-машинных интерфейсов, опреде­ляющих пара­метры работоспособности и надёжности работы операторов;

- уровень квалификации персонала;

- качество программных средств, применяемых в объекте;

- планируемые технология и организация производства при изготовле­нии объекта.

Методы расчета надёжности подразделяют по составу рассчитываемых показателей надёжности (ПН) и по основным принципам расчета.

По составу рассчитываемых показателей различают методы расчета:

- безотказности,

- ремонтопригодности,

- долговечности,

- сохраняемости,

- комплексных показателей надёжности (методы расчета коэффициен­тов готовности, техничес­кого использования, сохранения эффективности и др.).

По основным принципам расчета свойств, составляющих надёжность, или комплексных показателей надёжности объектов различают:

- методы прогнозирования,

- структурные методы расчета;

- физические методы расчета надёжности.

Методы прогнозирования основаны на использовании для оценки ожидаемого уровня надёжности объекта данных о достигнутых значениях и выявленных тенденциях изменения ПН объектов, аналогичных или близких к рассматриваемому по:

- назначению,

- принципам действия,

- схемно-конструктивному построению и технологии изготовления,

- элементной базе и применяемым материалам,

- условиям и режимам эксплуатации, принципам и методам управле­ния надёжностью (далее - объектов-аналогов).

Эти методы рассмотрены нами в разделе 6.6.

Структурные методы расчета основаны на представлении объекта в виде логической (структурно-функциональной) схемы, описывающей зави­симость состояний и переходов объекта от состояний и переходов его эле­ментов с учетом их взаимодействия и выполняемых ими функций в объекте с последующими описаниями построенной структурной модели адекватной ма­тематической моделью и вычислением ПН объекта по известным характери­стикам надёжности его элементов. Структурные методы являются основными методами расчета показателей безотказности, ремонто­пригодности и ком­плексных ПН в процессе проектирования объектов, поддающихся разукруп­нению на элементы, характеристики надёжности которых в момент проведе­ния расчетов известны или могут быть определены другими методами (про­гнозирования, физическими, по статистическим данным, собранным в про­цессе их применения в аналогичных условиях). Эти методы применяют также для расчета долговечности и сохраняемости объектов, критерии предельного состояния которых выражаются через параметры долговечности (сохраняе­мости) их элементов. Они рассмотрены нами в разделах 4 и 5.

Расчёт ПН структурными методами в общем случае включает:

- представление объекта в виде структурной схемы, описывающей логи­ческие соотношения между состо­яниями элементов и объекта в целом с учетом структурно-функциональных связей и взаимодействия элементов, принятой стратегии обслуживания, видов и способов резервирования и дру­гих факторов;

- описание построенной структурной схемы надёжности (ССН) объ­екта адекватной математической моделью, позволяющей в рамках введенных предположений и допущений вычислить ПН объекта по данным о надёжности его элементов в рассматриваемых условиях их применения.

В качестве структурных схем надёжности (ССН) могут применяться:

- структурные блок-схемы надёжности, представляющие объект в виде совокупности определенным образом соединенных (в смысле надёжности) элементов (стандарт МЭК 1078);

- деревья отказов объекта, представляющие графическое отображение причинно-следственных связей, обуслав­ливающих определенные виды его отказов (стандарт МЭК 1025);

- графы (диаграммы) состояний и переходов, описывающих возмож­ные состояния объекта и его переходы из одного состояния в другое в виде совокупности состояний и переходов его элементов.

Математические модели, применяемые для описания указанных ССН, определяются требуемой точностью расчётов, требуемой точностью исход­ных данных, точностью допущений о законах распределения и т.д.

Методы расчета показателей ремонтопригодности в общем случае ос­нованы на представлении процесса ТО или ремонта определенного вида как совокупности отдельных задач (операций), вероятности и цели выполнения которых определяются показателями безотказности (долговечности) объектов и принятой страте­гией ТО и ремонта, а продолжительность (трудоемкость, стоимость) выполнения каждой задачи зависит от конструктивной приспо­собленности объекта к ТО (ремонту) данного вида.

Физические методы расчета основаны на применении математиче­ских моделей, описывающих физические, химические и иные процессы, при­водящие к отказам объектов (к до­стижению объектами предельного состоя­ния), и вычислении ПН по известным параметрам нагру­женности объекта, характеристикам примененных в объекте веществ и материалов с учетом осо­бенностей его конструкции и технологии изготовления.

Физические методы применяют для расчета безотказности, долговечно­сти и сохраняемости объектов, для которых известны механизмы их деграда­ции под влиянием различных внешних и внутренних факторов, приводящие к отказам (предельным состояниям) в процессе эксплуатации (хранения). Ме­тоды основаны на описании соответствующих процессов деградации с помо­щью адекватных математических моделей, позволяющих вычислять ПН с учетом конструкции, технологии изготовления, режимов и условий работы объекта по справочным или определенным экспериментально физическим и иным свойствам веществ и материалов, используемых в объекте. В общем случае указанные модели при одном ведущем процессе деградации могут быть представлены моделью выбросов некоторого случайного процесса за пределы границ допустимой области его существования, причем границы этой области могут быть также случайными и коррелированными с указан­ным процессом (моделью непревышения). Основным методом расчета надёжности по моделям непревышения является статистическое моделирование.

Физический метод расчета надёжности рассмотрен нами в разделе 6.6.3.

Исходными данными для расчета надёжности объекта могут быть:

- априорные данные о надёжности по опыту применения объекта в ана­логичных или близких условиях;

- оценки показателей надёжности, полученные экспериментальным или расчетным способом;

- расчетные и/или экспериментальные оценки параметров нагруженно­сти составных частей и элементов конструкции.

Источниками исходных данных для расчета надёжности объекта могут быть:

- стандарты и технические условия;

- справочники по надёжности элементов, свойствам материалов и дру­гие информационные материалы;

- статистические данные (банки данных) о надёжности объектов-анало­гов, входящих в их состав элементов, о параметрах операций ТО и ре­монта, собранные в процессе их разработки, изготовления, испытаний и экс­плуатации;

- результаты иных расчетов объекта и его составные частей, включая расчеты показателей надёжности составных частей объекта.

Степень адекватности моделей и методов расчета надёжности оцени­вают путем:

- сопоставления результатов расчета и экспериментальной оценки ПН объектов-аналогов, для которых применялись аналогичные модели и методы расчета;

- исследования чувствительности моделей к нарушениям принятых при их постро­ении допущений и предположений, а также к погрешностям ис­ходных данных для расчета;

- экспертизы и апробации применяемых моделей и методов [16].