Животкевич И.Н., Смирнов А.П. Надежность технических изделий - файл n1.doc

Животкевич И.Н., Смирнов А.П. Надежность технических изделий
скачать (1198.9 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc3994kb.15.05.2011 21:14скачать

n1.doc

1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   23

3.3. Расчет показателей ремонтопригодности
Расчетные работы по оценке показателей ремонтопригодности являются основным видом работ, по результатам которых можно сделать заключение о соответствии полученных показателей требуемым значениям и в случае несоответствия принять необходимые меры по улучшению этого свойства.
Расчет показателей ремонтопригодности изделия производится в процессе разработки, начиная с этапа эскизного проекта. До выполнения расчета должны быть определены принципиальные конструктивные решения по составу изделия, определены компоновки изделия и составных частей, определен предварительный перечень составных частей и блоков, которые могут быть заменены в эксплуатации в случае их отказа, и определен порядок контроля технического состояния и объем технического обслуживания изделия и запасных частей.
Уточнение показателей ремонтопригодности производится на всех этапах разработки, включая и экспериментальную проверку. Следует отметить, что в процессе разработки изделия проводятся работы по обеспечению и оценке показателей ремонтопригодности в основном для текущего ремонта, который может быть выполнен потребителем самостоятельно с использованием одиночного и группового комплекта запасных частей, поставляемых совместно с изделиями.
Среднее время восстановления работоспособности изделия определяется по формуле
(102)
где - интенсивность отказов i-ой составной части или блока, замена которых возможна в эксплуатации в случае их отказа;
- время, которое необходимо на выполнение работ по восстановлению работоспособности изделия в случае отказа i-ой составной части или блока;
N - количество составных частей или блоков, которые могут быть заменены в эксплуатации в случае их отказа.
При выполнении расчетов в формуле (102) используется приведенное значение интенсивности отказов, определяемое по следующей зависимости:
(103)
где - интенсивности отказов i-ой составной части при хранении и работе соответственно;
- длительность хранения изделия в течение времени между плановым техническим обслуживанием и контролем;
- время работы бортовых систем за промежуток времени между плановым техническим обслуживанием и контролем;
- установленное время (периодичность) проведения технического обслуживания изделия, при этом .
Величина времени в (102) определяется по формуле
(104)
где, - затраты времени на подготовку изделия к ремонту;
- затраты времени на выполнение работ, обеспечивающих доступ к отказавшей составной части или подсистеме;
- затраты времени на снятие отказавшего блока;
- затраты времени на установку исправного блока взамен отказавшего;
- затраты времени на приведение изделия в состояние готовности к проведению контроля технического состояния после ремонта;
- затраты времени на проведение контроля после ремонта;
- затраты времени на приведение изделия в необходимое состояние после текущего ремонта.
Величина времени и зависит от вида технического состояния изделия, в котором оно находилось, когда произошел отказ, и определяется временем на выполнение, в случае необходимости, таких операций, как, расконсервация и консервация изделия. При задании требований по ремонтопригодности и оценке этих показателей по некоторым типам изделий значения времен и не учитываются, так как их значения используются при формировании и оценке показателей эксплуатационной технологичности изделий. Исключение этих времен позволяет оценить более качественно собственно конструкцию изделия, что особенно важно на этапе проектирования.
При выполнении расчетов значение времени на выполнение операций определяется с использованием данных по конструкциям изделий - аналогов по формуле
, (105)
где - время, затрачиваемое на выполнение аналогичных операций по изделию - аналогу;
Ka - коэффициент, учитывающий степень соответствия проектируемого изделия и изделия - аналога.
Некоторые временные параметры определяются и предварительным расчетом. Например, определен принцип крепления какой-то составной части (крепится к корпусу четырьмя винтами и стыкуется с другими блоками четырьмя разъемами), то в этом случае можно по изделию - аналогу определить необходимое время на снятие крепежа, на отстыковку разъемов, на снятие или установку блока. Аналогично определяются и другие временные параметры как по подготовке изделия к ремонту, так и по его проведению. По мере уточнения конструкторской документации временные параметры уточняются, а окончательная их проверка производится по результатам испытаний.
По всем составным частям современных изделий в части ремонтопригодности предъявляются требования по обеспечению их взаимозаменяемости как по посадочным местам и габаритам, так и по электрическим сигналам и связям без проведения каких - либо регулировок или настройки после замены.
Средняя трудоемкость восстановления работоспособности изделия при проведении текущего ремонта определяется по формуле
, (106)
где - количество человек, занятых при выполнении ремонта на соответствующей операции.
Другие обозначения, приведенные в формуле (106), соответствуют обозначениям, принятым в (102) и в (104).
Влияние показателей безотказности и затрат времени на восстановление на показатели ремонтопригодности рассмотрим на следующем примере 6.
Пример 6. В объекте можно заменять в эксплуатации 4 блока, которые имеют следующие значения интенсивностей отказов: = 0,00002 1/час, = 0,00008 1/час, = 0,00003 1/час, = 0,00004 1/час. Затраты времени при выполнении ремонта по операциям и количество занятого персонала при этих работах приведены в таблице 7.
По результатам расчета получим, что для данного объекта среднее время восстановления составит T=4,72 часа, а средняя трудоемкость восстановления равна T=9,72 чел/часа. Предположим, что принятыми мерами удалось увеличить надежность блока 2 в 2 раза, его интенсивность отказов стала равна = 0,00004 1/час. В этом случае среднее время восстановления объекта будет равно T = 4,45 часа. То есть повышение безотказности одного из блоков в 2 раза привело к уменьшению среднего времени восстановления в 1,06 раза и незначительно изменило значение показателя ремонтопригодности.
Из рассмотрения исходных данных по таблице 7 видно, что на работы, связанные с ремонтом по блоку 2, требуются наибольшие затраты времени и этот блок имеет самую низкую надежность. Предположим, что конструктивно удалось поменять местами расположение блоков 1 и 2 в компоновке объекта без изменения их надежности. Возможные схемы размещения блоков показаны на рисунке 7. Для этой измененной компоновки (схема б, на рис. 7) среднее время восстановления будет иметь значение T =3,72 часа. Пример показывает, что изменение схемы размещения блоков в объекте позволило снизить среднее время восстановления в 1,27 раза и соответственно уменьшить трудоемкость восстановления.


