Надежность технических систем и техногенный риск


А.В. Гуськов, К.Е. Милевский






                НАДЕЖНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ И ТЕХНОГЕННЫЙ РИСК





Учебник











НОВОСИБИРСК
2007

УДК 62-192(075.8) Г 968


Инновационная образовательная программа НГТУ «Высокие технологии»




Рецензенты:
д-р техн. наук, проф. В. Н Москвин, канд. техн. наук, проф. А. Г. Козлов











      Гуськов А.В.
Г 968 Надежность технических систем и техногенный риск : учебник / А.В. Гуськов, К.Е. Милевский. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2012. - 427 с. (Серия «Учебники НГТУ»).
          ISBN 978-5-7782-0897-1
          ISBN 978-5-7782-1912-0
          Изложены основные понятия и определения надежности, математические и статистические основы теории надежности, математические модели теории надежности, методы прогнозирования надежности машин. Рассмотрены надежность технических систем на стадии проектирования, выбор номенклатуры, показателей надежности, распределение показателей надежности, исследование надежности изделий на этапе экспериментальной обработки и испытаний, а также термины и методы анализа риска на промышленных объектах.




УДК 62-192 (075.8)




ISBN 978-5-7782-0897-1
ISBN 978-5-7782-1912-0

© Гуськов А.В., Милевский К.Е., 2007, 2012
             © Новосибирский государственный технический университет, 2007, 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ


Введение....................................................
  1. Техника изделия........................................
  2. Исследование как процесс обоснования решений...........
  3. Экспериментирование и моделирование как основной способ по    лучения информации для обоснования решений..............
Контрольные вопросы.........................................
Глава 1. ПРОБЛЕМА НАДЕЖНОСТИ................................
  1.1. Основные положения...................................
     1.1.1. Признаки классификаций изделий..................
     1.1.2. Основные рассматриваемые классы изделий.........
     1.1.3. Признаки классификации систем...................
  1.2. Типовые задачи исследования надежности...............
     1.2.1. Особенности эффективности и надежности сложных технических систем..........................................
     1.2.2. Типовые мероприятия по обеспечению надежности...
  1.3. Комплексный подход к управлению надежностью машин....
Контрольные вопросы.........................................
Глава 2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ
  2.1. Надежность и ее составляющие.........................
  2.2. Состояния технического объекта.......................
  2.3. Дефекты, повреждения, отказы.........................
  2.4. Временные понятия....................................
  2.5. Техническое обслуживание и ремонт....................
  2.6. Резервирование.......................................
  2.7. Нормирование надежности и обеспечение, определение и контроль надежности..........................................
  2.8. Испытания на надежность..............................
  2.9. Показатели надежности................................
     2.9.1. Безотказность...................................
     2.9.2. Долговечность...................................
     2.9.3. Сохраняемость...................................
     2.9.4. Ремонтопригодность..............................
     2.9.5. Комплексные показатели надежности...............
Контрольные вопросы.........................................

