Надежность технических систем и техногенный риск

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ 

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 

Федеральное государственное автономное образовательное 

учреждение высшего образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерно-технологическая академия

Т.Н. Мясоедова, Н.К. Плуготаренко

НАДЕЖНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ И 

ТЕХНОГЕННЫЙ РИСК

Учебное пособие

Таганрог

Издательство Южного федерального университета

2016

УДК 62-192:504.1(075)
ББК 62-192(075)

М995

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Южного федерального университета

Рецензенты:

Доктор технических наук, профессор Донского государственного 

технического университета Есипов Ю.В.;

кандидат технических наук, заведующий лабораторией многопроцессорных 
информационно-управляющих систем мехатронных комплексов НИИ МВС

Южного федерального университета Коробкин В.В.

Мясоедова, Т.Н.

Надежность технических систем и техногенный риск: учебное 

пособие / Мясоедова Т.Н.,  Плуготаренко Н.К. ; Южный федеральный 
университет. –
Таганрог : Издательство Южного федерального

университета, 2016. – 84 с.
ISBN 978-5-9275-2307-8

В учебном пособии освещены вопросы надежности и производственной 

безопасности. Приведены основные термины и определения, а также 
положения теории надежности и техногенного риска. Приведены основные 
количественные показатели теории надежности, в том числе для определения 
надежности 
восстанавливаемых 
и 
невосстанавливаемых 
изделий. 

Рассмотрены структурные схемы надежности технических систем и методы 
их расчета. Особое внимание уделено способам повышения надежности 
технических систем. Рассмотрены логико-графические методы расчета 
надежности и риска, в частности метод «дерева отказов».

Пособие предназначено для студентов бакалавриата и магистратуры, 

обучающихся по направлениям 
20.03.01 и 20.04.01 «Техносферная 

безопасность», а также может быть полезно для студентов других 
инженерных специальностей.

ISBN 978-5-9275-2307-8

УДК 62-192:504.1(075)

ББК 62-192(075)

© Южный федеральный университет, 2016
© Мясоедова Т.Н., Плуготаренко Н.К., 2016

М995

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………
5

РАЗДЕЛ 1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ РАСЧЕТА НАДЕЖНОСТИ 

ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ И ТЕХНОГЕННОГО РИСКА..........................
6

1.1.Основные понятия теории надежности…………………………………
6

1.1.1.Объект, элемент, система....................................................................
6

1.1.2. Понятие надежности...........................................................................
9

1.1.3. Классификация и характеристики отказов..........................
10

1.1.4.Внешние факторы, влияющие на надежность технической 

системы............................................................................................................
12

1.2.Основные понятия и определения теории техногенного риска
14

РАЗДЕЛ 2. КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ 

НАДЕЖНОСТИ………………………………………………………………
18

2.1. Предварительные сведения……………………………………………..
18

2.2. Показатели безотказности объектов……………………………………
19

2.3. Показатели долговечности объектов…………………………………...
23

2.4. Показатели сохраняемости объектов…………………………………..
26

2.5. Комплексные показатели надежности…………………………………
26

РАЗДЕЛ 3. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ 

ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ…………………………………………………
31

3.1. Общая характеристика методов повышения надежности 

технических систем………………………………………………………….
31

3.2.Резервирование…………………………………………………………..
32

РАЗДЕЛ 4. РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ……..
37

4.1.Этапы расчета систем……………………………………………………
37

4.2.Расчет надежности системы с последовательным соединением 

элементов……………………………………………………………………..
38

4.3.Расчёт надёжности системы с параллельным соединением элементов
40

4.4.Способы преобразования сложных структур..........................................
43

4.5.Расчет показателей надежности резервированных изделий..................
46

4.6. Системы типа «m из n»………………………………………………….
49

РАЗДЕЛ 5. ЛОГИКО-ГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА 

НАДЕЖНОСТИ И РИСКА………………………………………………….
56

5.1.Анализ опасностей и связанных с ними проблем……………………...
56

5.2. Анализ видов, последствий и критичности отказов…………………..
56

5.3. «Дерево отказов»………………………………………………………..
58

5.3.1. Общие понятия……………………………………………………………….
58

5.3.2.Достоинства «дерева отказов»...........................................................
60

5.3.3.Недостатки «дерева отказов».............................................................
60

5.3.4.Логические символы………………………………………………………….
61

5.4. «Дерево событий»……………………………………………………….
65

5.5. «Дерево решений»……………………………………………………….
66

5.6. Программное обеспечение для оценки надежности технических 

систем………………………………………………………………………….
67

5.7. Пример расчета показателей надежности в программном комплексе 

АРБИТР……………………………………………………………………….
72

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК……………………………………….
78

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время частота возникновения чрезвычайных ситуаций, 

которые сопровождаются гибелью людей в России, существенно выше 

других развитых стран [1]. Частыми также являются «мелкие» происшествия 

на производственных предприятиях, которые не ведут к тяжелым 

последствиям. Это связано с неудовлетворительным состоянием дел в 

области обеспечения безопасности производства и соответствующих условий 

труда для работников.

