Содержание и значение надежности.

Непрерывное усложнение судовых технических средств при неизменной надежности комплектующих элементов, узлов и изделий неизбежно ведет к снижению надежности судовых систем, устройств и судов в целом. Выход из строя основного оборудования в силу специфических условий эксплуатации судов создает аварийную обстановку, а иногда вызывает аварии с тяжелыми последствиями, включая человеческие жертвы. Морские транспортные суда длительное время находятся вдали от береговых баз и не могут рассчитывать на своевременную помощь судоремонтных предприятий. Поэтому при недостаточном уровне надежности судового оборудования для обеспечения непрерывного работоспособного состояния судна предусматривают резервирование (дублирование) агрегатов, что еще более усложняет судовую установку.

Непрерывное увеличение количества судов, их размеров и скорости ведет к росту интенсивности движения и требует повышения безопасности плавания, что в значительной степени зависит от надежности всех судовых технических средств. В этом состоят технические предпосылки возникновения проблемы надежности.

Важность проблемы повышения надежности подтверждается также экономическими соображениями. Недостаточный уровень надежности — это дополнительные затраты, вызванные авариями и простоями судов, снижением их скорости и увеличением времени грузовых операций, а также дополнительные расходы на ремонт и ТО оборудования. Увеличение межремонтного периода судов, сокращение численности судовых экипажей (без увеличения напряженности труда) не могут быть успешно реализованы без существенного повышения надежности всех технических средств. В этом состоят экономические предпосылки проблемы надежности.

Таким образом, проблема обеспечения необходимого уровня надежности судового оборудования относится к числу проблем первостепенной важности.

Технический прогресс выдвинул проблему надежности на первое место и зависит от успешного ее решения [3]. Однако недостаточно понимать значение надежности для повышения технико-экономической эффективности создания и использования технических средств. Необходимо уметь количественно оценивать уровень надежности, определять количественную зависимость надежности от режимов использования и условий эксплуатации.

Любая отрасль человеческих знаний, чтобы стать самостоятельной наукой, должна овладеть математическим аппаратом. Для теории надежности основу математического аппарата составляют теория вероятностей и математическая статистика. Теория надежности является инструментом для решения многих практических задач, и в частности задач оптимальной ТЭ. В качестве примера рассмотрим схему использования теории надежности для решения практических задач ТЭ судового оборудования.

1. Зная зависимость показателей надежности от режимов работы и условий эксплуатации, можно рассчитать характеристики надежности для различных возможных режимов плавания (эксплуатации судов), следовательно, можно заранее принять меры, обеспечивающие достаточно высокий уровень надежности даже в самых неблагоприятных условиях эксплуатации.

2. Используя показатели безотказности и ремонтопригодности изделий, можно определить оптимальную периодичность работ по ТО, что позволит повысить уровень надежности при минимальных затратах.

3. Зная показатели долговечности, безотказности элементов и условия пополнения запасов, можно рассчитать оптимальное количество СЗЧ, что позволит избежать затоваривания и простоя оборудования (судов) из-за нехватки каких-либо деталей или узлов.

Используя эксплуатационные данные о надежности судового оборудования, специалисты морской индустрии квалифицированно оценивают техническое состояние судов, планируют ремонт конкретных видов техники, а научно-исследовательские и проектно-конструкторские организации морского транспорта разрабатывают системы и методы ТО судов, обеспечивают использование на судах наиболее надежного оборудования [4, 5, 6].

Основные понятия. Номенклатура показателей надежности.

Работоспособный объект может быть неисправным, однако его неисправность при этом не настолько существенна, чтобы нарушать нормальное функционирование объекта (например, перегорание сигнальной лампы контроля питания на щите при наличии вольтметра; деформация рукоятки управления, практически не влияющая на процесс управления, и т. п.).