.9
.9
13

16
24
25
25
27
28
29
32

34
37
40
43
45
47
50
52
61
64
65

66
67
68
71
75
76
77
79
81

ОГЛАВЛЕНИЕ

Глава 3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАДЕЖНОСТИ....................
  3.1. Случайные события и их характеристики.................
  3.2. Вероятность события...................................
  3.3. Случайные величины и функции распределения............
     3.3.1. Законы распределения дискретных случайных величин....
     3.3.2. Законы распределения непрерывных случайных величин.
  3.4. Предельные теоремы теории вероятностей................
  3.5. Статистический аппарат оценки надежности..............
     3.5.1. Основные понятия.................................
     3.5.2. Первичная обработка экспериментального материала.
     3.5.3. Предварительный выбор вида вероятностного распределения.........................................
     3.5.4. Анализ однородности исходного статистического материала.............................................
     3.5.5. Оценка параметров распределения..................
     3.5.6. Проверка согласия экспериментального и теоретического распределений.........................................
  3.6. Потоки событий, их свойства и классификация...........
Контрольные вопросы..........................................
Глава 4. МОДЕЛИ НАДЕЖНОСТИ...................................
  4.1. Математические модели теории надежности...............
     4.1.1. Экспоненциальная модель..........................
     4.1.2. Распределение Вейбулла...........................
     4.1.3. Гамма-распределение..............................
     4.1.4. Нормальное распределение.........................
     4.1.5. Пуассоновский поток..............................
     4.1.6. Структурная модель надежности систем. Блок схема.
     4.1.7. Деревья отказов..................................
     4.1.8. Деревья событий..................................
  4.2. Вероятностные модели в расчетах систем и конструкций..
     4.2.1. Модели нагрузка-сопротивление....................
     4.2.2. Квазистатические модели..........................
     4.2.3. Модели кумулятивного типа........................
     4.2.4. Модели марковского типа..........................
     4.2.5. Модели пуассоновского типа.......................
Контрольные вопросы..........................................
Глава 5. НАДЕЖНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ.......................
  5.1. Методы расчета структурной надежности систем..........
     5.1.1. Система с последовательным соединением элементов.
     5.1.2. Системы с параллельным соединением элементов.....
     5.1.3. Мажоритарные системы.............................
     5.1.4. Мостиковые системы...............................

..85
..85
..87 .92 ..92 ..95 106 107 107 110

117

118
120

121
125
140
143
143
145
147
148
148
149
150
155
162
163
168
183
189
194
218
247
249
249
250
252
254
258

5.1.5. Комбинированные системы..........................266
     5.1.6. Многофункциональные системы......................268
  5.2. Методы повышения структурной надежности систем........271
  5.3. Надежность систем с резервированием...................276
     5.3.1. Нагруженное резервирование.......................277
     5.3.2. Ненагруженное резервирование.....................280
     5.3.3. Облегченное резервирование.......................281
     5.3.4. Скользящее резервирование........................282
Контрольные вопросы..........................................283
Глава 6. НАДЕЖНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ.............................285

  6.1. Задание требований и быбор номенклатуры показателей надежности.....................................................285
  6.2. Методы распределения норм надежности.................287
  6.3. Показатели надежности элемента.......................296
  6.4. Расчет проектной надежности систем...................308
  6.5. Расчетные зависимости вероятности безотказной работы механических узлов по заданным критериям........................324
  6.6. Надежность изделий на этапе разработки при выборе запасных частей....................................................328
  6.7. Расчет количественного состава запасных частей.......331
  6.8. Принципы конструирования, обеспечивающие создание надежных систем................................................335
Контрольные вопросы.........................................337
Глава 7. ИССЛЕДОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ ИЗДЕЛИЙ ЭТАПЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ОТРАБОТКИ.................................339

  7.1. Цели и виды испытаний....................................339
  7.2. Организация и последовательность создания сложных систем.341
  7.3. Программа экспериментальной отработки....................344
  7.4. Контроль уровня оценки выполнения программы экспериментальной отработки...........................................346
  7.5. Исследовательские испытания опытных образцов.............349
  7.6. Планирование исследовательских и контрольных испытаний методом фиксированного контроля...............................354
  7.7. Планирование испытаний...................................357
Контрольные вопросы.............................................367
Глава 8. ПОНЯТИЕ РИСКА И ПРОБЛЕМЫ УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ ОБЩЕСТВА................................................369
  8.1. Математическое определение риска.........................369
  8.2. Классификация рисков.....................................372
     8.2.1. Общая характеристика риска..........................372