1

3

2

4


а) исходная схема


2

3

1

4


б) после изменения размещения блоков 1 и 2.

Рис.7. Схемы размещения блоков в объекте
Данный пример показывает, что для повышения показателей ремонтопригодности изделий в первую очередь необходимо принимать меры по сокращению затрат времени на операции, выполняемые при ремонте и восстановлении работоспособности. Для этого применяются соответствующие конструктивные и компоновочные решения, обеспечивается механическая и электрическая взаимозаменяемость деталей, элементов, блоков и составных частей.
Исходные данные для расчета показателей ремонтопригодности

Таблица 7


Наименование операций

Время выполнения операций

по блокам, час

Количество

специалистов




1

2

3

4




Подготовка к ремонту, t

0,5

0,5

0,5

0,5

3

Обеспечение доступа к отказавшему блоку, t

0,2

0,5

0,5

0,8

1

Снятие отказавшего блока, t

0,2

0,3

0,4

0,5

1

Установка исправного блока, t

0,2

0,3

0,4

0,5

1

Приведение изделия в состояние готовности к контролю, t

0,2

0,5

0,5

0,8

2

Контроль состояния изделия, t

0,5

0,5

0,5

0,5

3

Приведение изделия в необходимое состояние, t

1

1

1

1

3

Время ремонта, ti

2,8

5,6

3,8

4,6

-


Применяемые для изделий показатели ремонтопригодности характеризуют степень приспособленности конструкции к восстановлению работоспособного состояния. Количественные значения показателей ремонтопригодности, в части необходимого времени на выполнение соответствующих операций, зависят как от конструктивного исполнения изделия и его компоновки, так и от показателей безотказности.
По своему содержанию показатели ремонтопригодности являются одним из видов комплексных показателей, так как зависят от ряда свойств изделий, таких как безотказность, контролепригодность, технологичность, от конструктивного исполнения как изделия, так и оборудования для его обслуживания, а также навыков персонала, проводящего работы по восстановлению работоспособности.
3.4. Расчет комплексных показателей надежности

Комплексные показатели надежности изделий определяются для периода эксплуатации, ограниченного назначенным сроком службы, который установлен заказчиком в ТТЗ на разработку изделия. С целью поддержания готовности изделий на требуемом уровне, в том числе и для поддержания надежности, на изделиях через определенные периоды времени проводятся регламентные работы. Регламентные работы включают в себя проведение контроля технического состояния изделий и выполнение, в случае необходимости, текущего ремонта. Для количественной характеристики состояния надежности изделий в эксплуатации применяются комплексные показатели надежности. При расчетах, в зависимости от условий эксплуатации изделий, определяемых индивидуальными особенностями каждого изделия, могут применяться различные математические зависимости.
3.4.1. Расчет коэффициента готовности с учетом характеристик контролепригодности
Для выполнения расчетных работ по оценке комплексных показателей надежности на стадии проектирования ТИ составные части подразделяются на контролируемые и неконтролируемые. Под контролируемой составной частью понимается составная часть, по которой с помощью установленных средств контроля можно определить ее работоспособность и, в случае необходимости, принять необходимые меры по восстановлению работоспособности.
Для количественной оценки степени охвата контролем составной части и изделия применяется соответствующий показатель - коэффициент полноты контроля. Под термином коэффициент полноты контроля в дальнейшем понимается отношение, определяемое по формуле
, (107)
где - интенсивность отказов по контролируемой части системы или изделия,
- суммарная интенсивность отказов контролируемой системы или изделия.
Значение коэффициента полноты контроля для большинства изделий меньше или равно 1. Это обусловлено тем, что по контролируемым в эксплуатации составным частям не всегда представляется разумным доводить коэффициент полноты контроля до значений, близких или равных единице. Практически во всех составных частях, подвергаемых контролю, имеются какие-то элементы, детали или узлы, контроль технического состояния которых в эксплуатации не проводится.
По результатам контроля технического состояния могут произойти следующие события, которые образуют полную группу событий:
- событие А - изделие исправно и признано исправным средствами контроля,
- событие А - изделие исправно, но забраковано средствами контроля,
- событие А - изделие неисправно, но признано исправным средствами контроля,
- событие А - изделие неисправно и забраковано средствами контроля.
При проведении расчета коэффициента готовности изделия основное внимание уделяется значению вероятности свершения события А, так как при свершении событий А или А или с изделием, или со средствами контроля будет выполнена необходимая работа по восстановлению их работоспособности и после выполнения этих работ вероятность безотказной работы или вероятность невозникновения отказа изделия будет иметь значение P. При возникновении события А вероятность безотказной работы изделия равна P=1 по контролируемой части бортовых систем.
Вероятность возникновения события А определяется по следующей формуле:
(108)
где q - вероятность отказа изделия,
- вероятность пропуска отказа средствами контроля.
Вероятность пропуска отказа средствами контроля определяется методами, приведенными в [28] и другой литературе, и составляет значение = 0,05-0,01.
С учетом (108) вероятность невозникновения отказа в изделии или в составной части, признанной исправной по результатам контроля, равна
(109)
С учетом положений, приведенных выше, значение коэффициента готовности изделий определяется по следующей формуле:
(110)
где - верхнее значение , при ,
- нижнее значение , при ,
t - текущее время эксплуатации,
T - назначенный срок службы изделия,
- продолжительность межрегламентного периода.
Значение коэффициента готовности определяет верхнее значение коэффициента готовности изделия, признанного исправным после контроля его технического состояния в произвольный момент времени в течение срока службы T, и определяется по формуле
, (111)
где P - вероятность невозникновения отказа в течение времени t < T по неконтролируемым в эксплуатации составным частям изделия;
P - вероятность невозникновения отказа в течение времени t < T по неконтролируемой части, проверяемых в эксплуатации составных частей;
P - вероятность отсутствия отказа в контролируемой части изделия, признанного исправным средствами контроля.
Значение определяет нижнее значение коэффициента готовности изделия в промежутке времени между очередными проверками технического состояния в зависимости от срока службы T и определяется по формуле
(112)
где P - вероятность невозникновения отказа в течение времени между очередными проверками изделия (межрегламентного периода) по контролируемой части, проверяемых в эксплуатации составных частей изделия.
Значение величины P в (111) определяется по формуле (94) или (95).
Вероятность P в (111) определяется по формуле
, (113)
где t - текущее значение времени эксплуатации изделия в течение срока службы;
, - интенсивности отказа при хранении и работе соответственно;
- величина межрегламентного периода, принятая при расчете;
- значение коэффициента полноты контроля;
- время работы составных частей при выполнении проверок или работы по назначению.
Вероятность P в (112) определяется по формуле
, (114)
Вероятность P в (111) определяется по формуле
(115)
Типовой график изменения коэффициента готовности в течение срока службы, построенный по зависимости (110), показан на рис. 8.


