Михайлова Н.А., Нестратов М.Ю., Чураков А.А.
Надежность технических систем и техногенный риск: Учебно-методическое пособие / ВолгГАСУ – Волгоград, 2004. – 84 с.
ISBN
Рассмотрены основные понятия надежности и ее составляющих (безотказности, долговечности, ремонтопригодности, сохраняемости), риска и безопасности технических систем; методы качественного анализа надежности и безопасности простых и сложных систем. Изложены вопросы предотвращения или снижения ущерба от аварийных воздействий природного и техногенного характера расчетным путем на стадии проектирования.
Для студентов специальности ПБ.
Ил. 22 Табл. 25 Библиогр. 11 назв.
УДК 62-192.001.1
ББК
ISBN *********** © Волгоградский государственный
архитектурно строительный
университет, 2004
© Михайлова Н.А., Нестратов М.Ю.,
Чураков А.А., 2004
Оглавление
| ЧАСТЬ I………………………………………………………………………………………. | |
| 1. ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ……………………………………………….……... | |
| 1.1. Основные понятия теории надежности……………………………………………. | |
| 1.2. Показатели надежности неремонтируемых объектов…………………………… | |
| 1.3. Теоретические распределения наработки до отказа……………………………. | |
| 1.3.1. Показательное (экспоненциальное) распределение....................................... | |
| 1.3.2. Усеченное нормальное распределение……………………………………….. | |
| 1.3.3. Распределение Релея…………………………………………………………… | |
| 1.3.4. Гамма-распределение…………………………………………………………… | |
| 1.3.5. Распределение Вейбулла……………………………………………………….... | |
| 1.3.6. Треугольное распределение…………………………………………………....... | |
| 1.3.7. Сумма (суперпозиция) распределений………………………………………… | |
| 1.3.8. О выборе типа теоретического распределения наработки до отказа……… | |
| ГЛАВА 2. МЕТОДЫ РАСЧЕТА НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ………………………………………………………………………………………… | |
| 2.1. Расчеты надежности неремонтируемых систем по последовательно-параллельным логическим схемам………………………………… | |
| 2.1.1. Составление логической схемы для расчета надежности системы……… | |
| 2.1.2. Выбор и уточнение значений показателей надежности элементов……… | |
| 2.1.3. Расчетные формулы…………………………………………………………….... | |
| 2.2. Применение формулы полной вероятности при расчете надежности систем… | |
| 2.3. Переход от логической схемы для расчета надежности к графу состояний системы……………………………………………………………………………………… | |
| 2.4. Логико-вероятностный метод расчета надежности систем…………………… | |
| ГЛАВА 3. ЧРЕЗВЫЧАЙНЫЕ И ЭКСТРЕМАЛЬНЫЕ СИТУАЦИИ, АВАРИИ И КАТАСТРОФЫ………………………………………………………………………………. | |
| 3.1. Понятие о чрезвычайных ситуациях……………………………………………….. | |
| 3.2. Классификация чрезвычайных ситуаций…………………………………………. | |
| 3.3. Причины и профилактика ЧС………………………………………………………. | |
| 3.4. Понятие риска…………………………………………………………………………. | |
| ЧАСТЬ II. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ………………………………………… | |
| Лабораторная работа №1………………………………………………………………… | |
| Лабораторная работа №2…………………………………………………………………. | |
| Лабораторная работа №3…………………………………………………………………. | |
| Лабораторная работа №4…………………………………………………………………. | |
| Лабораторная работа №5…………………………………………………………………. | |
| Лабораторная работа №6…………………………………………………………………. | |
| Библиографический список………...……………………………………………………… |
ЧАСТЬ I
ГЛАВА 1. ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ
Основные понятия теории надежности
Теория надежности изучает процессы возникновения отказов технических объектов и способы борьбы с отказами. Техническими объектами могут быть изделия, системы и их элементы, в частности сооружения, установки, устройства, машины, аппараты, приборы и их части, агрегаты и отдельные детали.
В последние годы область применения теории надежности расширяется, ее методы распространяются также на формализованные алгоритмы целенаправленного применения технических объектов (программы для ПК, планы систем работ) и на действия пользователя ПК как звена системы управления.