ОГЛАВЛЕНИЕ

     8.2.2. Индивидуальный и коллективный риски...............
     8.2.3. Потенциальный территориальный и социальный риски..
     8.2.4. Экологический риск................................
     8.3. Структура техногенного риска........................
     8.3.1. Проблемы техногенной безопасности.................
     8.3.2. Классификация и номенклатура потенциально опасных объектов и технологий...................................
     8.3.3. Природно-техногенные риски........................
     8.3.4. Опасности, последовательности событий, исходы аварий и их последствия..........................................
     8.3.5. Структура полного ущерба как последствия аварий на технических объектах....................................
     8.3.6. Общая структура анализа техногенного риска........
  8.4. Методы анализа техногенного риска......................
     8.4.1. Планирование и организация работ..................
     8.4.2. Идентификация опасностей..........................
     8.4.3. Характеристика методов риска......................
     8.4.4. Разработка рекомендаций по уменьшению риска.......
     8.4.5. Методы проведения анализа риска...................
     8.4.6. Требования к оформлению результатов анализа риска.
Контрольные вопросы...........................................
Библиографический список......................................

373
377
381
383
383

386
390

395

397
402
403
406
407
409
414
415
417
418
421

ВВЕДЕНИЕ

1. Техника изделия

   Обобщающим термином техника обычно называют совокупность средств, созданных в результате человеческой деятельности, для осуществления процессов производства и удовлетворения непроизводственных потребностей общества. К технике относят все многообразие комплексов и изделий, машин и механизмов, производственных зданий и сооружений, приборов и агрегатов, инструментов и коммуникаций, устройств и приспособлений, деталей и электро-, радиоизделий.
   В технике материализованы знания и опыт, накопленные человечеством в процессе развития общественного производства. Являясь продуктом производства, техника облегчает трудовые усилия человека и увеличивает их эффективность. Техника последовательно заменяет человека в выполнении технологических функций, связанных с физическим и несложным умственным трудом [1].
   Средствами техники пользуются для воздействия на предметы труда при создании материальных и культурных благ; для получения, передачи и превращения энергии; сбора, хранения, переработки и передачи информации; исследования законов развития природы и общества; передвижения и связи; управления обществом, обслуживания быта; обеспечения обороны. Таким образом, техника является средством удовлетворения потребностей (в том числе и средством производства).
   Развитие техники выражается в создании новых и усовершенствовании существующих типов машин, оборудования, приборов, в повышении технического уровня производственных процессов, их комплексной механизации и автоматизации, в создании новых материалов, топлива и преобразователей энергии, в производстве более совершенных изделий, улучшении их технико-экономических, функциональных и эстетических характеристик.

ВВЕДЕНИЕ

   В дальнейшем для обозначения любого образца создаваемой или применяемой техники мы будем в основном использовать термин изделие. Обычно под изделием понимают любой предмет или набор предметов производства, подлежащих изготовлению на предприятии. Использование этого термина подчеркивает, что образец или техническое средство, о котором идет речь, рассматривается как предмет или продукт производства. Изделия подразделяют на неспецифицирован-ные, т.е. не имеющие составных частей (детали), и специфицированные, т.е. состоящие из двух и более составных частей (сборочные единицы). Составные части сборочной единицы подлежат соединению между собой (собираются) на предприятии-изготовителе.
   Поставляются и применяются изделия как готовая техническая продукция, как правило, в составе комплексов или комплектов. Под комплексом и комплектом понимают совокупность (два или несколько) изделий, не объединенных на предприятии-изготовителе сборочными операциями. Термин комплекс подчеркивает обязательное взаимодействие входящих в него изделий в процессе применения. Так, вычислительный комплекс - объединение нескольких цифровых вычислительных или управляющих машин и других технических средств, используемых с целью повышения производительности или надежности. Добычный комплекс - совокупность средств механизации для выемки полезного ископаемого, связанных в единый технологический процесс. Изделия комплекта имеют, как правило, общее эксплуатационное назначение вспомогательного характера. Примерами комплектов могут служить: комплект запасных частей и принадлежностей, комплект инструмента, комплект оборудования.
   Термин система имеет широкий диапазон значений. В науке и технике система - множество элементов, понятий, норм с отношениями и связями между ними, образующих некоторую целостность. Можно говорить о системе элементов вычислительной машины, системе сигналов линии связи, системе допусков. В теории управления под системой понимают совокупность взаимодействующих устройств управления и управляемого объекта. В этом смысле система является некоторой абстрактной выделяемой частью техники, изделия, народного хозяйства, природы, удобной для изучения, исследования. Примерами систем являются: система телевещания, система обслуживания и ремонта бытовой радиоаппаратуры. Можно говорить о создании, разработке, изготовлении технической системы. Этим термином под