Рис. 8. Изменение коэффициента готовности в течение срока службы
Приведенное на рис. 8 изменение коэффициента готовности рассчитано при следующих исходных данных: = 0,000022 1/час; = 0,01 1/час; tр = 0,5 час; = 2 года; = 0,95; = 0,05; T = 10 лет.
Как видно из рисунка 8 верхнее значение коэффициента готовности представляет непрерывную по времени функцию, а нижнее значение коэффициента готовности представляет кусочно-непрерывную функцию в течение срока службы T и непрерывную функцию в течение межрегламентного периода, включая время на проведение контроля. После проведения контроля значение коэффициента готовности существенно увеличивается.
По физическому содержанию выполнение периодического контроля технического состояния изделий не повышает их надежность. Но процесс контроля разделяет изделия с точки зрения их надежности на разные генеральные совокупности (группы), которые имеют разные генеральные характеристики по вероятности невозникновения отказа:
Группа 1 - изделия, признанные исправными, и по этой группе результаты контроля показали, что в действительности вероятность невозникновения отказа этих изделий имеет значение не менее верхнего значения коэффициента готовности ;
Группа 2 - изделия, признанные неисправными, эти изделия будут подвергнуты ремонту и после его выполнения будут иметь вероятность невозникновения отказа не менее верхнего значения коэффициента готовности ;
Группа 3 - изделия исправны, но забракованы средствами контроля, по ним проводится либо контроль другими исправными средствами, либо контроль с более высоким значением коэффициента полноты контроля, и после этого изделия будут переведены в группу 1 или 2.
Верхнее значение коэффициента готовности определяет максимальное значение надежности изделия, которое может быть обеспечено при эксплуатации в течение срока службы с выполнением установленного порядка технического обслуживания и применением разработанных средств и программ контроля.
Нижнее значение коэффициента готовности показывает, какой уровень вероятности невозникновения отказа могут иметь изделия в течение срока службы в промежутки времени между регламентными работами с проведением контроля.
На этапе проектирования, с целью обеспечения в эксплуатации требуемого или необходимого значения коэффициента готовности, определяется соответствующая стратегия технического обслуживания изделий.
При выборе стратегии технического обслуживания определяется необходимый объем для контроля технического состояния изделия, количественной характеристикой которого является значение коэффициента полноты контроля, а также определяется периодичность проведения принятых видов контроля и других работ по техническому обслуживанию.
Расчеты коэффициента готовности по зависимости (110) проводятся для нескольких сформированных расчетных моделей эксплуатации.
3.4.2. Расчет коэффициента готовности с учетом характеристик ремонтопригодности
Для многих изделий значение коэффициента готовности определяется исходя из двух свойств - безотказности и ремонтопригодности.
В этом случае для составления расчетных зависимостей для оценки коэффициента готовности используем моделирование по схеме случайных марковских процессов.
Предположим, что изделие S может находиться в двух состояниях S1 и S2. S1 - изделие находится в исправном работоспособном состоянии, S2 - изделие отказало и находится на восстановлении. Граф состояний этой системы будет иметь следующий вид:


Рис. 9. График состояния системы.
На графе обозначено: - интенсивность отказа изделия, которая характеризует интенсивность перехода изделия из состояния S1 в состояние S2; - интенсивность восстановления изделия, которая характеризует интенсивность перехода изделия из состояния S2 в S1.
Значения определяются по зависимости (103). Значение =1/Tв, где Tв- среднее время восстановления, определяемое по (102).
Составим для рассмотренных состояний изделия предельные уравнения Колмогорова, которые будут иметь следующий вид:
(116)
при нормировочном условии .
Здесь P - вероятность нахождения изделия в состоянии S1; P - вероятность нахождения изделия в состоянии S2.
Решая эту систему уравнений при нормировочном условии, получим следующую зависимость для определения P:
. (117)
P - это вероятность того, что изделие находится в работоспособном состоянии, с учетом возможностей восстановления его работоспособности в случае отказа, т.е. значение коэффициента готовности. При условии, что интенсивность отказов изделия является постоянной величиной = const и =1/To, где To - наработка на отказ, а =1/Tв, где Tв - среднее время восстановления, то, подставляя эти значения в (117), получим часто встречаемую в технической и нормативной документации зависимость для расчета стационарного значения коэффициента готовности
(118)
3.4.3. Расчет коэффициента оперативной готовности
Коэффициент оперативной готовности характеризует надежность изделия, необходимость применения которого возникает в произвольный момент времени, после которого требуется безотказная работа изделия в течение заданного интервала времени. Значение коэффициента оперативной готовности определяется по формуле
(119)
где - коэффициент готовности,
Р - вероятность безотказной работы изделия в течение заданного интервала времени.
Значения коэффициента оперативной готовности используются при выполнении работ по оценке эффективности изделий, а также при оценке расчетных значений надежности по полученным из эксплуатации результатам работы изделий.
3.4.4. Расчет коэффициента сохранения эффективности
Коэффициент сохранения эффективности характеризует степень влияния отказов на эффективность применения изделия по назначению. Для каждого типа изделий содержание понятия эффективности и точный смысл показателя эффективности устанавливаются в техническом задании. В общем виде, значения показателя сохранения эффективности можно определить по следующей зависимости:
(120)
где W(P) - значение показателя эффективности изделия с учетом значений соответствующих показателей надежности (например, при значении вероятности безотказной работы, равной P);
W - значение показателя эффективности изделия без учета характеристик надежности.
Расчет коэффициента сохранения эффективности рассмотрим на следующем примере 8. Предположим, что некоторая энергоустановка производит в нормальном режиме работы W квт/час, эту характеристику примем в качестве показателя эффективности. Выработка энергии в данной энергоустановке производится по трем каналам. При этом, в случае отказа одного канала энергия вырабатывается по двум другим каналам в объеме . В случае отказа каких-либо двух каналов энергия вырабатывается одним каналом в объеме W/3.
С учетом характеристик надежности значение показателя эффективности энергоустановки будет иметь следующий вид:

здесь P, P, P - значения вероятности безотказной работы соответственно для 1-ого, 2-ого и 3-его каналов.
Предположим, что все каналы имеют одинаковую надежность, тогда

В этом случае значение показателя эффективности W(P) с учетом надежности будет равно , а значение коэффициента сохранения эффективности будет равно

При равной надежности каждого из каналов коэффициент сохранения эффективности равен значению вероятности безотказной работы одного канала.
3.4.5. Расчет коэффициента технического использования
Коэффициент технического использования характеризует долю времени нахождения изделия в работоспособном состоянии относительно общей продолжительности эксплуатации.
Общая продолжительность эксплуатации характеризуется назначенным сроком службы T. В течение этого календарного времени изделие может находиться в неработоспособном состоянии в следующих случаях:
изделие отказало и находится на восстановлении в течение среднего времени восстановления Tв;
на изделии проводятся штатные профилактические или регламентные работы в течение времени , которые проводятся с периодичностью .
С учетом этого значение коэффициента технического использования Kти можно определить по следующей зависимости:
, (121)
где m - среднее количество отказов, которое может произойти на изделии в течение назначенного срока службы;
L - количество регламентных работ, которые должны быть проведены на изделии в течение назначенного срока службы
Методика расчета ожидаемого количества отказов m изделия в течение срока службы приведена в разделе 3.6.
При формировании расчетных зависимостей для коэффициента технического использования может быть применено также моделирование по схеме случайных марковских процессов.
3.5. Расчет допустимых значений показателей долговечности

