Безотказность, долговечность, сохраняемость и ремонтопригодность. Единичные и комплексные показатели надежности

Надежность изделия является сложным свойством, которое в зависимости от назначения изделия и условий его применения состоит из сочетания свойств: безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости.

Безотказность – это свойство изделия непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторой наработки. Безотказность должна быть присуща изделию в любом из режимов его существования (в период работы, хранения и транспортировки), хотя часто безотказность рассматривается только применительно к режиму эксплуатации.

Долговечность – это свойство изделия сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

Ремонтопригодность – это свойство изделия, заключающееся в его приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения дефектов и поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем проведения технического обслуживания и ремонта. Свойство ремонтопригодности характеризует изделие не только при проведении ремонтов в предельном состоянии, но характеризует его приспособленность для профилактических мероприятий и восстановления после возникновения дефекта.

Сохраняемость – это свойство изделия сохранять значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в течение его хранения и транспортировки и после них. Сохраняемость характеризует свойство изделия противостоять отрицательным условиям хранения и транспортировки и представляется в виде двух составляющих: одна из них проявляется во время хранения и транспортировки, а другая - во время применения объекта после его хранения и транспортировки.

Каждое из перечисленных свойств надежности характеризуется набором показателей. Безотказность характеризуется следующими показателями: вероятность безотказной работы, средняя наработка до отказа, гамма-процентная наработка до отказа, интенсивность отказов, средняя наработка на отказ, параметр потока отказов.

Вероятность безотказной работы Р_Н - это вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ изделия не возникает. Используя (4) и тот факт, что отказ и безотказная работа образуют полную группу несовместных событий, получаем:

. (11)

Вероятность безотказной работы выражается через плотность распределения на основе соотношения

, Р_H(0)= 1, P_H(¥)= 0. (12)

Важной особенностью вероятности безотказной работы является то, что указание её величины без указания пределов наработки не имеет смысла, так как вероятность безотказной работы изделия изменяется с течением времени его эксплуатации (рис.3). Задавая допустимое значение g вероятности безотказной работы изделия в период его эксплуатации [0, Т_g ] предполагается, что в этот период вероятность безотказной работы изделия должна удовлетворять условию Р_H (t)³ g. В связи с тем, что Р_H (t) убывающая функция, верхняя граница ее наработки до отказа t = Т_g определится из условия Р_H { t = T_g } = g, чем и гарантируется выполнение неравенства Р_H { t £ T_g } ³ g. Поэтому для изделия указание его вероятности безотказной работы без указания периода эксплуатации не имеет смысла. Например (рисунок 3), у одного и того же изделия вероятность безотказной работы Р_H (T_g)= g, рассматриваемая в период наработки [0, T_g ], во много раз больше вероятности безотказной работы Р_H (T_g1)= g₁, рассматриваемой за период наработки [0, T_g1 ]при T_g1> T_g.

Рисунок 3 - Вероятность безотказной работы изделия в зависимости от длительности времени его эксплуатации

Для режимов хранения и транспортировки могут также использоваться термины вероятность безотказного хранения или вероятность безотказной транспортировки.

На основе этого определения также вводятся показатели вероятность выполнения технологического задания для технологических систем и вероятность выполнения задания по параметру качества в расчетах на надежность.

Средняя наработка до отказа – это математическое ожидание наработки изделия до отказа, т.е. средняя наработка до отказа определяется формулой (8). Показатель средняя наработка до отказа может применяться не только в период эксплуатации изделия, но и в период его хранения и транспортировки.

Гамма – процентная наработка до отказа – это наработка, в течение которой отказ изделия не возникает с вероятностью g (при этом g указывают в процентах), т.е. гамма-процентная наработка – это квантиль функции вероятности безотказной работы, определяемый как корень одного из уравнений:

или . (13)

Величина гамма-процентной наработки T_g и T_g1 для значений g и g ₁представлена на рисунке 3.

