Надежность 1 введение
| Вид материала | Документы |
- «надежность машин: промышленные роботы, станки», 219.58kb.
- Надежность эпс, 94.29kb.
- Календарный план учебных занятий по дисциплине «Техногенные системы и экологический, 322.76kb.
- Межгосударственный стандарт гост 27. 002-89 надежность в технике основные понятия Термины, 995.95kb.
- Учебно-методический комплекс по дисциплине дс. 01 -проектирование и надежность систем, 688.46kb.
- «Надежность в технике. Термины и определения», 72.63kb.
- Гост 27883-88. Средства измерения и управления технологическими процессами. Надежность., 11.02kb.
- Методика оценки психологической атмосферы в коллективе (по А. Ф. Фидлеру), 28.42kb.
- Программа дисциплины сд. Ф. 09., Сд. В надежность, эргономика и качество асоиу для, 253.84kb.
- Методические указания составлены в соответствии с примерной и рабочей программой учебной, 705.19kb.
Модуль 3
НАДЕЖНОСТЬ
1 ВВЕДЕНИЕ
Известно, что надежность является категорией (составной частью) качества. С другой стороны, без качественного изготовления деталей, из которых состоит изделие, не может быть обеспечен определенный уровень надежности. Вопросам надежности уделялось внимание с давних времен. Известно, что у Александра Македонского был настоящий полигон, где испытывались тараны различных конструкций. Русский царь Петр І в одном из своих указов о качестве пушек писал: ”За качество олдермана бить кнутом нещадно, подъячего лишить воскресной чарки”. В 1891 году на конкурсе нескольких винтовок во время полевых испытаний (испытаний на надежность), где был представлен и бельгийский карабин системы Браунинга, победила винтовка системы Мосина. Именно за высокую надежность ее было принято на вооружение царской армии. Это всем известная “трехлинейка".
По-видимому, сегодня уже ни у кого не вызывает возражений утверждения о том, что высокое качество изделия принципиально невозможно без обеспечения определенного уровня его надежности. Действительно: зачем потребителю вещь, которая (даже при чудесном дизайне) время от времени отказывает? Поэтому показатели надежности, в последнее время, являются обязательным компонентом документов, которые сопровождают изделие - сертификаты, паспорта и др.
Но показатели надежности часто приводятся формально, и их номенклатура, мягко говоря, не всегда отвечает потребностям потребителя. Ну, скажите, зачем покупателю знать, какой гамма-процентный ресурс вилки, или вероятность безотказной работы микроволновой печи в течение суток? Нет обоснования показателей. Часто бездумно заказываются ненужно высокие, а часто слишком низкие показатели надежности. Если обычный телефон изготовить по требованиям космической техники, то он с высокой вероятностью будет работать 25000 лет, а если современную систему управления комплектовать бытовыми деталями, то она откажет через полчаса. Кроме того во многих случаях показатели надежности не являются результатом испытаний на надежность или корректного расчета. К сожалению, есть случаи, когда эти показатели являются плодом фантазии разработчика или производителя и не подтверждаются расчетами (с применением современных нормативно обеспеченных методик и достоверных данных), ни испытаниями, ни подконтрольной эксплуатацией. Есть много предприятий, где надежности не уделяется внимания, не хватает специалистов, если и выполняются расчеты надежности, то по “самодельным" методикам, программы обеспечения надежности являются обязательными, согласно нормативным документам, только у военных. Программы качества разрабатываются только ради проформы. Это, в первую очередь, свидетельствует о непонимании роли надежности в конкурентоспособности отечественной продукции. Плохо, что к этому приводит и современное состояние государственных документов (уровня Государственных стандартов), которые в большинстве случаев сделали испытание вообще, а испытание на надежность в частности (за небольшими исключениями) необязательными. Как видим, вопросом надежности не уделяется внимания не только на производстве, но и на государственном уровне.
Общий научный нигилизм, который появился во время перестройки, к сожалению, коснулся именно вопросов надежности, как ее теоретических, так, и, особенно, практических аспектов, мол “я - потребитель, и всегда договорюсь с производителем получить что-то за небольшие средства". Видим, что экономия идет, во-первых, за счет качества - нормативные документы “не требуют" и все здесь! Поэтому в последнее время на потребительский рынок выплеснуто много некачественных, ненадежных изделий, которые портят общую картину, снижают реноме отечественных товаров. Известна пословица: “За надежность нужно платить, а за ненадежность - расплачиваться". Платой за ненадежность являются не только аварии на транспорте, отказы бытовой техники, техники специального назначения и т. д., но и снижение конкурентоспособности.
