Надежность технических систем военного назначения


В. И. Алчинов, А. И. Сидоров, Г. К. Чистова








НАДЁЖНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ВОЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ




Учебное пособие










Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2019

УДК 623.462
ББК 68.501
    А55
Рецензенты :
доктор технических наук, профессор кафедры производства и эксплуатации боеприпасов Пензенского филиала Военной академии материально-технического обеспечения им. генерала армии А. В. Хрулева Министерства обороны РФ С. Н. Курков;
кандидат технических наук, доцент кафедры информационно-измерительной техники и метрологии Пензенского государственного университета Ю. М. Голубинский

    Алчинов, В. И.
А55 Надёжность технических систем военного назначения : учеб. пособие / В. И. Алчинов, А. И. Сидоров, Г. К. Чистова. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2019. - 324 с. : ил., табл.
       ISBN 978-5-9729-0389-4




      Изложены основы теории надежности оружия и систем вооружения, методы оценки показателей надежности, её повышения и обеспечения при проектировании, производстве и эксплуатации образцов вооружения.
      Для студентов специальностей 17.05.01 «Боеприпасы и взрыватели» и 27.05.01 «Специальные организационно-технические системы». Материалы пособия могут быть полезны аспирантам направления 56.06.01 по профилям обучения 20.02.14 «Вооружение и военная техника. Комплексы и системы военного назначения» и 20.02.21 «Средства поражения и боеприпасы».

УДК 623.462
ББК 68.501





ISBN 978-5-9729-0389-4

  © Алчинов В. И., Сидоров А. И., Чистова Г. К., 2019
  © Издательство «Инфра-Инженерия», 2019
                         © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2019

СОДЕРЖАНИЕ


ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ.............................................6
ВВЕДЕНИЕ........................................................8
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА НАДЕЖНОСТИ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ.........................................................12
  1.1. Соотношение надежности и качества технических систем....12
  1.2. Основные понятия надежности.............................14
    1.2.1. Виды изделий........................................15
    1.2.2. Определение надежности..............................21
  1.3. Жизненный цикл изделий..................................26
  1.4. Характеристика системы эксплуатации.....................31
  1.5. Влияние режимов и условий эксплуатации изделий на их надежность...................................................39
    1.5.1. Влияние субъективных факторов на техническое состояние изделий..........................................41
    1.5.2. Влияние объективных факторов.............................44
  1.6. Качественные и количественные характеристики надежности.49
  1.7. Показатели безотказности.....................................59
    1.7.1. Показатели невосстанавливаемых элементов............59
    1.7.2. Показатели восстанавливаемых элементов..............64
    1.7.3. Показатели безотказности систем.....................66
  1.8. Показатели долговечности и сохраняемости................73
    1.8.1. Показатели долговечности элементов..................73
    1.8.2. Показатели сохраняемости элементов..................76
    1.8.3. Показатели долговечности и сохраняемости систем.....78
  1.9. Показатели ремонтопригодности...........................80
    1.9.1. Показатели ремонтопригодности элементов.............80
    1.9.2. Индивидуальные показатели ремонтопригодности систем.82
    1.9.3. Показатели ремонтопригодности для оценки системы технического обслуживания и ремонта техники................84
  1.10. Комплексные показатели надежности......................89
    1.10.1. Виды комплексных показателей и их характеристика...89
    1.10.2. Коэффициент технического использования.............90
    1.10.3. Коэффициент готовности.............................94
    1.10.4. Коэффициент оперативности готовности...............95
    1.10.5. Коэффициент сохранения эффективности...............96
Вопросы для самоконтроля.......................................99
2. ВЕРОЯТНОСТНЫЕ МЕТОДЫ В ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ...................100
  2.1. Числовые характеристики случайных величин..............100
  2.2. Основные законы распределения случайных величин, используемые для оценки надежности..........................108
  2.3. Определение вида и параметров законов распределения случайных величин...........................................121
    2.3.1. Последовательность определения вида закона распределения графическим способом........................123
    2.3.2. Графическое определение параметров законов распределения.130