Интенсивность отказов – это условная плотность вероятности возникновения отказа невосстанавливаемого изделия, определяемая для рассматриваемого момента времени при условии, что до этого момента отказ не возник. Используя (6) и (12), получаем:

. (14)

Средняя наработка на отказ – это отношение наработки восстанавливаемого изделия к математическому ожиданию числа его отказов в течение этой наработки. Средняя наработка на отказ и параметр потока отказов используются в качества показателя безотказности восстанавливаемого изделия, например, технологического оборудования или обрабатывающего инструмента. Эксплуатация таких изделий может быть описана следующим образом. В начальный момент времени изделие начинает работу и работает до отказа, после отказа происходит его восстановление и изделие вновь работает до отказа. Моменты отказов на оси суммарной наработки или на оси непрерывного времени образуют поток отказов. В качестве характеристики потока отказов используют ведущую функцию W(t) данного потока – математическое ожидание числа отказов за время t, т.е.: , где М – символ математического ожидания; r(t) - число отказов за время t. Поэтому средняя наработка на отказ Т_СР будет определяться из соотношения

. (15)

Поток отказов также характеризуют параметром потока отказов ω (t) -отношением среднего числа отказов восстанавливаемого изделия за произвольно малую его наработку к значению этой наработки, т.е.: .

Долговечность изделия характеризуется следующими показателями: ресурсом (средним, гамма-процентным, назначенным, техническим); сроком службы (средним, гамма-процентным, назначенным).

Ресурс или технический ресурс – это время работы изделия от начала его эксплуатации или его возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние. Срок службы же определяется календарной наработкой до перехода в предельное состояние.

Технический ресурс для неремонтируемых изделий совпадает с продолжительностью пребывания в работоспособном состоянии в режиме применения по назначению, если переход в предельное состояние обусловлен только возникновением отказа. Поскольку средний или капитальный ремонт позволяет частично или полностью восстановить ресурс, отсчет времени работы, образующей ресурс, возобновляют по окончании такого ремонта, различая в связи с этим доремонтный, межремонтный, послеремонтный и полный (до списания) ресурс. Аналогичным образом выделяют виды срока службы.

Средний ресурс и средний срок службы – это математическое ожидание ресурса или срока службы, соответственно.

Гамма-процентный ресурс (гамма-процентный срок службы) – это время (календарная продолжительность) от начала эксплуатации, в течение которого он достигнет предельного состояния с заданной вероятностью g, выраженной в процентах. Величина гамма-процентного ресурса в случае аналитического задания вероятности безотказной работы определяется из соотношения (13) или графически из рисунка 3. Из этих соотношений следует, что увеличение вероятности безотказной работы изделия без его совершенствования возможно только за счет уменьшения величины гамма-процентного ресурса.

Назначенный ресурс (срок службы) определяется суммарным временем работы (календарной продолжительностью эксплуатации) изделия, при достижении которой его применение по назначению должно быть прекращено. Цель установления назначенного ресурса или назначенного срока службы - обеспечение принудительного заблаговременного прекращения применения изделия по назначению, исходя из требований безопасности или экономического анализа.

Для объектов, подлежащих длительному хранению, может быть установлен назначенный срок хранения, по истечении которого дальнейшее хранение недопустимо.

При достижении изделием назначенного ресурса или срока службы, в зависимости от его назначения, особенности эксплуатации, технического состояния и других факторов изделие может быть: списано; направлено в средний или капитальный ремонт; передано для применения не по назначению; принято решение о продолжении эксплуатации.

Отметим, что ресурс и срок службы может быть задан не только временем, но и другой физической величиной, например, пробегом (километры), объемом выполненной работы (тонны) и т.д.

Ремонтопригодность изделия характеризуется следующими показателями: вероятностью восстановления работоспособного состояния; средним временем восстановления работоспособного состояния; средней трудоемкостью восстановления работоспособного состояния.

Вероятность восстановления работоспособного состояния – это вероятность того, что время восстановления работоспособного состояния изделия не превысит заданного времени.