Исторически так сложилось, что именно в Украине после развала СССР остались наиболее сильные научные кадры. Еще до перестройки бывший СССР имело очень сильную научную базу относительно надежности. Это парадоксально объяснялось плохой элементной базой. Просто невозможно было производить качественные вещи, имея низкую культуру производства, практическое отсутствие на предприятиях входного контроля, невысокие -характеристики комплектующих. Поэтому отечественная наука была призвана к “искусственным" методам повышения надежности. Получили развитие такие направления, как эксплуатационные методы обеспечения надежности (расчеты необходимого количества запасных частей, количества эксплуатационного персонала, стратегия восстановления), схемные методы (составление надежных систем с ненадежных элементов, разработка схемной и временной избыточности, дублирование, глубокое резервирование, мажоритарные структуры). Разработаны методы оценки надежности по внезапным и постепенным отказам, методы оценки как технических средств, так и программного обеспечения и, даже эрготического звена - человека-оператора. Почти все эти методы нашли отображение в виде инженерных методик и были изложены в нормативных документах уровня руководящих или заказных материалов. Авторами теоретических разработок и их практического воплощения были, в большинстве случаев, именно украинские ученые. Это, в первую очередь, ученые Института математики и Института кибернетики НАН Украины, Киевского Государственного университета, Политехнического университета, Киевского института автоматики, военных организаций. И сейчас в сфере надежности работают всемирно известные ученые В.С.Королюк, И.М.Коваленко, Г.А.Шишонок. Учеными Украины заложены теоретические основы многих направлений теории вероятности: исследование марковских и полумарковских процессов, нечетких множеств, которые “работают" на надежность.
На Западе, принимая во внимание высокую культуру и чистоту производства, в таких исследовательских работах не было потребности. Изделия, собранные из высоконадежных элементов, автоматически считались надежными. Известно, что обеспечению качества там всегда уделялось незаурядное внимание. Причем, в основном, эти меры имели место на стадии производства, и на последующих мероприятиях на стадии эксплуатации, как правило, уже не употреблялось. Может этим объясняется относительная неразвитость за рубежом научных методов обеспечения определенного уровня надежности изделий.
Украина сегодня, с точки зрения многих исследователей, попала в чрезвычайно интересную и уникальную ситуацию, которой грех было бы не воспользоваться: с одной стороны, переход производственных предприятий на новую систему собственности требует повышения качества комплектующих, чистоты и культуры производства, а с другой - огромные возможности достижения нужных показателей надежности схемными, системными, эксплуатационными методами. Сочетание этих двух факторов - путь до чрезвычайно высокого уровня качества отечественных товаров, а вместе с этим - к требуемому качеству и выходу Украины на Европейский и мировой рынок.
2 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
2.1 Надежность
Результаты исследований потребительского рынка показывают, что покупатель продукции вместе с ценой прежде всего интересуется ее высокой надежностью. Это имеет особое значение для высокотехнологической продукции, такой как, например: автомобили и электронные приборы. Потребителя не устраивает также пребывание в мастерской в период гарантийного обслуживания из-за сбоев в работе и отказов, даже если в финансовом плане он не несет потерь.
Потребитель ожидает на протяжении длительного времени постоянную функциональную готовность продукции, т. е. он ожидает высокую надежность.
Под надежностью понимается та часть (составляющая) качества, которая охватывает поведение изделий в течение заданного промежутка времени или после его окончания при заданных условиях применения.
При этом имеет значение то, что к установленным и предполагаемым требованиям, обусловленным функциональной нагрузкой, также непосредственно относятся и условия внешней среды, такие как температура, влажность, давление, запыленность, вибрация, ударная нагрузка и др. Фактическая нагрузка должна находиться внутри граничных условий на применение, которые были заложены в основу при конструировании продукции. Отказ продукции при более высокой нагрузке, чем предусмотрено, не позволяет сделать вывод о недостаточной надежности.
Обеспечением надежности в последние десятилетия приобрело важное значение сначала в электронной промышленности, затем в автомобилестроении, и распространяется на все новые отрасли промышленности.
К такой работе прежде всего относится деятельность:
• по достижению высокой надежности на основе соответствующих мероприятий при проектировании и конструировании,
• по достижению высокой надежности на основе соответствующих мероприятий при производстве продукции,
• по достижению высокой надежности на основе соответствующих мероприятий при поставке (сбыте) и сервисном обслуживании и
• по статистическому определению и подтверждению показателей надежности, а так же по прогнозированию надежности на основе статистических моделей.
Поэтому в данном разделе представлены некоторые основные понятия.
2.2 Срок службы и отказ
Срок службы изделия t — это время до отказа (failure). В зависимости от вида изделия он задается в единицах времени (например, часах h) или часто в количестве циклов использования, например:
• срок службы телевизора в часах эксплуатации;
• пробег двигателя легкового автомобиля в км;
• срок службы кварца в числе колебаний;
• срок службы реле в количестве переключении;
• срок службы образца материала в количестве изменений нагрузки;
• простой дозирующего оборудования в пропускной способности;
• и т. д.
