Надёжность - это свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования

Тема 1. Общие понятия

Надёжность - это свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования.

Таким образом, надёжность - это одно из свойств объекта.

При изучении этой темы необходимо безупречно усвоить основные понятия, термины и определения. Все формулировки даны в стандартах.

На рис.1 приведена классификация объектов.

Надёжность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения может включать частные свойства: безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость.

Безотказность: свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки.

Долговечность: свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

Главное в этих двух определениях - требование сохранять работоспособное состояние, но в первом случае (безотказность) - непрерывно, а во втором (долговечность), включая перерывы для выполнения технического обслуживания и ремонта.

Для воздушных судов рассматривать безотказность правомерно только для одного полета.

Ремонтопригодность - свойство объекта, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонта.

Сохраняемость: свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способность объекта выполнять требуемые функции в течение и после хранения и (или) транспортирования.

Для выполнения этого требования разрабатываются системы консервации и упаковки изделия, а также правила транспортирования.

Состояния

Исправное состояние: состояние объекта, при котором он соответствует требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.

Неисправное состояние: состояние объекта, при котором он не соответствует хотя бы одному из требований нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.

Работоспособное состояние: состояние объекта, при котором значения параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.

Неработоспособное состояние: состояние объекта, при котором значение хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.

Предельное состояние: состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна, либо восстановление его работоспособного состояния невозможно, либо нецелесообразно.

События

Событие характеризует переход объекта из исправного состояния в неисправное и из работоспособного в неработоспособное.

Повреждение: событие, заключающееся в нарушении исправного состояния объекта при сохранении работоспособного состояния.

Отказ: событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния. Повреждение и отказ обусловлены появлением дефекта.

Дефект: каждое отдельное несоответствие объекта требованиям нормативно-технической и (или) технической (конструкторской) документации.

Таким образом, появление дефекта (дефектов) неизбежно приводит к повреждению (событию) и переходу объекта в неисправное состояние. Дефект может привести и к отказу (событию), и переходу объекта в неработоспособное состояние. Однако дефект (дефекты) не обязательно приводит к отказу, но к повреждению всегда.

Классификация отказов (рис.2).

По характеру развития отказы делятся на внезапные и постепенные.

Внезапный - отказ, характеризующийся скачкообразным изменением одного или нескольких параметров.

Постепенный - отказ, возникающий в результате постепенного изменения значений одного или нескольких параметров.

Перемежающийся - многократно возникающий самоустраняющийся отказ одного и того же характера.

Зависимый - отказ, обусловленный другими отказами.

Независимый - отказ не обусловлен другими отказами.

Конструктивный - отказ, возникающий по причине, связанной с несовершенством или нарушением установленных правил и (или) норм проектирования и конструирования.

Производственный - отказ, возникающий по причине, связанной с несовершенством и (или) нарушением установленного процесса изготовления или ремонта, выполненного на ремонтном предприятии.

Эксплуатационный - отказ, возникающий по причине, связанной с нарушением установленных правил и (или) условий эксплуатации.

Тема 2. Показатели надежности

Различают единичные и комплексные показатели надежности (рис.3).

Единичный показатель надежности характеризует одно из четырех свойств надежности, комплексный - несколько свойств.

Единичные показатели надежности.

Безотказность

Для количественной характеристики безотказности наиболее часто применяются следующие показатели:

- вероятность безотказной работы;

- средняя наработка до отказа;

- средняя наработка на отказ для восстанавливаемых изделий;

- интенсивность отказов для невосстанавливаемых изделий и параметр потока отказов для восстанавливаемых изделий.

Следует отметить, что этот перечень количественных показателей не является исчерпывающим. Кроме стандартных применяются ведомственные показатели безотказности.

Основные количественные показатели безотказности.

Вероятность безотказной работы Р - вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ объекта не возникает. Противоположное событие - вероятность возникновения отказа будем обозначать Q. Поскольку наверняка отказ либо произойдет, либо нет P+Q=1.

Этот показатель безотказности применяется как для восстанавливаемых, так и для невосстанавливаемых объектов.