Среднее время (средняя трудоемкость) восстановления работоспособного состояния – это математическое ожидание времени (трудоемкости) восстановления работоспособного состояния.

Время восстановления отсчитывают либо непрерывно, либо из него по определенным правилам исключают интервалы времени, не обусловленные непосредственно выполнением восстановительных работ. В связи с этим различают общее время и оперативное время восстановления работоспособности изделия.

Сохраняемость характеризуется средним и гамма-процентным сроком сохраняемости.

Средний срок сохраняемости определяется как математическое ожидание срока сохраняемости, а гамма-процентный срок сохраняемости – срок сохраняемости, достигаемый изделием с заданной вероятностью g, выраженной в процентах.

Необходимо отметить, что показатели безотказности и долговечности определялись на основе функции распределения вероятности отказов (или функции надежности), в то же время для ремонтопригодности необходимо знание функции распределения вероятности времени восстановления, а для сохраняемости -функции распределения вероятности срока сохраняемости. Причем различают сохраняемость изделия до ввода в эксплуатацию и сохраняемость изделия в период эксплуатации (при перерывах в работе). Во втором случае срок сохраняемости входит составной частью в срок службы. Кроме того, для срока сохраняемости до ввода изделия в эксплуатацию выделяют срок сохраняемости в законсервированном виде, срок сохраняемости при монтаже и срок сохраняемости на более сложном законсервированном объекте.

К комплексным показателям надежности относят: коэффициент готовности; коэффициент оперативной готовности; коэффициент технического использования; коэффициент планируемого применения; коэффициент сохранения эффективности и т.д.

При оценке надежности технологических систем вводятся показатели по параметрам качества продукции, параметрам производительности процесса и параметрам затрачиваемых ресурсов, которые будут рассмотрены далее.

Контрольные вопросы к разделу 3

1. Состояние изделия.

2.Определение исправного, работоспособного, неисправного, неработоспособного и предельного состояния.

3. Чем отличается исправное от работоспособного состояния?

4. Из каких соображений назначается предельное состояние.

5. Чем отличается повреждение от отказа?

6. Чем отличается ремонт от восстановления изделия?

7. Особенности эксплуатации изделий по фактическому состоянию.

8. Детерминированные и случайные отказы.

9. Классификация отказов по причинам их возникновения.

10. Классификация отказов в зависимости от периода эксплуатации.

11. Отказы функционирования и параметрические отказы.

12. Внезапные и постепенные (износные) отказы.

13. Вероятность и статистическая оценка вероятности события.

14. Функция распределения вероятности случайной величины и ее свойства. 15. Формула определения вероятности попадания случайной величины в заданный интервал.

16. Статистическая оценка функции распределения вероятности случайной величины. Гистограмма распределения вероятности.

17. Плотность распределения случайной величины и ее связь с ФРВотказов и безотказной работы. Статистическая оценка плотности распределения.

18. Интенсивность отказов и ее связь с ФРВ безотказной работы. Статистическая оценка интенсивности отказов.

19. Математическое ожидание, его физический смысл и статистическая оценка.

20. Дисперсия, ее физический смысл и статистическая оценка.

21. Стандартное отклонение, коэффициент вариации. Квантиль случайной величины.

22. Уравнение для определения границ доверительного интервала.

23. Доверительный интервал и доверительная вероятность.

24. Безотказность. Основные показатели безотказности.

25. Вероятность безотказной работы.

26. Гамма-процентная наработка до отказа.

27. Средняя наработка до отказа.

28. Средняя наработка на отказ.

29. Связь ФРВ безотказной работы с интенсивностью отказов. Основное уравнение теории надежности.

30. Формула и график взаимосвязи вероятности безотказной работы и гамма-процентной наработки до отказа.

31. Долговечность. Основные показатели долговечности.

32. Ресурс, средний ресурс, гамма-процентный ресурс, назначенный ресурс.

33. Сохраняемость. Основные показатели сохраняемости.

34. Ремонтопригодность. Основные показатели ремонтопригодности.