3

  2.4. Определение законов распределения аналитическим способом..137
Вопросы для самоконтроля...................................... 143
3. АНАЛИЗ И ОЦЕНКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 144
  3.1. Этапы анализа надежности изделий..........................144
  3.2. Назначение показателей надежности для различных видов изделий..................................................148
  3.3. Примеры выбора показателей надежности для различных видов изделий........................................................154
    3.3.1. Выбор показателей надежности для комплексов...........154
    3.3.2. Выбор показателей надежности для образцов и их составных частей функционального   назначения...........155
    3.3.3. Выбор показателей надежности для образцов и СЧФН артиллерийского комплекса....................................159
    3.3.4. Выбор показателей надежности для комплектующих элементов и СЧТН.............................................161
  3.4. Назначение норм надежности................................163
  3.5. Распределение норм надежности по элементам................174
  3.6. Оценка показателей надежности изделий.....................183
    3.6.1. Понятие об оценке показателей надежности..............183
    3.6.2. Построение статистических моделей оценки надежности технических систем...........................................188
    3.6.3. Непараметрический метод оценки показателей надежности 193
    3.6.4. Параметрический метод оценки показателей надежности.195
Вопросы для самоконтроля.......................................204
4. МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЛИЧЕСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ...........................205
  4.1. Моделирование по схеме марковских случайных процессов.....205
  4.2. Определение количественных характеристик надежности изделий по статистическим данным.......................................215
    4.2.1. Определение показателей безотказности изделий.........215
    4.2.2. Определение показателей долговечности и сохраняемости изделий....................................................221
    4.2.3. Определение показателей ремонтопригодности..........229
    4.2.4. Определение комплексных показателей надежности......234
    4.2.5. Определение показателей надежности методом статистических зависимостей................................237
  4.3. Аналитическое определение количественных характеристик надежности изделия...........................................246
    4.3.1. Определение показателей безотказности изделий.......246
    4.3.2. Определение показателей долговечности и сохраняемости.252
    4.3.3. Определение показателей ремонтопригодности изделий....254
Вопросы для самоконтроля.......................................257
5.ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ СРЕДСТВ ПОРАЖЕНИЯ.....................258
  5.1. Способы обеспечения надежности средств поражения на различных стадиях жизненного цикла........................258

4

  5.2. Обеспечение надежности технических систем на стадии разработки.................................................265
    5.2.1. Обоснование требований к надежности технических систем при их проектировании....................................265
    5.2.2. Методы повышения надежности изделий на стадии разработки...............................................270
    5.2.3. Расчет показателей надежности при структурном резервировании...........................................283
  5.3. Обеспечение надежности технических систем на стадии производства..............................................290
  5.4. Обеспечение надежности технических систем на стадии эксплуатации..............................................295
    5.4.1. Мероприятия этапа ввода изделий в эксплуатацию...296
    5.4.2. Мероприятия по поддержанию надежности изделий в процессе эксплуатации.................................297
    5.4.3. Мероприятия по восстановлению работоспособности и исправности изделий...................................301
Вопросы для самоконтроля....................................304
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................305
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК....................................306
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Программа для статистических исследований.....311
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Программа для оценки показателей надежности...316

5

        Перечень сокращений                              
БМ -    боевая машина                                    
БРДМ -  боевая разведывательно-дозорная машина           
ВБР -   вероятность безотказной работы                   
ВВ -    военное время                                    
ВВТ -   вооружение и военная техника                     
вдг -   верхняя доверительная граница                    
ВО -    вероятность отказа                               
ЕТО -   ежедневное техническое обслуживание              
ЖЦ -    жизненный цикл                                   
ЗИП -   комплект запасных изделий                        
ИМС -   интегральная микросхема                          
кэ -    комплектующий элемент                            
МВ -    мирное время                                     
НАМИ -  научно-исследовательский автомобильный           
        и автомоторный институт                          
НАУ -   наземная аппаратура управления                   
ндг -   нижняя доверительная граница                     
НИОКР - научно-исследовательская и опытно-конструкторская
        работа                                           
НТД -   нормативно-техническая документация              
ОВ -    образец вооружения                               
ОТК -   отдел технического контроля                      
ОТП -   оперативно-тактические показатели                
ПН -    показатели надежности                            
ПОН -   программа обеспечения надежности                 
ПС -    предельное состояние                             
ПТРК -  противотанковый ракетный комплекс                
Р -     ремонт: ТР - текущий, СР - средний,              
        КР - капитальный, РР - регламентированный        
РАВ -   ракетно-артиллерийское вооружение                
РТО -   регламентированное техническое обслуживание      
СВ -    система вооружения                               
СО -    сезонное обслуживание                            
СП -    средства поражения                               
ССН -   структурная схема надежности                     
СТОР -  система технического обслуживания и ремонта      