Срок службы изделия является случайной величиной, т. е. это такой показатель качества продукции, о котором до его реализации никогда точно не известно, какое конкретное значение он примет.
По этой причине любые прогнозы и расчеты по надежности можно делать только на основе адекватных статистических моделей. Важнейшей статистической моделью при работе над надежностью является распределение Вейбулла с особым случаем экспоненциального распределения.
Под отказом понимают «окончание работоспособности материальной единицы в рамках допустимой нагрузки», т. е. продукция уже больше не демонстрирует все предусмотренные показатели качества.
При этом делаются различия между:
• внезапным отказом: т. е. резким переходом от работоспособного состояния к неработоспособному, например лопнула шина, сломалась ось, на экране телевизора отсутствует изображение и т. д.
• постепенным отказом, определяемым окончанием непрерывного (постепенного) процесса изменения параметров, например, профиль протектора шины достигает 1,6мм (минимальное законодательное требование; рекомендуемое значение — 3 мм), экран телевизора становится более тусклым и т. д.
Для обеспечения гарантии высокой надежности уже при проектировании новой продукции особую роль играет исследование возможных механизмов и причин возникновения отказа (например: износ из-за недостаточной доброкачественности поверхности, коррозия вследствие агрессивной среды, деформация из-за ошибок конструкции и т. д.).
Какой метод управления качеством особенно пригоден для исследования механизмов отказа, причин отказа и последствий отказа?
2.3 Испытания на надежность
Испытания на надежность имеют центральное значение в работе по обеспечению надежности. Только с их помощью можно определить и подтвердить значения показателей надежности изделия.
Для определения численных значений срока службы изделий по результатам их испытаний на надежность наиболее часто применяется сеть срока службы (так же называемая сетью Вейбулла) вследствие своей наглядности и простоты.
При маленьких выборках ввод данных осуществляется с помощью сумм вероятностей упорядоченных значений срока службы (значения срока службы, как правило, бывают упорядочены по природе). При этом необходимо учитывать существенную особенность: «ось срока службы» построена в логарифмическом масштабе, поэтому заданные (полученные) численные значения необходимо располагать на оси соответствующим образом.
Производственная ситуация
Разработчик переключателей должен в соответствии с ISO 9001/4.4 «Управление проектированием» выполнять верификацию проектирования для подтверждения того, что результат разработки соответствует требованиям технического задания на проектирование. Для этого 20 переключателей были подвергнуты продолжительному испытанию.
Были получены следующие значения сроков службы (в «количестве срабатываний»).
-
Отказ
№
Срок службы,
кол-во срабатываний
Сумма вероятностей,
%
1.
1,90-105
3,1
2.
3,34-105
7,9
3.
3,65-105
12,9
4.
4,20-105
17,9
5.
4,72-105
22,7
6.
5,89-105
27,8
7.
6,10-105
32,6
8.
6,62-105
37,8
9.
7,92-105
42,5
10.
8,40-105
47,6
11.
8,50-105
52,4
12.
9,00-105
57,5
13.
9,60-105
62,2
14.
11,02-103
67,4
15.
11,95-105
72,2
16.
12,40-105
77,3
17.
13,03-105
82,1
18.
13,42-105
87,1
19,
18,07-105
92,1
20.
20,63-105
96,9
Значения сроков службы переключателей зафиксированы на рис. STM 7/1.
Сетка срока службы
Сетка вероятности для распределения Вайбулла
Рис. STM 7/1: Графическое определение численных значений с помощью сети срока службы
При этом действуют следующим образом:
1) Расположите полученные значения на логарифмической оси t
2) Внесите значения из вышеприведенной таблицы в качестве «суммы частоты отказов» для соответствующих значений срока службы, например 7,9 % для второго значения 3,34-105. Если анализируются более 50 значений сроков службы, то их необходимо классифицировать.
3) Аппроксимируйте полученную последовательность точек прямой линией. Если прямая не получается, то необходимо проанализировать причины этого; часто встречаются «смешанные распределения» вследствие воздействия различных механизмов отказа.
Определение численных значений, интерпретация
Даже без знания модели поведения отказов (распределения Вейбулла) можно уже сделать важные выводы. Попробуйте ответить на следующие вопросы на основе рассмотрения сети срока жизни:
• После какого числа включений откажут в среднем 5%, 10%, ..., 90 % всех переключателей?
Указание: Эти значения обозначаются как t5, t10, t90 и т. д. и являются важной информацией по проектированию.
t5 = t10= t90 =
• Какая часть всех переключателей откажет в среднем до 5105 включений?
• Какая часть всех переключателей в среднем будет функционировать после 2105 включений?
• Важной характеристикой является «характерный срок жизни Т». Он показывает, что после времени Т в среднем около 63,2 % наблюдаемых изделий откажут (обоснование этого численного значения возможно только на основе моделирования поведения отказов). Какой характерный срок службы можно определить из сети срока службы ?
• По сети срока службы можно определить «крутизну отказа b» Определите «b»'
3 ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ ДЛЯ ОПИСАНИЯ НАДЕЖНОСТИ, ИНТЕНСИВНОСТЬ ОТКАЗОВ
Вероятность отказа G(t):
Вероятность того, что единица из первоначального состава откажет до заданного или рассмотренного срока службы t. С точки зрения статистики G(t) является функцией распределения.
Примечание: Во многих литературных источниках и в сети срока службы (раздел 1.3) вероятность отказа обозначается как F(t).
Вероятность безотказной работы (безотказности) R(t):
Вероятность того, что единица из первоначального состава переживет заданный или рассмотренный срок службы t (т. е. отказа не возникнет). Следовательно
R (t) = 1-G (t). (7.1)
Пример
Для электронного прибора имеется требование, чтобы за период эксплуатации (время использования) в 3000 часов максимально могли бы отказать только 10% приборов. Выражая это через G(t) и R(t), получаем:
G (3000 час.) =0,10 R (3000 час.) = 1 - G (3000 час.) = 0,90
Аналогично данное требование можно выразить следующим образом:
t10 = 3000 часов
При этом речь идет о типичном техническом задании на проектирование, согласно ISO 9001/4.4 «Управление проектированием». Практическая работа по надежности направлена на то, чтобы обеспечить такое требование технически и затем статистически подтвердить его соблюдение. С помощью соответствующей статистической модели могут быть получены дальнейшие выводы, например, к какому моменту времени предположительно откажут 1%, 5% и т. д. приборов или вопрос о среднем значении срока службы.
Производственная ситуация
Определите по данным сети срока службы на рис. STM 7/1 оценочные значения для вероятности отказа G (t = 5105) и вероятность безотказности R (t = 2105):
Интенсивность отказов (t)
Интенсивность отказов (t) представляет собой вероятность того, что элемент (структурная единица), еще не отказавший до времени t, откажет в течение последующего, малого интервала времени (например: за один час). Тем самым, она соответствует доле общего числа элементов, работающих в данный момент времени, которые откажут в среднем в последующий интервал времени.
Тем самым, интенсивность отказов (t) для конкретного изделия является мерой его «предрасположенности к отказу» к моменту времени t, если изделие еще не отказало до момента t. Таким образом, интенсивность отказов относится к элементам (структурным единицам), которые еще не отказали до времени t.
Производственная ситуация
Для электронных компонентов в технических условиях присутствует требование по обеспечению интенсивности отказов
= 210-6h-1
При этом речь идет как раз о типичном плановом задании на проектирование, в соответствии с ISO 9001/4.4 «Управление проектированием».
Что означает это требование?
Указание: Опишите приведенное выше требование как общий отказа и интерпретируйте полученный результат.
И
нтенсивность отказов (или предрасположенность к отказу) для многих изделий изменяется в процессе их эксплуатации (в жизненном цикле продукции). Типичная вид зависимости представлен на рис. STM 7/2, данный график получил название кривая в форме ванны.Рис. STM 7/2: Типичный график зависимости интенсивности отказов от времени
(«кривая в форме ванны»)
Выделяют три фазы:
I Отказ в период приработки возникают вследствие ошибок производства;
интенсивность отказов высока, но быстро снижается. Производитель стремится не допустить изделия с такими отказами до потребителя (потеря имиджа!). В сети срока службы: b < 1.
II Случайные отказы износ (почти) отсутствует;
интенсивность отказов (почти) постоянная. В сети срока службы: b = 1.
IІІ Отказы, связанные с износом,
возникают вследствие нарастающего старения/износа изделий ли элементов; интенсивность отказов возрастает. В сети срока службы: b > 1.
Однако иногда бывают значительные отклонения от данного типичного графика зависимости интенсивности отказов от времени.
Для случайных отказов прежде всего справедливы следующие соотношения:
Характерный срок службы Т = среднее значение срока службы 1/ и будут тогда также обозначаться как
• MTTF (mean time to failure — среднее время до отказа, наработки на отказ) для невосстанавливаемых единиц (т. е., не подвергающихся ремонту), или
• MTBF (mean time between failure — среднее время между отказами) для восстанавливаемых единиц (т. е. подвергающихся ремонту).
стр.