При определении вероятности безотказной работы необходимо указывать время или наработку непрерывной работы изделия.

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

Интенсивность отказов - условная плотность вероятности возникновения отказа объекта, определяемая при условии, что до рассматриваемого момента времени отказ не возник.

Показатели безотказности определены как вероятностные характеристики, однако могут быть даны их статистические аналоги.

Таким образом, все эти параметры могут рассматриваться как в статистической, так и в вероятностной трактовке.

При статистической трактовке показатели надежности выражаются в дискретных числах, которые называют оценками. При достаточно большом числе испытаний они принимаются за истинные показатели надежности.

Рассмотрим введенные ранее понятия со статистических позиций.

Пусть для оценки показателей надежности испытывается N изделий, и к моменту времени t отказало n изделий. Наработка до отказа каждого из n изделий составляет .В этом случае при достаточно большом значении N относительное число отказов можно рассматривать как оценку вероятности отказа Q(t) = n/N.

Вероятность безотказной работы оценивается относительным количеством работоспособных Np изделий P(t) = Np/N.

При этом, естественно, P(t) + Q(t) = 1.

Средняя наработка до отказа:

.

Интенсивность отказов в момент времени t есть отношение количества отказов в единицу времени после момента t к числу изделий, которые были исправны в момент времени t

.

Долговечность

Количественно оценивается с помощью двух групп показателей ресурса и срока службы.

Ресурс - суммарная наработка объекта от начала его эксплуатации или ее возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние.

Срок службы - календарная продолжительность эксплуатации от начала эксплуатации объекта или ее возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние.

Каждая из этих групп показателей долговечности имеет ряд количественных характеристик, дающих возможность конкретизировать этапы или характер эксплуатации. Так, стандартом предусмотрены средний ресурс, гамма-процентный ресурс; средний, гамма-процентный срок службы.

Гамма-процентный ресурс (срок службы) - суммарная наработка (календарная продолжительность эксплуатации), в течение которой объект не достигает предельного состояния с заданной вероятностью, выраженной в процентах.

Ремонтопригодность

Количественно характеризуется рядом параметров, наиболее распространенные из них следующие:

- вероятность восстановления;

- среднее время восстановления, т. е. математическое;

- ожидание среднего времени восстановления;

- средняя трудоёмкость восстановления.

Сохраняемость

Количественно оценивается с помощью двух основных показателей:

- гамма-процентный срок сохраняемости - срок сохраняемости, достигаемый

объектом с заданной вероятностью, выраженной, в процентах;

- средний срок сохраняемости.

Тема 3. Математические основы надежности

Отказ - событие случайное. Поэтому математической базой теории надежности является теория вероятностей.

Одним из основных понятий теории вероятностей является событие, которое может быть закономерным или случайным.

Закономерное событие - это событие, которое всегда происходит, как только создаются определенные условия. Закономерное явление - это система закономерных событий.

Случайное событие - это исход какого-либо испытания (опыта, наблюдения), которое может произойти (наступить, осуществиться) или не произойти (не наступить, не осуществиться) в одних и тех же условиях.

Случайные события подчиняются некоторым закономерностям, называемым вероятностными.

В дальнейшем будем рассматривать случайные величины двух типов: дискретные и непрерывные.

Случайная величина называется дискретной, если она может принимать только конечное или счетное множество значений.

Непрерывная случайная величина может принимать любое значение из области ее задания.

Наиболее полной характеристикой случайной величины является закон распределения.

Закон распределения случайной величины есть правило для определения совокупности возможных значений этой величины и вероятностей, с которыми эти значения могут появляться.

Для дискретных случайных величин закон распределения может быть представлен таблицей, графиком, функцией распределения и т. д.

Если известна функция распределения наработки до отказа, то легко определяется средняя наработка до отказа, интенсивность отказов, вероятность безотказной работы и т. д.

Известно большое количество видов законов распределения случайных величин. Однако для оценки надежности большинства объектов авиационной техники можно ограничиться сравнительно небольшим числом законов распределения: биномиальным, Пуассона - для дискретных случайных величин; экспоненциальным, нормальным, Вейбулла и гамма - распределения - для непрерывных случайных величин.