Часто в целях общности речь будет идти о системах и единичных рабочих частях систем - элементах. Система предназначена для самостоятельного выполнения определенной практической задачи. Термин элементприменяется для составной части системы. Обычно элемент не предназначается для самостоятельного практического применения вне связи с другими элементами. Примеры элементов: процессор ПК. В принципе систему можно разбить на любое число элементов, необходимое для исследования (расчета) надежности. Однако деление системы на элементы нельзя считать произвольным. Каждый элемент должен обладать способностью выполнять в системе определенные функции. Иногда ставится условие, чтобы элемент был такой частью системы, которая может быть восстановлена только путем полной замены.
Различают два основных состояния объектов: работоспособное и неработоспособное. Состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции, сохраняя значения заданных параметров в пределах, установленных нормативно-технической документацией, называют работоспособным.
Состояние объекта, при котором значение хотя бы одного заданного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям, установленным нормативно-технической документацией, называют неработоспособным.
Отказ – событие, заключающееся в нарушении работоспособности, т. е. в переходе в неработоспособное состояние.
Обычно неработоспособность – состояние, при котором нельзя начинать применение объекта (например, выпускать самолет в воздух). Однако возможны задачи, в которых неработоспособность – состояние, при котором объект не может продолжать выполнять свое назначение. Возможны и другие признаки неработоспособного состояния объекта (например, объект требует среднего или капитального ремонта, производительность объекта стала ниже критической и т. д.). Поэтому при оценке надежности необходимо заранее оговорить, какое состояние объекта считается неработоспособным.
Когда объект предназначен для выполнения нескольких функций, часто находят значения показателей надежности по каждой из функций.
Возможен и другой путь: оценивают свойство объекта выполнять все требуемые от него функции. Отказом считается невыполнение хотя бы одной из функций независимо от того, возникла ли случайная ситуация, в которой требуется выполнение этой функции, или нет.
Опишем еще одну постановку задачи оценки надежности, которая, к сожалению, довольно часто встречается в литературе. В этой задаче при оценке надежности учитывают случайную потребность в выполнении объектом отдельных функций.
Пусть состоящая из п элементов система предназначена для выполнения нескольких k функций. Функционирование такой системы может быть представлено как процесс изменения вектора состояний Z(t) в пространстве состояний [x(t), y(t)], где xi – состояние i-го элемента системы, (i=1, 2, …, n; yj – переменная, характеризующая потребность в выполнении j-й функции, j=l, 2,..., k.
Обычно предполагается, что отдельные координаты вектора Z(t) являются независимыми случайными функциями времени (наработки), принимающими одно из двух возможных значений:
Искомые показатели «надежности» находят как числовые характеристики некоторого функционала от случайного процесса Z(t). Понятие функционала является обобщением понятия функции. Функционал Ф определен на процессе Z(t), если каждой траектории z(t) ставится в соответствие некоторое число T=Ф[z(t)]. В рассматриваемом случае найденные показатели «надежности» характеризуют не техническую систему, а ситуацию по удовлетворению случайного спроса. Поэтому слово «надежность» приведено в кавычках.
Приведенные выше соображения можно пояснить таким простейшим примером. Пусть необходимо везти груз ночью через лес, в котором могут быть грабители. Человек, охраняющий груз, вооружен пистолетом. Очевидно, что значение показателя надежности этого пистолета не должно зависеть от случайной потребности в нем, т. е. от того, нападут грабители или нет.
Виды отказов объектов
Отказы можно классифицировать по различным признакам.
1. По характеру устранения можно различать окончательные (устойчивые) и перемежающиеся (то возникающие, то исчезающие) отказы. Окончательные отказы являются следствием необратимых процессов в деталях и материалах. При окончательных отказах для восстановления работоспособности объекта необходимо производить его ремонт (регулировку). Пример окончательного отказа – отказ компьютера из-за выхода из строя оперативной памяти.