3.5.1. Общие положения
Мерой долговечности является продолжительность эксплуатации изделия до сдачи его в лом вследствие того, что проведение ремонтов невозможно по принципиальным конструктивным соображениям (изделие неремонтопригодное) или вследствие того, что степень износа делает такие ремонты физически невозможными или экономически неоправданными.
Долговечность оценивается ресурсами и сроками службы, уровень которых определяется условиями эксплуатации, принятой системой технического обслуживания, запасами прочности конструкций, заложенными при проектировании, а также соответствием изделий в пределах установленных значений показателей долговечности требованиям по безопасности, экономичности и эффективности.
Показатели долговечности имеют в настоящее время двойное значение. Во-первых, это техническая характеристика изделия, которая характеризует время возможного наступления предельного состояния изделия. Во-вторых, показатели долговечности, как было показано в главе 1, являются юридическими и коммерческими характеристиками, в пределах которых соответствующими законодательными документами определена ответственность изготовителя. Этими двумя обстоятельствами и определяются необходимые подходы при решении задач по оценке показателей долговечности расчетными методами.
Для большинства изделий, как сложных объектов, состоящих из множества разнообразных по принципам работы элементов, блоков, комплектующих изделий, а также различных материалов, применяемых в конструкциях, определение предельного состояния изделия является очень сложной научно-технической проблемой. В связи с чем для изделий, как правило, устанавливаются в качестве показателей долговечности назначенные показатели.
В качестве показателей долговечности применяются следующие показатели: назначенный срок службы; назначенный срок хранения в отапливаемом и неотапливаемом хранилищах, под навесом, на открытой площадке; назначенные дальности транспортирования автомобильным, железнодорожным транспортом; назначенный ресурс по наработке и ряд других видов ресурсов, обусловленных особенностями эксплуатации конкретного изделия. Целью установления назначенных показателей является обеспечение принудительного заблаговременного прекращения эксплуатации изделий, исходя из требований безопасности. По истечении назначенных ресурсов по каждому типу изделий проводится оценка их технического состояния и принимается решение о порядке дальнейшей эксплуатации, необходимости проведения соответствующего вида ремонта или списании изделий.
Назначенный ресурс - это совокупность установленных видов назначенных показателей для изделия.
Для всех типов изделий, как правило, устанавливаются несколько показателей долговечности, минимум - два: назначенный срок службы и назначенный ресурс по наработке.
На практике часто возникает следующий вопрос.
Как быть, например, если назначенный ресурс по наработке использован полностью, а назначенный срок службы еще не истек, и наоборот. В данном примере возникло две комбинации, а в случае установления большего количества показателей таких комбинаций может быть бесчисленное множество. В связи с чем необходимо четкое формулирование требований к показателям долговечности.
Обобщенным интегральным показателем долговечности изделий является назначенный срок службы, в течение которого изделие должно сохранять работоспособность в пределах установленного назначенного ресурса по наработке, назначенных сроков хранения, назначенных дальностей и видов транспортирования и т.д. Принятие в качестве интегрального показателя долговечности назначенного срока службы обусловлено тем обстоятельством, что в течение этого срока другие назначенные показатели могут быть сознательно не доведены до своего предельного значения.
Один из возможных методов расчета величины оставшегося ресурса в зависимости от величины использованной доли какого-то определенного вида ресурса приведен в последующих разделах.
Методов расчета показателей долговечности для сложных изделий практически не существует. В настоящее время разработаны методы расчета для отдельных элементов конструкций и простых изделий, например для подшипников [14], [29].
На стадии разработки основным расчетным методом, по которому производится оценка выполнения требуемых значений показателей долговечности изделия, является сопоставление требуемых значений показателей и значений показателей, установленных для материалов, смазок, элементной базы, готовых комплектующих изделий и т.д., применяемых в конструкции. По многим элементам конструкций показатели долговечности оцениваются при проведении прочностных расчетов. Окончательная проверка выполнения требований по долговечности производится по результатам соответствующих испытаний. На стадии разработки возможность выполнения требований по долговечности, а также разработка рекомендаций по установлению количественных значений показателей долговечности может быть произведена расчетом с использованием либо экономического критерия, либо с использованием в качестве критерия ожидаемых значений по коэффициенту готовности.
При определении возможности установления тех или иных значений показателей долговечности используются данные, приведенные в паспортах или технических условиях на применяемые в составе изделия материалы, комплектующие элементы, готовые изделия, а также материалы по эксплуатации изделий-аналогов. Работы проводятся на стадии эскизного проекта. При этом в конструкции изделия предусматриваются необходимые меры, обеспечивающие проведение замен тех или иных деталей, блоков, элементов по истечению их срока службы, а также необходимые меры, обеспечивающие замену смазок, применяемых рабочих жидкостей и некоторых резинотехнических изделий.
3.5.2. Расчет допустимых значений показателей долговечности по критерию безотказности
В связи с тем, что в процессе эксплуатации контролируемые составные части в случае их отказа могут быть восстановлены и при этом, например, возможна полная замена отказавшей составной части новой, в качестве одного из критериев для оценки возможности выполнения требований по долговечности применяется верхнее значение коэффициента готовности . Для количественной оценки возможности выполнения требований по долговечности применим понятие параметра ресурса S, значение которого определим по следующей формуле [30],[31]:
(122)
Требуемое значение величины параметра ресурса Sо определяется по (122) исходя из расчетов коэффициента готовности в соответствии с разделом 3.4, или на основании требований ТТЗ. В этом случае значение параметра где - принятое в качестве критерия верхнее значение коэффициента готовности.
Подставляя в (122) значение , определенное по (111), получим
(123)
где P - вероятность невозникновения отказа в течение времени t < T по неконтролируемым составным частям изделия;
P - вероятность невозникновения отказа в течение времени t < T по неконтролируемой части проверяемых в эксплуатации составных частей изделия;
P - вероятность отсутствия отказа в контролируемой части изделия, признанного исправным средствами контроля.
К неконтролируемым в эксплуатации системам ТИ может быть отнесен целый ряд составных частей и механизмов. Эти системы или механизмы рассчитываются исходя из норм прочности и имеют достаточно высокие значения показателей безотказности P > 0,999999 в течение срока службы.
Вероятность отсутствия отказа в контролируемой части изделия, признанного исправным средствами контроля P, имеет значение P > 0,99999, что обеспечивается соответствующим выбором значений коэффициента полноты контроля, межрегламентного периода, обеспечением средствами контроля необходимой вероятности пропуска отказа. С учетом этого, для выполнения расчетов по формуле (123), значениями (-lnP) и (-lnP) можно пренебречь и текущую величину параметра ресурса S определим по формуле
. (124)
Значение величины P определим по следующей формуле:
(125)
где m - число видов ресурсов;
- коэффициент полноты контроля;
- значения i-ого вида ресурса;
- функция изменения интенсивности отказов при использовании i-го вида ресурса.
При условии =const текущее значение параметра ресурса S c учетом (124) и (125) определим по следующей зависимости:
. (126)
Как правило, условие =const выполняется в пределах ресурсов, установленных для изделий на основе материалов по эксплуатации изделий-аналогов. Следует отметить, что формулы (125), (126) справедливы при условии независимости скоростей расходования ресурса в различных условиях эксплуатации.
При оценках показателей долговечности в формулах (125), (126) используется максимальное значение коэффициента полноты контроля, обеспечиваемое программами контроля для рассматриваемого изделия, то есть предполагается, что для принятия решений о продлении сроков эксплуатации или о проведении ремонта будут использоваться результаты контроля технического состояния изделия, имеющего наибольший охват контролем бортовых систем.
По формуле (126) определяется возможность выполнения требований по долговечности, предъявляемых к изделию. При выполнении расчетов по формуле (126) используются расчетные значения показателей безотказности, полученные методами, приведенными в разделе 3.2. и главе 4. При этом значение каждого i-го вида ресурса принимается равным установленным для изделия значениям . Полученное расчетное текущее значение параметра ресурса S сравнивается с требуемым значением параметра Sо.
Если S < So, то при использовании полностью установленных значений для всех видов ресурсов в течение назначенного срока службы будет выполнено требование по величине коэффициента готовности и имеется возможность увеличения величины какого-либо вида ресурса.
Если S > So, то значение коэффициента готовности в течение установленного назначенного срока службы при полном использовании всех видов ресурсов не обеспечивается. В том случае необходимо принятие соответствующих мер для обеспечения выполнения установленных требований. В качестве мер могут быть приняты: либо увеличение показателей безотказности изделия; либо увеличение полноты контроля изделия при регламентных работах; либо уменьшение значений каких-либо видов ресурсов.
Пример 9. В качестве примера рассмотрим возможность выполнения требований по долговечности для гипотетической составной части изделия, которая должна удовлетворять требованиям по ресурсам , приведенным в таблице 8, и иметь в течение срока службы верхнее значение коэффициента готовности > 0,93. Значения интенсивностей отказов по этому изделию приведены в таблице 8. Предположим, что максимальное значение коэффициента полноты контроля = 0,95. По результатам расчетов по формулам (122) и (126) получим: требуемое значение параметра ресурса So = 0,0725, расчетное значение S=0,403. В результате получилось, что , то есть невозможно обеспечить выполнение требований по ресурсам с обеспечением требований по коэффициенту готовности . Одной из возможных мер по выполнению требований является изменение объема контроля с увеличением коэффициента полноты контроля. Увеличим коэффициент полноты контроля с величины = 0,95 до = 0,99. В этом случае значение параметра ресурса будет равно S = 0,0808, что также не удовлетворяет установленным требованиям по коэффициенту готовности. Для выполнения требований по ресурсам необходимо уменьшение требуемого значения до величины = 0,92. В случае, если необходимо обеспечить требования по коэффициенту готовности, а повышение показателей безотказности невозможно, следует рассмотреть возможность уменьшения требуемых значений по некоторым видам ресурсов.
Например, уменьшим установленные в таблице 8 сроки хранения в отапливаемом хранилище с 8 лет до 7 лет, а в неотапливаемом хранилище - с 5 лет до 4 лет, а также уменьшим требуемый ресурс по наработке в составе изделия с 200 часов до 150 часов. Для этих требований получим значение параметра ресурса S = 0,0708 при = 0,99. Полученное значение S < Sо, то есть при этих ресурсах может быть обеспечено выполнение требований по коэффициенту готовности.
Исходные данные для расчета показателей долговечности
Таблица 8