6

счтн - составная часть технического назначения   
СЧФН - составная часть функционального назначения
то -   техническое обслуживание                  
тс -   техническая система                       
ттз -  тактико-техническое задание               
этм -  эксплуатационно-технические мероприятия   
этн -  элемент теории надежности                 

7

                Введение





     Эффективность использования военной техники связана с ее способностью непрерывно и качественно выполнять возложенные функции. Из-за отказов или неисправностей снижается качество функционирования, а иногда и полный отказ выполнения поставленных задач.
     Вопросы обеспечения надежности ставились с первых шагов развития техники. По мере совершенствования образцов вооружения усложнялась и развивалась проблема его надежности. Появление уже в 50-х годах XX столетия сложных технических систем (ТС) привело к тому, что надежность стала определяющим фактором обеспечения их эффективного использования. В результате появления самостоятельных научных разработок в этой области сформировалась теория надежности [1.. .4].
     Первые работы по вопросам надежности в нашей стране были выполнены в 50-е годы академиками АН СССР А. И. Бергом, Н. Г. Бруевичем и членом-корреспондентом АН СССР В. И. Сифо-ровым. В этот же период появились работы ведущих специалистов в области надежности А. М. Половко, Г. В. Дружинина, Н. А. Ши-шонка и др. Н. Г. Бруевичем надежность прибора, машины, устройства определяется как их свойство выполнять заданные функции в установленном объеме в течение требуемого времени при определенных условиях эксплуатации.
     Аксель Иванович Берг, участвуя в решении вопросов огромного народнохозяйственного масштаба, считал проблему надежности самой важной для технического прогресса: «Без решения этого вопроса не может быть никакой речи об улучшении управления народным хозяйство и сложными динамическими процессами, с которыми мы имеем дело в промышленности, на транспорте, в связи, в военной технике и т.д.». Он отмечал, что на каждом этапе развития техники надежность требует нахождения все новых и новых методов для своего обеспечения.
     В начале 60-х годов интенсивно начали развиваться математические методы теории надежности. Крупный вклад в данной области был сделан Б. В. Гнеденко, А. Д. Соловьевым и Ю. К. Беляевым. Для количественной оценки надежности используются методы теории вероятностей и математической статистики. Но математика при этом, как подчеркивал Б. В. Гнеденко, должна использоваться как средство исследования и расчета, а не как само