При делении объектов на восстанавливаемые и невосстанавливаемые, с одной стороны, и на ремонтируемые и неремонтируемые - с другой, следует иметь в виду, что термин ремонтируемый характеризует приспособленность объекта к проведению ремонта и ТО как внутреннее свойство объекта, определяемое его конструкцией, а термин восстанавливаемыйхарактеризует возможность и целесообразность восстановления работоспособности и исправности объекта в конкретной ситуации при эксплуатации. Объект может быть ремонтируемым, но не восстанавливаемым. Например, многие контрольно-измерительные приборы и элементы автоматики по своей конструкции являются объектами ремонтируемыми, но в условиях судна, как правило, не подлежат ремонту, т. е. восстановлению работоспособности после отказа, и поэтому рассматриваются как невосстанавливаемые. В тоже время имеется немало объектов, которые однозначно можно отнести либо к восстанавливаемым и ремонтируемым, либо к невосстанавливаемым и неремонтируемым. Большинство судовых механизмов: двигатели, насосы, сепараторы и т. д. - являются объектами ремонтируемыми и восстанавливаемыми, а такие изделия, как электрические лампы, шарикоподшипники и т. п. - неремонтируемыми и невосстанавливаемыми. Деление объектов на ремонтируемые и неремонтируемые является определяющим при выборе показателей для оценки их надежности.

Совокупность свойств, обусловливающая пригодность продукции, объекта для удовлетворения определенных потребностей в соответствии с их назначением, называется качеством. Надежность является одним из составляющих свойств качества объекта. В свою очередь, надежность можно рассматривать как сложное свойство, включающее в себя несколько частных свойств, в том числе безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость.

Безотказность является основным составляющим свойством надежности, так как именно она обеспечивает выполнение объектом своих функций. Этим свойством объект может обладать в период его использования (работы) и в период ожидания, хранения, транспортирования.

Для восстанавливаемых объектов одним из основных свойств является ремонтопригодность, которая может быть качественно оценена следующими характеристиками:

-возможность быстрого доступа к месту повреждения;

-доступность деталей и узлов для осмотра и ремонта;

-наличие средств для определения места и причины отказа, повреждения (сигнализация о неисправности, контрольные точки замеров, маркировка, возможность деления узлов, схем на участки и т. д.);

-простота монтажа;

-возможность и удобство регулировки отдельных параметров, изменяющихся в процессе эксплуатации;

-возможность ремонта и обслуживания с минимальными затратами времени, дефицитных материалов, моющих средств и т. д.

-Все указанные выше характеристики ремонтопригодности могут быть оценены количественно затратами времени и трудоемкостью работ по отысканию и устранению отказов (повреждений), по проведению ТО и ремонта.

Надежность - это свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей (параметров) в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, ТО, ремонта, хранения и транспортирования. Надежность - комплексное свойство, которое в зависимости от назначения, конструктивных особенностей и условий эксплуатации может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость в отдельности, либо определенные сочетания этих свойств как для объекта в целом, так и для его частей. Так, для неремонтируемых объектов надежность включает безотказность, долговечность и сохраняемость, а для объектов восстанавливаемых и ремонтируемых часто определяющим свойством является ремонтопригодность, хотя для них характерно наличие всех четырех составляющих свойств надежности.

Следующая группа понятий, относящихся к надежности, содержит такие события, как повреждение и отказ, которые находятся между собой в таком же соотношении, как исправность и работоспособность. Повреждение может быть существенным (значительным) и являться причиной нарушения работоспособности, т. е. отказа, или несущественным, при котором нарушается исправность объекта, но сохраняется его работоспособность. Некоторые отказы объектов не связаны с их повреждениями. Например, неправильные действия обслуживающего персонала могут привести к несрабатыванию некоторых органов управления установкой, и в результате нарушается ее работоспособность, возникает отказ, хотя никаких повреждений при этом не было.

Необходимо различать отказы изделий, объектов и отказы составных частей (узлов, блоков, деталей). Одно и то же событие - повреждение может являться отказом для составной части и не вызывать отказа объекта в целом.

Качественное определение надежности не позволяет измерить надежность. Между тем для решения практических задач обеспечения и повышения надежности необходимо иметь возможность количественно оценить уровень надежности конкретных объектов. Только количественная оценка надежности позволяет задавать конкретные требования и нормы надежности вновь разрабатываемых изделий; производить расчет надежности при проектировании; сравнивать по надежности различные элементы (объекты) и на этой основе выбирать лучшие, наиболее надежные изделия, проектные и конструкторские решения; рассчитывать сроки службы и ресурсы элементов и определять необходимое количество запасных частей; определять периодичность ТО и планировать ремонт.