Вид ресурса

Установленные

значения

Использованные

значения

Интенсивность отказов

Хранение в отапливаемом хранилище

8 лет

3 года

0,00003 1/час

Хранение в неотапливаемом хранилище

5 лет

2 года

0,000036 1/час

Хранение на открытой площадке

3 года

1 год

0,000042 1/час

Авиационная транспортировка (налет)

200 час

150 час

0,003 1/час

Транспортирование по железной дороге

15000 км

2000 км

0,000033 1/км

Транспортирование автотранспортом

2000 км

1000 км

0,0003 1/км

Ресурс по наработке

120 час

60 час

0,005 1/час



3.5.3. Перерасчет значений показателей долговечности по материалам эксплуатации
В связи с тем, что в процессе эксплуатации изделий все виды ресурсов расходуются не полностью, возникает необходимость в оценке возможности увеличения какого-либо вида ресурса за счет неполного использования других видов ресурсов. Решение этой задачи возможно с использованием параметра суммарного ресурса S.
Для этого определяется величина использованной доли параметра суммарного ресурса S на момент расчетов по формуле
, (127)
где - использованная на момент расчета величина i-го вида ресурса.
Если полученное значение S < S, то оставшаяся часть ресурса каждого вида (при условии, что для остальных видов ресурсов =0) определяется по формуле
(128)
Если полученное по (128) значение где, - установленная на момент расчета величина i-ого вида ресурса, то значение пересчитывается с учетом того, что за пределами установленного значения допущение = const не справедливо. В этом случае значение, определяется по формуле
, (129)
где - величина i-го вида ресурса, которая может быть использована сверх установленного значения . Значение определяется путем решения уравнения
(130)
где - функция, определяющая изменение интенсивности отказов в зависимости от величины . Значение определяется по формуле
(131)
Если величина параметра ресурса, определенная по (127), S > S, то дальнейшая эксплуатация изделия возможна при меньшем значении коэффициента готовности по сравнению с установленным, если при этом не будет ограничений по другим характеристикам, главным образом по безопасности.
3.5.4. Расчет допустимых значений показателей долговечности по экономическому критерию
Методические основы для проведения количественной оценки величины срока службы и гарантийных обязательств изготовителя по экономическому критерию заложены в законодательных актах Российской Федерации [15,16]. Исходя из этих требований, указанные характеристики зависят от таких технических свойств изделий, как безотказность, ремонтопригодность, безопасность, эксплуатационная технологичность. Кроме этого, величина гарантийных обязательств и срока службы непосредственно связана с ценой изделия, величиной возможного экономического ущерба для поставщика от эксплуатации изделия и ряд организационных мер по обеспечению обслуживания изделий у потребителей.
На основании действующих нормативных документов затраты изготовителя на гарантийный ремонт и обслуживание, а также на работы по обеспечению долговечности изделий должны включаться в себестоимость продукции. В связи с тем, что реально на продукцию устанавливается рыночная цена Co, то при выполнении расчетных работ по оценке срока службы и величин гарантийных обязательств (одной из основных характеристик которых является гарантийный срок) основным условием должно быть сведение к минимуму возможных экономических затрат изготовителя на гарантийное обслуживание и возможный экономический ущерб при эксплуатации в течение срока службы.
Для определения величины гарантийного срока T и срока службы T необходимо знать вид функции изменения ожидаемых затрат изготовителя C в течение гарантийного срока
, (132)
и вид функции изменения ожидаемых затрат изготовителя C в течение срока службы
(133)
Возможны следующие варианты определения количественных значений гарантийного срока и срока службы [31].
Вариант 1. Ответственным руководителем из коммерческих соображений определяются требуемые для изделия значения гарантийного срока T и срока службы T, и по уравнениям (132) и (133) определяются соответствующие величины ожидаемых затрат С и С, которые включаются в себестоимость изделия, и уточняется цена изделия С.
Вариант 2. Исходя из рыночной цены изделия C, определяется допустимая доля возможных затрат изготовителя C на выполнение гарантийных обязательств в течение срока T и допустимая доля затрат изготовителя C в течение срока службы T. И для этих значений C и C по уравнениям (132) и (133) определяются соответствующие значения гарантийного срока T и срока службы T.
Вариант 3. Исходя из рыночной цены изделия C, определяется допустимая доля величины суммарных возможных затрат изготовителя на выполнение гарантийных обязательств и возможные потери в течение срока службы
(134)
и по уравнению
(135)
определяются возможные значения величин гарантийного срока T и срока службы Т.
При определении гарантийного срока T и срока службы T их значения должны удовлетворять следующим условиям:
. (136)
Если по условиям эксплуатации изделия, кроме гарантийного срока и срока службы, необходимо установить значения гарантийного ресурса по наработке T и значение ресурса по наработке T, то их величины определяются по следующим зависимостям:
(137)
где a - коэффициент, определяющий среднюю долю времени работы изделия в течение срока службы и гарантийного срока.
Величина коэффициента a находится в диапазоне 0 < a < = 1. Значение коэффициента a = 1 устанавливается для изделий, работающих непрерывно.
Функция изменения ожидаемых затрат изготовителя в течение гарантийного срока с учетом требований закона РФ "О защите прав потребителей" [8] имеет следующий вид:
, (138)
где - функция ожидаемых затрат изготовителя, связанных с поставкой потребителю комплектующих изделий для замены отказавших;
- функция ожидаемых затрат изготовителя, связанных с проведением работ по восстановлению работоспособности изделия;
- функция ожидаемых затрат изготовителя, обусловленных возмещением убытков потребителю вследствие отказов изделия;
- функция ожидаемых затрат изготовителя, обусловленных несвоевременным проведением работ по устранению отказов изделия.
Функция имеет следующий вид
(139)
где i = 1, 2, ..., 1 - количество типов комплектующих изделий, которые могут быть заменены на изделии при отказе;
Cki - затраты, обусловленные стоимостью и доставкой комплектующего изделия i-ого типа;
- функция ожидаемого количества отказов комплектующего изделия i-го типа в течение гарантийного срока.
Функция имеет следующий вид:
(140)
где - средние затраты на выполнение одного часа работы по восстановлению работоспособности изделия;
- среднее время восстановления работоспособности изделия.
Функция имеет следующий вид:
(141)