Перемежающиеся отказы в большинстве случаев являются следствием обратимых случайных изменений режимов работы и параметров объектов. При возвращении режима работы в допустимые пределы объект сам, обычно без вмешательства человека, возвращается в работоспособное состояние. Например, совершенно исправный элемент компьютера может перестать реагировать на управляющий сигнал из-за случайного резкого уменьшения напряжения питания. Когда напряжение питания опять станет равным номинальному значению, этот элемент будет продолжать исправно работать (конечно, если в результате колебаний напряжения не произошел окончательный отказ).
Обычно последствия возникновения перемежающихся отказов отличаются от последствий появления окончательных отказов. Например, если из-за низкого напряжения питания нет изображения в телевизоре, то это меньшая неприятность, чем окончательный отказ кинескопа. В ряде случаев перемежающиеся отказы дают более тяжелые последствия, чем окончательные. Перемежающиеся отказы особенно неприятны в информационных системах, где они известны под названием сбоев. Появление сбоя трудно обнаружить, так как после его исчезновения объект остается работоспособным.
Таким образом, перемежающиеся отказы существенно отличаются от окончательных причиной возникновения, внешними проявлениями и последствиями проявления. Поэтому иногда целесообразно различать два показателя надежности: для окончательных отказов и для перемежающихся отказов.
2. По связи с другими отказами можно различать отказы первичные, т. е. возникшие по любым причинам, кроме действия другого отказа, и вторичные, т. е. возникшие в результате другого отказа. Например, из-за пробоя конденсатора может сгореть сопротивление. При вычислении показателей надежности обычно учитываются лишь первичные отказы.
Отказы являются случайными событиями, которые могут быть независимыми или зависимыми. Отказы являются зависимыми, если при появлении одного из них изменяется вероятность появления второго отказа. Для независимых отказов вероятность появления одного из них не зависит от того, произошли другие отказы или нет.
3. По легкости обнаружения отказы могут быть очевидными (явными или скрытыми (неявными).
4. Для каждого определенного типа объектов отказы можно различать по внешним проявлениям. Например, различные отказы конденсаторов можно разбить на две группы: типа обрыв и типа замыкание.
5. По характеру возникновения можно различать отказы внезапные, состоящие в резком, практически мгновенном изменении характеристик объектов, и отказы постепенные, происходящие за счет медленного, постепенного ухудшения качества объектов.
Внезапные отказы обычно проявляются в виде механических повреждений элементов (поломки, трещины, обрывы, пробои изоляции и т. п.), из-за чего эти отказы часто называют грубыми. Внезапные отказы получили свое название из-за того, что обычно отсутствуют видимые признаки их приближения, т. е. перед отказом обычно не удается обнаружить количественные изменения характеристик объекта.
Постепенные отказы (параметрические, плавные) связаны с износом деталей, старением материалов и регулированием устройств. Параметры объекта могут достигать критических значений, при которых его состояние считается неудовлетворительным, т.е. происходит отказ.
Внезапный отказ объекта также является следствием накопления необратимых изменений материалов. Иначе говоря, возникновение внезапного отказа также является следствием случайного процесса изменения какого-то параметра объекта. Внезапным отказ кажется лишь потому, что не контролируется изменяющийся параметр, при критическом значении которого наступает отказ объекта, обычно связанный с его механическим повреждением.
Таким образом, возникновению всякого отказа предшествует накопление тех или иных изменений внутри объекта (при этом, конечно, не рассматриваются отказы, происшедшие из-за небрежности или неумения работников).
Для объектов разного назначения и устройства применяются различные показатели надежности. В настоящее время можно выделить четыре группы объектов, различающиеся показателями и методами оценки надежности:
1) неремонтируемые объекты, применяемые да первого отказа;
2) ремонтируемые объекты, восстановление которых в процессе применения невозможно (невосстанавливаемые объекты);
3) ремонтируемые восстанавливаемые в процессе применения объекты, для которых недопустимы перерывы в работе;
4) ремонтируемые восстанавливаемые в процессе применения объекты, для которых допустимы кратковременные перерывы в работе.
Классификация объектов по показателям и методам оценки надежности приведена на рис.1, где прямоугольниками выделены перечисленные выше группы объектов.
Рис. 1. Группы объектов, различающиеся показателями надежности.