8

цель. Решая инженерные проблемы, теория надежности предусматривает исследование природы возникновения отказов, включая механические, физические и другие процессы, а также выбор и использование математического аппарата, который ближе всего отвечает природе изучаемого явления.
     Вопросы надежности техники интенсивно исследовались и за рубежом такими учеными, как Д. Нейман, К. Пирсон, Р. Барлоу, Ф. Прошан и др.
     Развитие теоретических и прикладных вопросов надежности, в первую очередь, осуществлялось при создании механических и радиотехнических систем, а также сложных систем управления [5].
     Основными причинами потери работоспособности механических систем в процессе эксплуатации являются поломки деталей из-за усталостных явлений или из-за внезапного действия нагрузок, превышающих расчетные, изменения размеров деталей в подвижных соединениях вследствие изнашивания, заклинивание подвижных соединений.
     Для радиотехнических систем характерны структурные изменения с течением времени из-за старения элементов аппаратуры, изменения механических и электрических свойств материалов, воздействия температуры и влаги.
     Процессы утраты ТС работоспособности носят, как правило, случайный характер, обусловленный либо изменениями действующих нагрузок, либо отклонениями свойств исходного материала и качества элементов от заданных. Поэтому сбор статистической информации об отказах устройств и приборов является первоочередной задачей. Фактические сведения о надежности ТС могут быть получены в результате анализа данных эксплуатации или в результате проведения специальных испытаний на надежность. Статистические данные об отказах, получаемые в результате анализа эксплуатации соответствующих ТС, наиболее полно характеризуют их работоспособность в реальных условиях. Однако наряду с этим необходимо проведение испытаний, при которых могут в нужных пределах изменяться режимы и условия нагружения, что способствует изучению механических, физических и химических процессов, обусловливающих причины возникновения отказов.
     Рост сложности ТС в основном происходит за счет увеличения числа элементов, что, к сожалению, сопровождается снижением надежности ТС в целом, причем внезапные отказы ТС, как правило, имеют временный характер. Поэтому объективные признаки,

9

определяющие причину отказа ТС, могут быть выявлены только на основе анализа состояния элементов. Отсюда исследование надежности ТС предполагает обязательное изучение надежности элементов. И вместе с тем, оценка надежности ТС по состоянию их элементов должна проводиться с учетом того, что не всякая неисправность и даже отказ элемента вызывает отказ в работе системы.
     Количественная оценка надежности в виде отвлеченной числовой величины не будет иметь смысла, если не будут оговорены преобладающие физические условия, для которых производилась эта оценка. Поэтому надежность ТС должна задаваться в зависимости от условий работы, так как при изменении условий будет изменяться и числовой показатель надежности (ПН).
     Достоверность количественной оценки надежности ТС зависит от объема статистических данных по отказам и неисправностям элементов, физическая сущность которых установлена. Это нужно для принятия мер по устранению причин нарушения работоспособности ТС. Неправильное определение причины отказа ТС связано как с непроизводительными затратами материальных средств на устранение мнимой причины, так и с возможностью повторения отказа. Поэтому разработка научно обоснованного методического подхода к установлению причин отказов и неисправностей ТС является одним из важнейших вопросов в повышении их надежности.
     В учебном пособии последовательно изложены вопросы теории надежности вооружения с учетом ее математических, статистических и физических аспектов, начиная с выбора номенклатуры и обоснования норм ПН, методов оценки и контроля этих показателей и заканчивая способами повышения уровня надежности ТС при их разработке, производстве и эксплуатации. Помимо точечной оценки показателей, отдельно рассматриваются вопросы интервальной оценки ПН. Многие способы расчета показателей сопровождаются решением конкретных примеров. Материал излагается с учетом опыта преподавания и научной деятельности авторов в области обеспечения надежности оружия и систем вооружения (СВ) и базируется на действующих в настоящее время нормативных и руководящих документах, указанных в библиографии.
     Работа состоит из пяти разделов и приложений.
     В первом разделе рассматриваются основные понятия, относящиеся к надежности ТС, системе и условиям эксплуатации, а также их влиянию на качество изделий и их составных частей.

10

Вводятся термины и определения в области надежности в технике. Рассматриваются показатели для оценки надежности и готовности ТС. Дается классификация показателей, а также характеристика установленных нормативными документами показателей элементов и систем по безотказности, долговечности, сохраняемости, ремонтопригодности и комплексные показатели надежности.
     Второй раздел посвящен вероятностным методам, используемым при определении показателей надежности. Здесь рассматриваются общие и частные (теоретические) законы распределения случайных величин и способы определения их вида и параметров на основе статистических или экспериментальных данных.
     Третий раздел посвящен оценке показателей надежности ТС. Приводится последовательность определения различных ПН для параметрического и непараметрического методов их оценки.
     В четвертом разделе рассматриваются способы практического определения всех групп ПН. Для определения каждой группы показателей по безотказности, долговечности, сохраняемости и ремонтопригодности приводятся примеры решения задач.
     Пятый раздел посвящен способам повышения и обеспечения надежности ТС, применяемым на стадиях их разработки, производства и эксплуатации. Приводятся сведения по расчету ПН резервированных ТС.
     В приложении А приведена программа для статистических исследований случайных величин, а в приложении Б - программа для оценки показателей надежности. Программы написаны в пакете прикладных программ MATLAB.