Главное при их изучении четко определить те физические процессы, которые обуславливают вид закона распределения.

Биномиальное распределение даёт возможность определить вероятность заданного числа отказов (событий) k при выполнении n независимых испытаний (например, полётов) при этом вероятность отказа (события) P постоянна:

.

Здесь p+q=1.

При больших значениях n и P<0,01 можно пользоваться распределением Пуассона:

, где a=np.

Физическому смыслу изучаемых явлений и закономерностям всегда следует уделять первостепенное значение. Так, безупречно должен быть усвоен физический смысл функции распределения и плотности распределения случайных величин.

Функцией распределения вероятностей случайной величины называется функция, значение которой равно вероятности того, что случайная величина примет значение меньшее аргумента:

.

Закон распределения является наиболее полной характеристикой случайной величины, если он известен, то о данной величине известно все.

Закон распределения позволяет определить и прогнозировать надёжность изделия как на этапах проектирования, испытания, так и в процессе эксплуатации.

Знание законов распределения дает возможность обоснованно назначать межремонтные и общетехнические ресурсы, определять необходимый резерв запасных частей, разрабатывать стратегию закупки новых объектов, строительства ремонтных предприятий, рассчитывать мощность ремонтной базы и т. д.

Экспоненциальный закон распределения описывает время наработки до отказа в период нормальной эксплуатации. Все дефекты изготовления изделия выявлены, а отказы, обусловленные износом и старением материала, еще не проявляются. Отказы в период нормальной эксплуатации в основном обусловлены стечением неблагоприятных обстоятельств, ошибками в управлении. Все эти факторы не зависят от времени, поэтому интенсивность отказов на этом этапе эксплуатации не изменяется во времени.

Функция распределения вероятностей наработок до отказа:  F(t)=1-e-лt.

Плотность распределения вероятностей наработок до отказа: f(t)=лe-лt.

Вероятность безотказной работы:  P(t)=e-лt.

Средняя наработка до отказа:  T=1/л.

Дисперсия средней наработки до отказа:  у2=1/л2.

Среднеквадратическое отклонение средней наработки до отказа:  у=1/л.

Тема 4. Надёжность и эксплуатация

Надёжность авиационной техники оказывает непосредственное влияние как на безопасность полетов, так и на экономическую эффективность эксплуатации.

Важным обстоятельством является тот факт, что надёжность изменяется в процессе эксплуатации. Изучение закономерностей изменения надежности в процессе эксплуатации является одной из основных задач теории надежности.

Работа эксплуатационных подразделений должна быть направлена на поддержание заданного уровня надежности. Рассмотрим зависимость интенсивности отказов от времени эксплуатации.

Рис.4

Можно выделить три основных периода.

С точки зрения эксплуатационников целесообразно всегда повышать уровень надежности и, в частности, вероятность безотказной работы.

Картина несколько меняется с учетом экономических факторов.

С увеличением надежности изделия затраты на его создание возрастают, в то же время снижаются затраты в процессе эксплуатации (меньше отказов, простоев и т. д.). Поэтому суммарные затраты имеют минимум.

Естественно, что требуемый уровень безопасности полетов должен в любом случае обеспечиваться.

Тема 5. Анализ надежности

Показатели надежности, как правило, определяются по экспериментальным данным. Для их накопления необходимо проводить испытания на надёжность. Специально организованные испытания, проводимые для определения показателей надежности с заданной точностью и достоверностью, получили название определительных испытаний на надежность. Испытания в этом случае проводятся по определенному плану, под которым понимают совокупность правил, устанавливающих объем выборки, порядок проведения испытаний, критерии их завершения и принятия решений по результатам испытаний.

Стандартом предусмотрено пять планов испытаний.

План NVN - под наблюдением находятся N изделий, отказавшие изделия новыми не заменяются V, испытания продолжаются до отказа всех изделий.

План NVr - под наблюдением находятся N изделий, отказавшие изделия новыми не заменяются V, испытания проводятся до появления r отказов.

План NVT - под наблюдением находятся N изделий, отказавшие изделия новыми не заменяются, испытания проводятся в течение времени (наработки) Т.

План NRr - под наблюдением находятся N изделий, отказавшие изделия заменяются новыми или ремонтными R, испытания продолжаются до появления r отказов.

План NRT - под наблюдением находятся N изделий, отказавшие изделия заменяются новыми или ремонтными, испытания продолжаются в течение времени (наработки) T.

Следует отметить, что план испытаний существенно влияет на методику обработки полученной статистической информации.

Определительные испытания на надёжность - длительное и весьма дорогостоящее мероприятие, и организовать его не всегда возможно. Поэтому часто задача решается на основе эксплуатационных испытаний на надёжность - испытаний, проводимых в условиях эксплуатации.

В этом случае организация испытаний сводится к организации специального учета отказов и наработок до отказа.

Основной целью обработки статистической информации об отказах является определение функции распределения вероятностей наработок на отказ, или, как минимум, определение отдельных показателей надежности.

Тема 6. Техногенный риск

Для объектов, которые являются потенциальными источниками опасности, важным понятием является безопасность. Безопасность – свойство объекта при изготовлении и эксплуатации и в случае нарушения работоспособного состояния не создавать угрозу для жизни и здоровья людей, а также для окружающей среды.

В этом определении понятия эксплуатация включает в себя помимо применения по назначению, техническое обслуживание, ремонт, хранение и транспортирование.

Создание крупных инженерных систем, повышение мощностей, сосредоточенных в единице оборудования делает проблему безопасности все более актуальной не только в авиации, на транспорте, но и во многих других областях человеческой деятельности.

Особенно важен учет факторов риска для объектов с большими сроками службы. Продолжительная эксплуатация оказывает прямое влияние на факторы риска: с одной стороны, аварийные нагрузки и воздействия являются функцией времени, с другой, выработка ресурса, которая сопровождается износом  и старением, снижает сопротивляемость по отношению к аварийным нагрузкам и воздействиям.

Кроме того, требования безопасности часто ограничивают как ресурс, так и срок службы. Это происходит, когда уровень безопасности достигает минимально допустимого значения до наступления предельного состояния.

При оценке остаточного ресурса часто основными критериями является обеспечение безопасности.

Таким образом, не только надежность, но и безопасность тесно связаны с проблемой определения ресурса и срока службы.

Методы, применяемые для оценки показателей безопасности, во  многом совпадают с методами оценки показателей надежности.

Основное различие состоит в том, что катастрофические ситуации весьма редко встречаются, а нормативные показатели безопасности должны быть весьма близкими к единице. Под катастрофическими будем понимать ситуации, создающие опасность жизни и здоровью людей.

Поэтому при анализе катастрофических ситуаций широко используются математические модели редких событий.

Можно выделить несколько групп причин возникновения аварийных ситуаций:

Редкие стихийные события, которые не предусмотрены в условиях нормальной эксплуатации. К таким событиям относятся землетрясения, активная грозовая деятельность, ураганы, штормы и т. д. Неблагоприятные и крайне редкие сочетания природных и эксплуатационных факторов. Примером может служить сочетание сильных волновых и ветровых нагрузок и отказ электроснабжения на морских судах, отказ двигателя воздушного судна при заходе на посадку в сложных метеорологических условиях. Грубые ошибки при проектировании, изготовлении и эксплуатации. Действия как преднамеренные, так и непреднамеренные людей, которые не имеют отношение к данному объекту.

Статистика свидетельствует, что большая часть аварийных и катастрофических ситуаций относится к третьей группе.

Для назначения показателей безопасности и риска используются самые различные подходы.

Часто принимают показатель добровольно принимаемого риска. Например, риск курильщика. Зарубежные исследователи широко используют аргументы, основанные на понятии индивидуального риска. Наряду с этим используют концепции «платы за прогресс».

Наряду с увеличением продолжительности жизни, вычисляют математическое ожидание, ее сокращение из-за использования определенного класса технических объектов. Сокращение средней продолжительности жизни оказывается равным нескольким минутам или секундам.