Классификация и характеристики отказов

Лекционный комплекс по дисциплине

«ДИАГНОСТИКА И НАДЕЖНОСТЬ СИСТЕМ управления»

специальность - «Автоматизация и управление»

Введение

Характерной особенностью современного развития техники является широкое внедрение методов и средств автоматизации, повсеместным переходом на автоматизированное и автоматическое управление различными производственными и технологическими процессами, создание гибких автоматизированных производственных модулей, систем, комплексов и т.п. В условиях современной экономики автоматизация является одним из основных направлений технического прогресса. И, конечно, улучшение эффективности и качества проектируемых АСУ, САУ, ГПМ, ГПС и т.д. невозможно без повышения надежности этих систем, и, в первую очередь, технических и программных средств контроля и управления.

Необходимо отметить, что в современных условиях развития техники для любых технических систем (ТС), в т.ч. и систем автоматизации особо возрастает значение такого показателя как надежность. Это объясняется увеличением сложности ТС, повышением требований к их эксплуатационным характеристикам и ответственности задач, которые на них возлагаются. Недостаточная надежность ТС может привести к значительным потерям от нарушения их функциональности, простоям производства, потерям информации, вплоть до серьезных аварий, с соответствующими производственными, экологическими и др. последствиями. Кроме того, отказы ТС приводят к увеличению эксплуатационных затрат (ремонты, замена оборудования), при этом стоимость эксплуатации ТС может во много раз превзойти стоимость их разработки и изготовления.

Важную роль в повышении надежности технических систем играет своевременная диагностика их функционирования в целях предупреждения различного рода отказов и аварийных режимов. Оценка состояния технической системы и ее надежности приобретает все более важное значение в связи с требованиями безопасности, безотказности и долговечности для современного сложного и дорогостоящего оборудования.

Теория надежности и техническая диагностика, сравнительно молодые научно-технические дисциплины, формирование которых в современном виде относится ко второй половине ХХ столетия.

Первые шаги в области исследований надежности были связаны со сбором статистических данных о надежности радиоэлементов, а все усилия специалистов были направлены на определение причин ненадежности. Следующими шагами стали: развитие методов оценки физической надежности (физики отказов) и развитие математических основ теории надежности, явившихся обязательным атрибутом разработки и проектирования сложных и ответственных технических систем. В этом ракурсе под теорией надежности понимают научную дисциплину, которая изучает закономерности сохранения во времени техническими системами свойства выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях эксплуатации, технического обслуживания, ремонтов и транспортирования.

Основные вопросы, которые изучает теория надежности - отказы технических элементов (средств, систем); критерии и количественные характеристики надежности; методы анализа и повышения надежности элементов и систем на этапах проектирования, изготовления и эксплуатации; методы испытания технических средств на надежность: методы оценки эффективности повышения надежности.

Техническая диагностика – научно-техническая дисциплина о распознавании состояния технической системы, включающая широкий круг проблем, связанных с получением и оценкой различной диагностической информации. При этом изучаются методы получения и оценки информации, диагностические модели и алгоритмы принятия решений. Цель диагностики - является повышение надежности и ресурса технических систем.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ХАРАКТЕРИСТИКИ

И СОСТАВЛЯЮЩИЕ НАДЕЖНОСТИ

Особенностью теории надежности, как относительно молодой научно-технической дисциплины является достаточная степень унификации терминологии и основных подходов к расчету показателей, которые формализованы в государственных стандартах. Это объясняется практической важностью теории надежности в современных условиях развития промышленности и необходимостью унифицировать показатели надежности изделий в различных областях техники. Таким образом, теория надежности опирается на совокупность различных понятий, определений, терминов и показателей, которые строго регламентируются в государственных стандартах (ГОСТ). Все термины и определения даются применительно к техническим объектам различного целевого назначения, рассматриваемым в периоды проектирования, производства, эксплуатации и испытании на надежность.

Основные понятия

Надежность – свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени и в заданных пределах значения установленных эксплуатационных показателей.

Объект– техническое изделие определенного целевого назначения, надежность которого рассматривается в периоды проектирования, производства, испытаний и эксплуатации.

Объектами могут быть различные технические системы и их элементы.

Элемент – простейшая составная часть изделия, в задачах надежности может состоять из многих деталей.

Система – совокупность совместно действующих элементов, предназначенная для самостоятельного выполнения заданных функций.

Понятия элемента и системы трансформируются в зависимости от поставленной задачи. Так, измерительный канал, при определении его собственной надежности рассматривается как система, состоящая из отдельных элементов – первичный датчик (например, термометр сопротивления - ТС), первичный преобразователь (как правило, мостовая схема для ТС), блок питания, блок формирования выходного сигнала (4 – 20 ma) и т.п. При изучении же надежности системы автоматизации в целом – этот измерительный канал рассматривается как отдельный элемент.

Следует отметить, что в реальных сложных технических системах принято выделять основные элементы, обеспечивающие выполнение заданных функций и вспомогательные, связанные, с удобством эксплуатации, внешним видом и т.д.

Вспомогательные элементы не связаны непосредственно с выполнением заданных функций системы и могут не влиять на показатели надежности. Поэтому при построении логической структуры технической системы (ТС), предназначенной для исследования надежности, для упрощения расчетов имеет смысл принимать во внимание только основные элементы.

Надежность объекта характеризуется следующими основными состояниями и событиями.

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

Работоспособность– состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции, сохраняя значения только основных показателей, установленных НТД. К ним относятся те, которые определяют функционирование объекта при выполнении поставленных задач.

Работоспособность более узкое понятии чем исправность. Работоспособный объект обязан удовлетворять лишь тем требования НТД, выполнение которых обеспечивает приемлемое применение объекта по назначению. Таким образом, если объект неработоспособен, то это свидетельствует о его неисправности. С другой стороны, если объект неисправен, то это не означает, что он неработоспособен.

Предельное состояние– состояние объекта, при котором его применение (использование) по назначению недопустимо или нецелесообразно.

Применение объекта по назначению прекращается при:

· неустранимом нарушении безопасности;

· неустранимом отклонении эксплуатационных показателей от заданных значений;

· недопустимом увеличении эксплуатационных расходов.

Для некоторых объектов предельное состояние является последним в его функционировании, т.е. объект снимается с эксплуатации, для других – определенной фазой в эксплуатационном графике, требующей проведения ремонтно-восстановительных работ.

В связи с этим, объекты могут быть:

· невосстанавливаемые, для которых работоспособность в случае возникновения отказа, не подлежит восстановлению;

· восстанавливаемые, работоспособность которых, может быть восстановлена, в том числе и путем замены.

К числу невосстанавливаемых объектов можно отнести, например: полупроводниковые изделия, подшипники качения и т.п. Объекты, состоящие из многих элементов, например, электронная аппаратура, автомобиль, система автоматизации являются восстанавливаемыми, поскольку их отказы обычно связаны с повреждениями одного или нескольких элементов, которые могут быть заменены.

В ряде случаев один и тот же объект в зависимости от особенностей, этапов эксплуатации или назначения может считаться восстанавливаемым или невосстанавливаемым.

Отказ– событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта. Критерий отказа – отличительный признак или совокупность признаков, согласно которым устанавливается факт возникновения отказа. Не каждое прекращение функционирования объекта должно считаться отказом, это может быть просто «сбой» или «повреждение», т.е. событие, заключающееся в переходе системы из исправного в неисправное (но работоспособное) состояние. Поэтому очень важно определить критерии отказов.

Схема основных состояний и событий, характерных для восстанавливаемых систем, приведена на рис. 1.1. Следует отметить, что после попадания в предельное состояние может следовать капитальный ремонт, в результате чего восстанавливается исправное состояние, или же система окончательно прекращает использоваться по назначению

Прекращение использования

Рисунок 1.1. Схема основных состояний и событий восстанавливаемой системы.

Классификация и характеристики отказов

По типу отказы подразделяются на:

· отказы функционирования (выполнение основных функций объектом прекращается, например, отказ одного из датчиков, поломка зубьев шестерни);

· отказы параметрические (некоторые параметры объекта изменяются в недопустимых пределах, например, потеря точности измерения).

По своей природе отказы могут быть:

· случайные, обусловленные непредусмотренными перегрузками, дефектами материала, ошибками персонала или сбоями системы управления и т.п.;

· систематические, обусловленные закономерными и неизбежными явлениями, вызывающими постепенное накопление повреждений: усталость, износ, старение, коррозия и т. п.

При этом, необходимо отметить, что в целом отказы носят вероятностный характер (в конкретный момент времени может произойти или не произойти). Поэтому в теории надежности широко применяются методы теории вероятностей и математической статистики.

Основные признаки классификации отказов:

· характер возникновения;

· причина возникновения;

· характер устранения;

· последствия отказов;

· дальнейшее использование объекта;

· легкость обнаружения;

· время возникновения.

Характеристика классификационных признаков отказов приведена в таблице:

Характер возникновения:	· внезапный отказ – отказ, проявляющийся в резком (мгновенном) изменении характеристик объекта;
· постепенный отказ – отказ, происходящий в результате медленного, постепенного ухудшения качества объекта.
Причина возникновения:	· конструкционный отказ, вызванный недостатками и неудачной конструкцией объекта;
· производственный отказ, связанный с ошибками при изготовлении объекта по причине несовершенства или нарушения технологии;
· эксплуатационный отказ, вызванный нарушением правил эксплуатации.
Характер устранения:	· устойчивый отказ;
· перемежающийся отказ (возникающий/исчезающий); последствия отказа: легкий отказ (легкоустранимый);
· средний отказ (не вызывающий отказы смежных узлов - вторичные отказы);
· тяжелый отказ (вызывающий вторичные отказы или приводящий к угрозе жизни и здоровью человека).
Дальнейшее использование объекта:	· полные отказы, исключающие возможность работы объекта до их устранения;
· частичные отказы, при которых объект может частично использоваться.
Легкость обнаружения:	· очевидные (явные) отказы;
· скрытые (неявные) отказы.
Время возникновения:	· приработочные отказы, возникающие в начальный период эксплуатации;
· отказы при нормальной эксплуатации;
· износовые отказы, вызванные необратимыми процессами износа деталей, старения материалов и пр.

Внезапные отказы обычно проявляются в виде механических повреждений элементов (трещины – хрупкое разрушение, пробои изоляции, обрывы и т. п.) и не сопровождаются предварительными видимыми признаками их приближения. Внезапный отказ характеризуется независимостью момента наступления от времени предыдущей работы.

Постепенные отказы - связаны с износом деталей и старением материалов, например, изоляции проводов.