По числу случаев травматизма со смертельным исходом Россия 

значительно выделяется среди экономически развитых стран [2]. 

Сложившаяся кризисная ситуация по аварийности и травматизму 

может быть объяснена не только низкой культурой безопасности
и 

технологической 
недисциплинированностью 
персонала, 
но 
и 

конструктивным 
несовершенством 
используемого 
технологического 

оборудования.

Основными причинами техногенных аварий чаще всего являются:

- отказы технических систем по причине дефектов, образующихся на 

стадии изготовления и в процессе эксплуатации;

ошибочные действия работников, обслуживающих технические 

системы;

- нахождение нескольких производств в одной промышленной зоне;

- высокий уровень энергопотребления;

- внешние воздействия (влажность, тепловое воздействие, химическое 

воздействие и т.д.).

Оценка опасности производственных объектов (технических систем) 

заключается 
в 
определении 
возможных 
чрезвычайных 
ситуаций, 

разрушительных воздействий пожаров, взрывов на эти объекты, а также на 

людей. Оценка этих опасных воздействий на надежность технических систем 

осуществляется на стадии проектирования с учетом требований нормативно
технических документов.

РАЗДЕЛ 1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ РАСЧЕТА НАДЕЖНОСТИ 

ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ И ТЕХНОГЕННОГО РИСКА

1.1.
Основные понятия теории надежности

1.1.1 Объект, элемент, система

В основу перечня терминов и определений теории надежности  

положен ГОСТ 27.002-89 Надежность в технике. Термины и определения, 

формулирующие применяемые в науке и технике термины и определения в 

области надежности [3].

Объект - техническое изделие определенного целевого назначения, 

рассматриваемое в периоды проектирования, производства, испытаний и 

эксплуатации. 

Объектами могут быть различные системы и элементы этих систем 

(устройства, сооружения, технические изделия,  машины, аппараты, приборы 

и их части, агрегаты и отдельные детали).

Система - объект, представляющий собой совокупность элементов, 

взаимодействующих в процессе выполнения определенного круга задач и 

взаимосвязанных функционально. 

Элемент системы - объект, представляющий собой простейшую  часть 

системы, отдельные части которого не представляют самостоятельного 

интереса в рамках конкретного рассмотрения. 

Понятия «система» и «элемент» выражаются друг через друга, так 

какодно из них следовало бы принять в качестве исходного. Понятия эти 

относительны: объект, который считается системой в одном случае, может 

рассматриваться как элемент, в другом, - когда изучают системы большего 

масшатаба.Например, производящий энергию объект является системой, но в 

объединении подобных объектов он становится элементом. 

Исправность – состояние объекта, при котором он соответствует всем 

требованиям нормативно-техничеcкой документации и/или конструкторской 

(проектной) документации.

Неисправность – состояние объекта, при котором он не соответствует 

хотя бы одному из требований нормативно-технической документации и 

(или) конструкторской (проектной) документации.

Работоспособность – состояние объекта, при котором значения всех 

параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, 

соответствуют требованиям нормативно-технической документации и (или) 

конструкторской (проектной) документации.

Неработоспособность – состояние объекта, при котором значение 

хотя бы одного заданного параметра, характеризующего способность 

выполнять заданные функции, не соответствует требованиям нормативно
технической 
документации 
и 
(или) 
конструкторской 
(проектной) 

документации.

Работоспособность и неработоспособность в общем случае могут быть 

полными 
или 
частичными.
Полностью 
работоспособный 
объект 

обеспечивает в определённых условиях максимальную эффективность его 

применения. 

Предельное состояние – такое состояние объекта, при котором его 

дальнейшая 
эксплуатация 
недопустима 
или 
нецелесообразна 
либо 

восстановление 
его 
работоспособного 
состояния 
недопустимо 
или 

нецелесообразно.