где W - стоимостной эквивалент работы, выполняемой изделием за одни сутки;
K - коэффициент, приводящий величину среднего времени восстановления Tв к суткам;
A - количество дней, в течение которых должны быть проведены работы по восстановлению работоспособности изделия без предъявления санкций. Например, в соответствии со статьей 20 закона РФ [8] значение A = 20;
T - время ожидания с момента получения заявки на ремонт до его начала.
Функция имеет следующий вид:
(142)
где B - коэффициент, определяющий размер неустойки за каждый день просрочки восстановления работоспособности изделия. Например, в соответствии со статьей 23 закона РФ [15] значение B = 0.01.
При условии значение величин и принимаются равными нулю. Из этого условия может быть определено требование к количественному значению среднего времени восстановления изделия как его технической характеристике.
С учетом зависимостей (139) - (142) функция будет иметь следующий вид:
(143)
Для проведения расчетов по зависимости (143) необходимо знать вид функции изменения ожидаемого количества отказов для каждого заменяемого i-го комплектующего изделия при эксплуатации в течение гарантийного срока Т. Методика определения вида этой функции приведена в параграфе 3.6.
Функция изменения ожидаемых затрат изготовителя в течение срока службы с учетом требований закона РФ [8] имеет следующий вид:
, (144)
где - функция изменения возможных затрат изготовителя на возмещение вреда, причиненного жизни или здоровью потребителя при эксплуатации изделия в течение срока службы;
- функция изменения возможных затрат изготовителя на возмещение вреда, причиненного имуществу потребителя при эксплуатации изделия в течение срока службы;
- функция изменения возможных затрат изготовителя на устранение отказов изделия, которые делают невозможным или недопустимым использование изделия в соответствии с его целевым назначением в течение срока службы.
До проведения расчетов по зависимости (144) необходимо провести анализ конструкции изделия, режимов и условий его работы на отказобезопасность. По результатам анализа необходимо выделить элементы, комплектующие изделия, участки схем, детали, при отказах которых возможно возникновение опасной ситуации либо невозможна дальнейшая эксплуатация изделия потребителем без капитального ремонта или замены изделия.
По результатам анализа отказобезопасности изделия возможные отказы разделяются на следующие группы:
1 группа - отказы, при возникновении которых возможно причинение вреда жизни или здоровью потребителя;
2 группа - отказы, при возникновении которых возможно причинение вреда имуществу потребителя;
3 группа - отказы, при возникновении которых невозможна дальнейшая эксплуатация изделия и его необходимо либо направить в капитальный ремонт, либо утилизировать.
По каждой группе должны быть определены возможные виды отказов и проведены расчеты вероятностей их возникновения в течение срока службы.
Функция имеет следующий вид:
, (145)
где - возможное количество видов отказов по 1-ой группе;
- возможные затраты изготовителя на возмещение вреда, причиняемого потребителю при возникновении отказа -го вида;
- функция изменения возможного количества отказов -го вида при эксплуатации изделия в течение срока службы.
Значения определяются на основании действующего законодательства.
Функция имеет следующий вид:
, (146)
где - возможное количество видов отказов по 2-ой группе;
- возможные затраты изготовителя на возмещение вреда, причиняемого имуществу потребителя при возникновении отказа г-го вида;
- функция изменения возможного количества отказов г-го вида в течение срока службы.
Значения определяются экспертным методом в зависимости от назначения и условий эксплуатации изделия, при этом минимальное значение величины равно цене изделия Со, а максимальное значение равно цене изделия Со плюс возмещение убытков за причиненный вред имуществу потребителя. Например, при возникновении пожара вследствие отказа изделия это может быть возмещение затрат на ремонт или постройку нового помещения для работы изделия.
Функция определяется по следующей формуле:
, (147)
где - возможное количество видов отказов по 3-й группе классификации отказов;
- возможные затраты изготовителя на устранение отказа -го вида;
- функция изменения возможного количества отказов -го вида в течение срока службы.
При проведении расчетов значение рекомендуется принимать равным .
Методика определения вида функций приведена в главе 3.6.
Расчет допустимых значений показателей долговечности по экономическому критерию производится по следующему алгоритму:
а) производится подготовка исходных данных для расчетов:
- по конструктивному исполнению изделия определяется перечень комплектующих изделий, замена которых или их ремонт в случае отказа возможен в условиях эксплуатации;
- определяются характеристики интенсивностей отказов для каждого комплектующего изделия, заменяемого или ремонтируемого в условиях эксплуатации;
- определяется типовой расчетный режим работы изделия, т.е. значение коэффициента a;
- определяется среднее время восстановления изделия Tв;
- определяются экономические характеристики, необходимые для проведения расчетов: предварительная цена изделия; стоимости комплектующих изделий, заменяемых или ремонтируемых в условиях эксплуатации; затраты на транспортирование комплектующих изделий к месту ремонта; средний часовой тариф одного специалиста, занятого ремонтом; стоимостной эквивалент работы, выполняемой изделием; прогнозируемые затраты изготовителя на возмещение ущерба при возникновении одного отказа изделия, причиняющего вред жизни, здоровью или имуществу потребителя;
- по конструктивному исполнению изделия определяется перечень возможных отказов, при возникновении которых возможно причинение вреда жизни, здоровью и имуществу потребителя, а также перечень отказов, при возникновении которых невозможно восстановление работоспособности изделия в эксплуатации, и определяются вероятности возникновения этих отказов;
б) по исходным данным определяются функции изменения ожидаемого количества отказов в течение гарантийного срока и назначенного срока службы по методике раздела 3.6;
в) определяется вариант, по которому производятся расчеты допустимых значений гарантийного срока и назначенного срока службы, и для выбранного варианта расчета определяются допустимые доли затрат на гарантийное обслуживание Cг и на возмещение ущерба потребителю Cп и их сумма;
г) производится расчет допустимых значений гарантийного срока, назначенного срока службы и назначенного ресурса по наработке по уравнениям (132), (133) или (135);
д) производится анализ результатов расчетов и, при необходимости, их повторение по уточненным исходным данным.
3.6. Расчет ожидаемого количества отказов в течение срока эксплуатации