11

                1.      Общая характеристика надежности технических систем




            1.1.  Соотношение надежности и качества технических систем


    Надежность является одним из свойств, характеризующих качество изделия. Совместно с такими существенными свойствами, определяющими качество, как безопасность, живучесть, экологичность, экономичность, эргономичность, эстетичность, эффективность применения, она характеризует качество изделия с точки зрения его приспособленности к эксплуатации.
    Под качеством продукции понимается совокупность ее наиболее существенных свойств, обусловливающая пригодность продукции для удовлетворения определенным требованиям в соответствии с ее назначением. Требование - это потребность или ожидание, которое установлено, обычно предполагается или является обязательным [6].
    Требуемой функцией в технике является та функция или сочетание функций, которые рассматривают как необходимые для оказания услуги (набор функций, предлагаемых пользователю). По ГОСТ Р ИСО 9000-2008 выполнение требований трактуется как соответствие, а невыполнение требований - как несоответствие.
    Таким образом, качество - это совокупность свойств, определяющих пригодность изделия к использованию по назначению и его потребительские свойства.
    Качество (К.) как философская категория выражает неотделимую от бытия объекта его существенную определенность, благодаря которой он является именно этим, а не иным объектом [7]. К. отражает устойчивое взаимоотношение составных элементов объекта, которое характеризует его специфику, дающую возможность отличать один объект от других. Именно благодаря К. каждый объект существует и мыслится как нечто, отграниченное от других объектов. Вместе с тем К. выражает и то общее, что характеризует весь класс однородных объектов. «У двух различных вещей всегда имеются известные общие качества». Любой объект постоянно изменяется; вместе с тем он обладает некоторой устойчивостью, которая и выражается как качественная определенность.


12

     Категория К. выражает определенную ступень познания человеком объективной реальности. На начальном этапе познания объект исследования выступает перед субъектом прежде всего каким-либо отдельным свойством или рядом свойств. В непосредственном чувственном восприятии К. выступает как некоторое множество свойств. Сначала мелькают впечатления, затем выделяется нечто, потом развиваются понятия «качества» (определения вещи или явления) и количества. Самым первым и самым первоначальным является ощущение, а в нем неизбежно и «качество». Познание идет от К. к количеству и далее к их единству - мере. Любой предмет представляет собой единство К. и количества.
     Изучение надежности как качественного свойства ТС привело к зарождению теории надежности как направления науки. Предметом исследования этой науки является изучение причин, вызывающих отказы объектов, определение закономерностей, которым они подчиняются, разработка способов количественного измерения (оценки показателей) надежности, методов расчета и испытаний, разработка путей и способов повышения надежности.
     Различают общую теорию надежности и прикладные теории. Общая теория надежности имеет следующие составляющие:
     1.      Математическая теория надежности. Она включает определение математических закономерностей, которым подчиняются отказы, методы количественного измерения надежности, а также инженерные методики расчета показателей надежности.
     2.      Статистическая теория надежности, которая включает получение и обработку статистической информации о надежности, определение статистических характеристик надежности.
     3.      Физическая теория надежности. Это исследование физикохимических процессов, физических причин отказов, влияния старения и прочности материалов на надежность.
     Прикладные теории надежности разрабатываются в конкретной области техники применительно к ее объектам. Различаются теория надежности систем управления, теория надежности радиотехнических систем, теория надежности машин и др.
     Надежность тесно связана с эффективностью техники и ее безопасностью. Недостаточная надежность ТС имеет следствием:
     -      снижение производительности из-за простоев вследствие отказов;
     -      снижение результативности использования ТС из-за ухудшения технических характеристик вследствие неисправностей;

13