1. Техника изделия

11

черкивается, что образец техники (техническое средство) рассматривается как средство удовлетворения потребности (средство производства, средство достижения некоторой цели). Когда говорят, что завод изготовил и поставил систему управления некоторым изделием, например прокатным станом, то имеют в виду, что поставлена аппаратура (устройство управления), которая без управляемого объекта системой управления в строгом смысле не является.
   Под элементом системы понимают часть системы, предназначенную для выполнения определенных функций и неделимую на составные части при заданном уровне рассмотрения. Двойственность рассмотрения одних и тех же образцов техники в качестве составных частей (сборочных единиц) некоторых изделий и одновременно в качестве элементов некоторых систем объясняется тем, что в процессе создания техническое средство является предметом производства, а в процессе применения - средством удовлетворения потребности (средство производства).
   Процесс создания и процесс применения. Технику как совокупность средств обычно рассматривают и изучают в процессе развития. Отдельные технические средства, изделия можно рассматривать в процессе создания и (или) в процессе применения, т.е. в рамках одного жизненного цикла. Процесс развития техники складывается из жизненных циклов отдельных технических средств. Историческое развитие общества, приводящее к возникновению новых потребностей, с одной стороны, и фундаментальные открытия, новые научные достижения - с другой становятся объективными источниками необходимости и возможности создания и применения новых изделий. Именно с осознания новой цели (необходимости удовлетворения новой или изменившейся потребности) начинается жизненный цикл изделия. Идея создания нового изделия может быть инициирована также возможностями использования новых материалов, технологий, конструкторских решений, накопленным опытом эксплуатации и т.п. Заканчивается жизненный цикл изделия его моральным старением или исчезновением потребности, для удовлетворения которой оно использовано.
   При описании и изучении изделий их жизненный цикл подразделяют на составные элементы (этапы, стадии), имеющие специфические черты и особенности. Так, иногда различают идеальный жизненный цикл изделия, включающий изучение потребности, проектирование и планирование, и жизненный материальный цикл, в котором выделяют

ВВЕДЕНИЕ

этапы строительства, освоения, эксплуатации (например, поточной линии) или этапы изготовления, развертывания, применения (системы метеорологических спутников).
   Общепринято выделять из жизненного цикла процесс создания и процесс применения изделия. Составными частями процесса создания являются стадии разработки, изготовления и поставки изделия данного типа. Составные части процесса применения (эксплуатации) готовых образцов: хранение, транспортировка, профилактика, обслуживание, ремонт, подготовка к применению, собственно применение и т.п. На стадии проектирования изделия (разработка технического задания, технического предложения, эскизного проекта, технического проекта, рабочей документации), относящихся к идеальному циклу, решения воплощаются в документации и касаются всех изделий данного типа, которые подлежат изготовлению. На последующих стадиях таких, как изготовление опытных образцов, проведение автономных, комплексных, межведомственных и государственных испытаний, подготовка документации на изделия серийного производства, изготовление и испытание установочной партии изделий, изготовление серийных образцов, объектом исследования могут быть и все изделия данного типа, и каждый конкретный образец (экземпляр). В процессе создания (разработки) основного изделия можно разрабатывать, изготовлять и применять вспомогательные изделия: опытные образцы, экспериментальные установки, контрольно-проверочное оборудование и т.п. Жизненные циклы таких изделий, естественно, могут не совпадать с жизненным циклом основного изделия, являющегося объектом проводимого исследования.
   Процесс создания и процесс применения изделия представляют в виде последовательных стадий работ, каждая из которых может расчленяться на более мелкие этапы и далее на отдельные работы. Отдельные работы, выполняемые разработчиками и изготовителями различных составных частей изделия, являются независимыми и могут проводиться параллельно. Но в общем случае результаты работ и этапов по отдельным составным частям влияют на проведение работ по другим частям изделия. Поэтому более точно процесс создания и процесс применения изделий могут быть представлены сетевым графом, «вершины - события» которого строго упорядочены через «дуги - работы». Кроме того, на множестве событий выделяют так называемые контролируемые события, после наступления которых проводится

2. Исследование как процесс обоснования решений

13

анализ полученных результатов по изделию в целом и принимается решение о переходе к последующей стадии.
   В процессе выполнения стадии, этапов и отдельных работ, а также при анализе полученных результатов участники процесса создания и процесса применения изделий принимают решения, связанные с разработкой, изготовлением, эксплуатацией и собственно применением всех изделий данного типа и каждого экземпляра в отдельности. Все прикладные исследования, в том числе исследования эффективности и надежности, сопровождающие процесс создания и процесс применения изделия, непосредственно связаны с обоснованием всей совокупности принимаемых решений.

2.          Исследование как процесс обоснования решений

   Термин исследование используется для обозначения деятельности людей и коллективов по обоснованию (принятию) проектных, конструкторских и управленческих решений, связанных с эффективностью или надежностью. Таким образом, имеются в виду, в первую очередь, прикладные исследования эффективности и надежности техники; именно им и посвящен в основном предлагаемый учебник. Внешними по отношению к прикладным являются фундаментальные исследования в теории эффективности и в теории надежности. Их содержание включает: классификацию объектов, задач и методов прикладных исследований, определение направлений их дальнейшего развития; развитие методологии прикладных исследований, т.е. общих положений, методики, математических основ и принципов обоснования решений; построение и развитие методов и специального математического обеспечения планирования и управления процессом создания и процессом применения техники.
   Рассмотрим содержание основных решений, принимаемых на контролируемых стадиях работ в процессе создания и применения изделий [1].
   На первой стадии (разработка технических требований / технического задания) проводят анализ вновь появившейся потребности и возможностей ее удовлетворения ранее освоенными или новыми изделиями. При этом задачи обоснования решения формулируют следующим образом:

ВВЕДЕНИЕ

   • определение целесообразности разработки нового изделия;
   • определение целесообразных сроков создания изделий;
   •     выбор целесообразного (оптимального) ряда изделий одного класса.
   В результате решения любой из перечисленных задач может быть выполнено техническое задание (технические требования) на разработку нового изделия. Специфика анализа на этой стадии «от потребности», проводимого, как правило, научно-исследовательскими институтами заказывающих отраслей, заключается в том, что в ТЗ (техническом задании или проекте ТЗ) в первую очередь указывают потребительские свойства нового изделия, т.е. свойства и их возможные сочетания, определяющие потребительскую ценность изделия.
   На второй стадии (разработка технического предложения) проводят анализ возможностей создания изделия с желаемыми потребительскими и соответствующими конструктивными и эксплуатационными свойствами, а также анализ его облика. Специфика анализа на этой стадии «от возможностей», проводимого, как правило, головными конструкторскими бюро и институтами разрабатывающих отраслей, заключается в том, что дополнение перечня потребительских свойств конструктивными и эксплуатационными характеристиками позволяет ставить задачу определения затрат ресурсов на создание и применение различных вариантов изделия. Задачи обоснования решений формулируют так:
   • выбор рационального сочетания проектных параметров;
   • сравнение вариантов облика создаваемого изделия.
   Кроме того, знание возможных эксплуатационных свойств будущего изделия позволяет уточнить возможные варианты применения изделий для удовлетворения потребностей, предложенные при разработке ТЗ. Результатом исследований на рассмотренных стадиях являются согласование и утверждение ТЗ и принятие решения о создании нового изделия (определяются основная кооперация, предварительные планы опытно-конструкторских работ).
   На следующих стадиях эскизного и технического проектирования проводят детальную проработку проекта; разрабатывают проектноконструкторскую, технологическую и эксплуатационную документацию, единый план (ЕП) создания изделия, программные документы по обеспечению надежности и экспериментальной отработки; увязывают сроки изготовления, испытаний, поставки опытных и штатных образ