Ожидаемое количество отказов комплектующих изделий (деталей, элементов), замена которых возможна в эксплуатации, определяется из выполнения условия
, (148)
где - вероятность того, что в течение гарантийного срока Tг на партии изделий в количестве N штук по каждому i-му комплектующему изделию произойдет не более отказов;
- установленное ограничение по требуемому уровню вероятности.
Обычно расчеты проводятся при значениях для партии изделий в количестве не более N = 40 штук.
Значение P распределяется между комплектующими изделиями, которые могут быть заменены в эксплуатации, по следующей формуле:
, (149)
где Cki - стоимость i-го комплектующего изделия.
Ожидаемое количество отказов i-го комплектующего изделия при эксплуатации N изделий определяется при выполнении условия
(150)
Значение вероятности в (150) определяется по формуле [20]
(151)
где - приведенное значение интенсивности отказов i-ого комплектующего изделия, определяемое по формуле
(152)
где - коэффициент, определяющий долю времени работы i-го комплектующего изделия в течение гарантийного срока Tг;
- интенсивности отказов i-ого комплектующего изделия при работе и хранении соответственно;
- ожидаемое количество отказов i-го комплектующего изделия, которое может произойти на группе изделий в количестве N штук;
! - факториал .
Формула (152) справедлива при допущении, что значения интенсивностей отказов при работе и хранении в течение гарантийного срока постоянны = const, = const. Зависимости (151), (152) применимы для электрических, электронных и электромеханических комплектующих изделий.
Уровень безотказности большинства механических систем, изделий, деталей характеризуется значением вероятности безотказной работы в течение требуемого срока . Для этих комплектующих изделий значение вероятности определяется по формуле [17,18]:
. (153)
Расчет ожидаемого количества отказов по формулам (151), (153) и условию (150) проводится с использованием таблиц вероятностей распределения Пуассона [17,18] и по таблицам [17] для функций распределения Пуассона и биномиального распределения.
Для определения вида функции изменения ожидаемого количества отказов в течение определенного срока, необходимых для решения задач, сформулированных в предыдущих разделах, необходимо установить ряд значений Tг, не менее 10 точек, и для этих значений по формулам (151) или (153) определить возможное количество отказов при выполнении условия (150). Затем определяется для каждого принятого значения Tг среднее количество отказов, приходящееся на одно изделие, по формуле
(154)
По значениям ряда , Тг методом наименьших квадратов [32] определяются параметры эмпирической зависимости . Эмпирическая зависимость для этой функции выбирается определенного вида, например:
и т.п. (155)
Вид функции выбирается по наименьшей величине суммы квадратов отклонений значений функции от значений ожидаемого количества отказов, полученных при расчетах по формуле (154).
Зависимости (148) - (154) рекомендуется использовать при определении функции изменения ожидаемого количества отказов в пределах гарантийного срока.
При решении задач по определению срока службы необходимо знать виды функций изменения ожидаемого количества отказов только по тем системам, которые могут принести ущерб потребителю, либо сделать недопустимой дальнейшую эксплуатацию изделия. Как правило, вероятности возникновения такого типа отказов имеют величину q < 0,001.
В связи с чем, значения ожидаемого количества отказов для электронных, электрических и электромеханических систем определяются по формулам
(156)
Обозначения в (156) соответствуют обозначениям, принятым в разделе 3.5.4.
Зависимости (156) справедливы при допущении, что в течение срока службы Tс значения интенсивностей отказов постоянны Опыт эксплуатации показывает, что для многих элементов это допущение приемлемо, если срок службы 10 лет, ресурс по наработке 7000 часов.
Если допущение = const неприемлемо, то расчеты ожидаемого количества отказов необходимо проводить по формулам
, (157)
где - функции изменения интенсивностей отказов в зависимости от времени t.
Значения функций могут быть определены по результатам эксплуатации изделий аналогов.
Для ряда механических систем расчетами определяется вероятность возникновения отказа в течение определенного срока. В этом случае ожидаемое количество отказов в течение срока службы, приходящееся на одно изделие, определяется по формуле
(158)
где q - вероятность отказа;
- текущее значение срока службы;
- значение срока службы, принятое на момент расчета вероятности отказа.
Следует отметить, что для некоторых механических изделий, например для подшипников различного типа, вероятность возникновения отказа q может быть представлена в виде функции, зависящей от времени работы [14].


1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   23


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации