Надежность технических систем и техногенный риск

Курс лекций и контрольные задания

Предназначено для студентов заочного факультета. Специальность 330500 «Безопасность технологических систем и производств»

Ульяновск 2003г.

Глава 1. Надежность технических систем.

Роль и место надежности технических систем, в общем

Контексте безопасности

Понятие технической системы

Под технической системой(объектом) понимается упорядоченная совокупность отдельных элементов, связанных между собой функционально и взаимодействующих таким образом, чтобы обеспечить выполнение некоторых заданных функций (достижение цели) при различных состояниях работоспособности.

Объектами могут быть различные системы и их элементы, в частности: сооружения, установки, технические изделия, устройства, машины, аппараты, приборы и их части, агрегаты и отдельные детали.

Упорядоченность означает, что относительно окружающей среды система выступает и соответственно воспринимается как нечто функционально единое.

Признаком системы является структурированность, взаимосвязанность составляющих ее частей, подчиненность организации всей системы определенной цели (рис 1.1).

Обязательным компонентом любой системы являются составляющие элементы (подсистемы), само понятие элемента условно и относительно, так как любой элемент, в свою очередь, всегда можно рассматривать как совокупность других элементов.

Поскольку все подсистемы и элементы, из которых состоит система, определенным образом взаиморасположены и взаимосвязаны, образуя данную систему, можно говорить о структуре системы. Структура системы – это то, что остается неизменным в системе при изменении ее состояния, реализации различных форм поведения, совершения системой операций и т. п.

Система самостоятельно выполняет определенные практические задания.

Состояния системы

Рис. 1.1. Схема основных состояний и событий:

1 – повреждение; 2 – отказ; 3 – переход объекта в предельное состояние из-за

неустранимого нарушения требований безопасности, снижения эффективности

эксплуатации, морального старения и др. факторов; 4 – восстановление; 5 – ремонт.

Рис. 1.2. Система охлаждения и очистки отработавшего газа:

1- нагнетательный вентилятор; 2 – сетчатая прокладка; 3 – два циркуляционных насоса предварительной очистки газа; 4 – предварительный газоочиститель; 5 – водяной насос; 6 – два охлаждающих насоса.

Любая система имеет, как правило, иерархическую структуру, т. е. может быть представлена в виде совокупности подсистем разного уровня, расположенных в порядке постепенности. При анализе тех или иных конкретных систем достаточным оказывается выделение некоторого определенного числа ступеней иерархии.

Системы функционируют в пространстве и времени. Процесс функционирования систем представляет собой изменение состояния системы, переход ее из одного состояния в другое. В соответствии с этим системы подразделяются на статические и динамические.

Статическая система — это система с одним возможным состоянием. Динамическая система — система с множеством состояний, в которой с течением времени происходит переход из одного состояния в другое.

С позиций безопасности задачи исследования технических систем заключаются в том, чтобы увидеть, каким образом элементы системы функционируют и системе во взаимодействии с другими ее частями и по каким причинам может произойти отказ, грозящий негативными последствиями для окружающей среды.

Введем единую терминологию, которая подразумевается на рис. 1.1 и которая будет использоваться в дальнейшем в отношении системы:

· Исправное состояние - система соответствует всем требованиям нормативно-технической и конструкторской документации.

· Неисправное состояние - система не соответствует хотя бы одному из требований.

· Работоспособное состояние - значение всех параметров, характеризующих способность системы выполнить заданные функции, находиться в пределах, установленных документацией.

· Неработоспособное состояние - значение какого-либо параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции системы, не соответствует документации.

· Предельное состояние - дальнейшее применение системы по назначению недопустимо или нецелесообразно.

· Дефект - переход системы из исправного состояния в неисправное.

· Повреждение – переход системы из исправного состояния в неисправное, но работоспособное.

· Отказ - переход из исправного состояния или неисправного работоспособного в неисправное неработоспособное.

1.1.2. Классификация отказов:

1. по характеру устранения: окончательные (устойчивые); перемежающиеся (то возникают, то исчезают);

2. по связи с другими отказами: первичные (возникают по любым причинам, кроме действия другого отказа); вторичные (возникают в результате другого отказа);

3. по легкости определения: очевидные (явные), скрытые (неявные);

4. по внешним проявлениям;

5. по характеру возникновения: внезапные, состоящие в резком, практически, мгновенном изменении характеристик объекта; постепенные, происходящие за счет медленного ухудшения качества объекта.

Показатели надежности

Надежность является сложным комплексным свойством, включающим в себя в зависимости от назначения системы (самостоятельного объекта) илиусловий его эксплуатации ряд простых свойств: безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость.

Каждое свойство этого объекта описывается с помощью показателей количественных характеристик свойств.

1. Безотказность- свойство объекта непрерывно сохранять работо-способность в течение некоторой наработки или в течение некоторого времени.

Наработка- это продолжительность или объем работы объекта: измеряется в ед. времени, числом циклов нагружения, километрами пробега и т.д.

Показатели безопасности у невосстанавливаемых объектов:

• вероятность безотказной работы;

• плотность распределения отказов;

• интенсивность отказов;

• средняя наработка до отказа.

2. Долговечность- это свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

Показатели долговечности:

• технический ресурс;

• назначенный ресурс;

• срок службы.

3. Ремонтопригодность- это свойство объекта, заключающееся в его приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений,поддержанию и восстановлению работоспособности путем применения ремонтов и обслуживании.

Показатели ремонтопригодности:

• технологичность при обслуживании;

• ремонтная технологичность.

4. Сохраняемость- это свойство объекта непрерывно сохранять требуемые эксплуатационные показатели в течение срока хранения и транспортирования.

Показатели сохраняемости:

• время хранения;

• время транспортирования;

• время монтажа.

В зависимости от объекта надежность может определяться всеми перечисленными свойствами или частью их. Например, надежность колеса зубчатой передачи и подшипников определяется их долговечностью, а станка - долговечностью, безотказностью и ремонтопригодностью.

Если рассматривать здание или промышленное сооружение, которые включают в себя технологические процессы (объекты), то в этой системе надежность составляющих объектов находится внутри иерархии рис. 1.3., обеспечивающей взаимодействие техногенного объекта с внешней средой при разнообразном ее применении.

1.2. Количественные показатели безотказности и математи-

ческие модели надежности.

1.2.1. Статистические и вероятностные формы

представления показателей безотказности

Вероятностная форма представления показателей удобна при аналитических расчетах, а статистическая - при экспериментальном исследовании надежности.

В дальнейшем для обозначения статистических оценок будем использовать знак ^ сверху.

Примем следующую схему испытаний для оценки надежности. Пусть на испытания поставлено N одинаковых объектов. Условия испытаний одинаковы, а испытания каждого из объектов проводятся до его отказа. Введем следующие обозначения:

Т = {t ,t₁,...,t_N} = {t} - случайная величина наработки объекта до отказа;

N(t) - число объектов, работоспособных к моменту наработки t;