Отказ и восстановление - два противоположных случайных события, которые могут быть охарактеризованы соответствующими случайными величинами. В качестве случайных величин можно рассматривать наработку до отказа (между отказами), длительность и трудоемкость восстановления, а также число отказов, возникших за фиксированный промежуток времени.

Наиболее полной характеристикой любой случайной величины является закон распределения, т.е. соотношение, устанавливающее связь между возможными значениями случайной величины и соответствующими им вероятностями. В теории надежности наиболее часто в качестве случайных величин рассматриваются время и количество отказов. Если, например, Т - время безотказной работы объекта, то функцией распределения случайной величины Т называется функция вида:

Q(t) = Р {T< t},

Где: Р {T< t}, вероятность того, что время Т до возникновения данного отказа будет меньше заданного промежутка времени t, т. е. Q(t) - вероятность отказа объекта за время t.

Производная от функции Q(t) называется плотностью вероятности отказа, или плотностью распределения:

f(t) = Q’(t) = dQ / dt.

Показатели безотказности. Пусть под наблюдением находятся п невосстанавливаемых объектов. В процессе работы (эксплуатации) отдельные объекты отказывают, и с течением времени работоспособных объектов становится все меньше. За величину, характеризующую степень надежности объекта в каждый данный момент, принимают отношение числа объектов, отказавших в единицу времени, к числу объектов, работоспособных к данному моменту времени. Этот показатель называется интенсивностью отказовλ (t).

Согласно приведенному определению,

λ (t) = [N(t) – N(t+∆t)] / ∆tN(t),

где: N(t) и N(t+∆t) - количество работоспособных объектов в моменты времени t и t+∆t соответственно.

Для многих невосстанавливаемых объектов по кривой изменения интенсивности отказов во времени можно обозначит три периода: Первый период «жизни» объекта с повышенным уровнем λ (t) называется периодом приработки, так как в это время значительная часть отказов является следствием скрытых дефектов, некачественного монтажа, регулировки. Второй период с относительно постоянным значением λ (t) называется периодом нормальной работы. Третий период - период износа и старения - характеризуется прогрессирующим ростом интенсивности отказа.

Зная форму кривой λ (t) и характер отказов в каждый из указанных периодов, можно принимать активные меры для повышения надежности объекта. Во-первых, необходимо установить такие режимы и длительность испытаний объектов, чтобы сократить количество приработочных отказов и период приработки; во-вторых, рассчитать и организовать профилактическое обслуживание с заменой объектов (элементов) в конце периода нормальной работы, чтобы избежать неожиданных и опасных отказов сложных устройств.

Вероятность безотказной работыР(t) - вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ объекта не возникает:

P (t) = exp [- ∫λ (t) dt];

при λ (t) = λ =const P(t) = e^{- λ t}.

Пользуясь принятой выше схемой функционирования невосстанавливаемого объекта, дадим статистическое определение этому показателю надежности. Вероятность безотказной работы - отношение числа N(t) объектов, исправно проработавших до момента t, к общему количеству п объектов, первоначально поставленных под наблюдение:

P (t) = N(t) / n.

Средняя наработка до отказаТ₁- математическое ожидание наработки объекта до первого отказа.

При экспоненциальном распределении времени до отказа, когда λ = const ,

T₁ = 1 / λ.

Восстанавливаемый объект в течение всего срока службы может отказать много раз. После каждого отказа производится восстановление работоспособности путем замены отказавших элементов, регулировки, ремонта, и объект снова включается в работу. Последовательность отказов восстанавливаемого объекта образует поток отказов, который характеризуется ведущей функцией потока Ω (t), представляющей собой математическое ожидание, т. е. среднее значение количества отказов на момент времени t. При этом время восстановления не учитывается, так как Т_b<T₀. Рассмотрим показатели безотказности восстанавливаемых объектов, пользуясь схемой их функционирования.

Параметр потока отказов ω (t) - среднее количество отказов восстанавливаемого объекта в единицу времени, взятое для рассматриваемого момента времени t:

ω (t) = m(∆t)/N∆t,

где: m(∆t) - количество отказов за промежуток времени ∆t;

N- общее количество объектов под наблюдением.

Для большинства реальных потоков отказов

Ω (t) = ∫ ω (t) dt.

При экспоненциальном распределении наработки между отказами

ω (t)= λ.

Изменение функции ω(t) во времени аналогичен изменению функции λ(t). Имеется явно выраженный период приработки с увеличенным значением ω(t), период нормальной эксплуатации с ω (t)=const, но период износа и старения наступает значительно позднее, чем у λ (t). Это можно объяснить тем, что восстановление работоспособности после отказов часто осуществляется путем замены отказавших элементов на новые, а износовые отказы объекта в целом определяются сроком службы базовых деталей (корпуса, станины).

Наработка на отказ - отношение наработки восстанавливаемого объекта к математическому ожиданию числа его отказов в течение этой наработки:

T₀ = t / M (m).

При экспоненциальном распределении наработки между отказами

T₀ = 1 / ω.

Вероятность безотказной работы Р(t), как показатель надежности, может применяться и для восстанавливаемых объектов. Однако, в этом случае он характеризует безотказность объекта с учетом системы планового ТО либо рассматривается вероятность безотказной работы за период между очередными ТО.

Перечисленные выше показатели безотказности характеризуют абсолютный уровень надежности конкретных объектов.

Наряду с этим для определения наименее надежных элементов сложных объектов, для выделения наиболее часто встречающихся видов отказов применяются показатели относительной безотказности - коэффициенты отказов, которые показывают долю отказов элементов определенного типа в общем потоке отказов объекта (системы, сложного изделия) либо долю отказов определенного вида (характера) в общем количестве отказов объекта:

Выбор номенклатуры показателей надежности и, в частности, безотказности для конкретных объектов производится исходя из их функционального назначения, конструктивного исполнения, последствий отказов. Так, например, для объектов ответственного назначения, отказ которых может вызвать аварию судна или сложных агрегатов, сорвать выполнение задания, как правило, нормируется вероятность безотказной работы за время выполнения задания (рейса, якорной или швартовной операции и т. д.). Для объектов, отказ которых приводит к материальным потерям, нормируется средняя наработка до отказа или наработка на отказ (соответственно для невосстанавливаемых и восстанавливаемых объектов). Для комплектующих элементов основным показателем является интенсивность отказов или параметр потока отказов.

Показатели долговечности.Показатели долговечности могут быть разбиты на две группы - технические ресурсы и сроки службы.

Технический ресурс - наработка объекта от начала эксплуатации или ее возобновления после капитального ремонта до наступления предельного состояния.

Срок службы — календарная продолжительность эксплуатации объекта от начала эксплуатации или ее возобновления после капитального ремонта до наступления предельного состояния. В таблице 3 приведена классификация показателей долговечности в зависимости от метода определения и характера предельного состояния.

Коэффициент готовности – вероятность того, что объект окажется работоспособным в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых использование объекта по назначению не предусмотрено:

k_г = T₀ / (T₀ + ¯T_в).

Коэффициент технического использования – отношение времени пребывания объекта в работоспособном состоянии t_р за некоторый период эксплуатации к сумме времени работоспособного состояния и простоев, обусловленных ТО tто и ремонтами t_в +t_рем за тот же период эксплуатации:

k_ти = t_p / t_p + tв + t_то + t_рем).

Коэффициенты k_г и k_ти применяются для оценки надежности агрегатов, машин, механизмов, устройств и судов в целом. Наряду с ними большое практическое значение имеют такие комплексные показатели, как средняя суммарная стоимость ТО за определенный период эксплуатации; средняя суммарная стоимость ремонтов, а также другие удельные показатели, например трудоемкость или стоимость ТО, приходящаяся на условную единицу наработки (например, 1000 часов), на один цилиндр и т.д.