2. Исследование как процесс обоснования решений

15

цов. Именно на этих стадиях принимается основная доля конструкторских и технологических решений, при этом повторяются решения, связанные с разработкой ТЗ и выбором рационального сочетания параметров, но на более низких иерархических уровнях структуры создаваемого изделия. Процесс проектирования заканчивают на уровне элементов (радиоизделий, агрегатов, механизмов), уже выпускаемых промышленностью. Тем самым завершают идеальный цикл жизни нового изделия и планирование его материального цикла [1].
   Наряду с формами решений, рассмотренными выше, ставятся задачи оптимального планирования, обоснования программных документов:
   •     разработка рабочей документации, изготовление и испытание опытных образцов с корректировкой рабочей документации;
   • комплексные и межведомственные испытания;
   • государственные испытания;
   •     подготовка документации на изделия серийного производства, изготовление и испытания установочной партии изделий с корректировкой документации для серийного производства;
   •     реализация жизненных циклов экспериментальных образцов, предназначенных для экспериментальной проверки качества конструкторской, технологической и частично эксплуатационной документации, в соответствии с которой затем будут реализовываться жизненные циклы серийных образцов создаваемого изделия;
   •     экспериментальная проверка соответствия заложенных в документацию свойств создаваемого изделия требованиям ТЗ.
   На стадии опытной эксплуатации (если она предусмотрена единым планом создания изделия) окончательно проверяют качество эксплуатационной документации. Результаты опытной эксплуатации дают реальную информацию о применении новых изделий и подтверждают правильность (или ошибочность) ранее принятых решений.
   Последняя стадия жизненного цикла (процесса создания и применения) изделий - эксплуатация и ремонт - может содержать многочисленные материальные циклы отдельных образцов, включающие изготовление, транспортировку, хранение, подготовку к применению, применение и т.п.
   При этом может быть использована как информация, полученная на предыдущих стадиях, так и оперативно получаемая информация о ходе и результатах применения других серийных образцов.

ВВЕДЕНИЕ

3. Экспериментирование и моделирование как основной способ получения информации для обоснования решений

   Рассмотрев содержание основных решений, принимаемых в процессе создания и применения нового изделия, можно заметить их многообразие в зависимости от стадии создания объекта исследования, формулировки задач. Однако для всех их общим является то, что исследователь собирает, обрабатывает и представляет информацию в форме, удобной для принятия на ее основе того или иного решения. В зависимости от инструмента, с помощью которого получают эту информацию, исследования подразделяют на теоретические и экспериментальные. В ряде случаев такое деление условно и не может быть проведено однозначно, тем не менее его использование раскрывает существо исследования на различных стадиях и различных объектах.
   На стадиях идеального жизненного цикла, когда изучают потребности, проектируют процесс создания и применения нового изделия, моделирование является единственным инструментом обоснования принимаемых решений; источником исходной для исследования информации служит опыт и результаты, зафиксированные при разработке, отработке, изготовлении, эксплуатации, функционировании изделий-аналогов. Поскольку создание нового изделия всегда связано с получением новых потребительских, конструктивных и эксплуатационных свойств, теоретическое исследование на стадиях идеального жизненного цикла предполагает построение моделей, которые будут работать за пределами достигнутых ранее диапазонов свойств изделий и способов их проектирования, отработки, изготовления, применения. При этом предполагают, что модели воспроизводят механизмы изучаемых явлений и сами эти механизмы инвариантны к изменению составляющих параметров во всем изучаемом исследователем диапазоне.
   С начала создания и применения изделия появляется возможность наряду с теоретическими проводить экспериментальные исследования, т.е. экспериментально проверять реальность использованных ранее моделей и принятых решений. Причем проверке могут быть подвергнуты последствия принимаемых решений, т.е. потребительские свойства проектируемого изделия, создаваемого и применяемого в соответствии с разработанной конструкторской, технологической и эксплуата