Критерии предельного состояния – признаки, устанавливаемые в 

нормативно-технической и конструкторской документации.

Дефект (по ГОСТ 27.002-89) – событие, при котором нарушается 

исправное состояние объекта, но сохраняется его работоспособность.

Повреждение - событие, которое заключается в нарушении исправного 

состояния. При этом  работоспособное состояние сохраняется.

Отказ–событие, заключающееся в нарушении работоспособного 

состояния объекта.

В результате повреждений или отказов происходят переходы объектов 

из одних состояний в другие.

Критерий 
отказаотличительный 
признак 
или 
совокупность 

признаков, согласно которым устанавливается факт отказа.

Признаки (критерии) отказов устанавливаются согласно нормативно
технической документацией на данный объект.

Восстановление 
процесс 
обнаружения 
и 
устранения 
отказа 

(повреждения) 
с 
целью 
восстановления 
его 
работоспособности 

(исправности).

Восстанавливаемый объект - объект, работоспособность которогов 

случае возникновения отказа подлежит восстановлению в рассматриваемых 

условиях.

Невосстанавливаемый объект - объект, работоспособность которого в 

случае 
возникновения 
отказа 
не 
подлежит 
восстановлению 
в 

рассматриваемых условиях.

При анализе надежностиважным является принимаемое решение при

отказе объекта. Если в данной ситуации восстановление работоспособности 

данного объекта признается нецелесообразным или невозможным в силу 

ряда причин, то такой объект в указанной ситуации будет считаться 

невосстанавливаемым. Отсюда следует, что один и тот же объект в 

зависимости от особенностей или этапов эксплуатации может считаться 

восстанавливаемым или невосстанавливаемым [4].

Работа 
объекта 
характеризуется 
следующими 
временными 

характеристиками:

Наработка — продолжительность или объем работы объекта. Объект 

может работать непрерывно или с перерывами. Во втором случае 

учитывается суммарная наработка. 

Технический ресурс - наработка объекта от начала его эксплуатации до 

достижения предельного состояния.

Если не указано иного, то имеется в виду ресурс от начала 

эксплуатации до достижения предельного состояния после всех 
видов 

ремонтных работ (средних и капитальных), т.е. до списания по техническому 

состоянию.

Срок службы - календарная продолжительность эксплуатации объекта 

от ее начала или возобновления после капитального или среднего ремонта до 

наступления предельного состояния.

Эксплуатацияобъекта –стадия существования объекта в распоряжении 

потребителя при условии его применения по назначению, что может 

чередоваться 
с 
хранением, 
транспортированием, 
техническим 

обслуживанием и ремонтом, если это осуществляется потребителем.

Срок сохраняемости - календарная продолжительность хранения и/или

транспортирования объекта в заданных условиях, в течение и после которой 

сохраняются значения установленных показателей (в том числе и 

показателей надежности) в заданных пределах.

1.1.2.Понятие надежности

Согласно [3]надежность - свойство объекта сохранять во времени в 

установленных пределах значения всех параметров, характеризующих 

способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и 

условиях 
применения, 
технического 
обслуживания, 
хранения 
и 

транспортирования.

Надежность сочетает в себе свойства безотказности, долговечности, 

ремонтопригодности, сохраняемости (табл.1.1 ). Для конкретных объектов и 

условий 
их 
эксплуатации 
эти 
свойства 
могут 
иметь 
различную 

относительную значимость.

Таблица 1.1

Свойства надежности [3]

Термин
Определение

Безотказность
Свойство 
объекта 
непрерывно 
сохранять 

работоспособное состояние в течение некоторого 
времени или наработки

Долговечность
Свойство объекта сохранять работоспособное 
состояние до наступления предельного состояния 
при 
установленной 
системе 
технического 

обслуживания и ремонта

Ремонтопригодность
Свойство 
объекта, 
заключающееся 
в 

приспособленности 
к 
поддержанию 
и 

восстановлению 
работоспособного 
состояния 

путем технического обслуживания и ремонта

Сохраняемость
Свойство объекта сохранять в заданных пределах 
значения 
параметров, 
характеризующих 

способности 
объекта 
выполнять 
требуемые 

функции, в течение и после хранения и (или) 
транспортирования

1.1.3. Классификация и характеристики отказов

При возникновении отказов в технической системе происходит 

изменение характера работы, появляются внешние признаки отказов и 

зависимость 
от 
отказов 
других 
систем, 
уменьшается 
возможность 

дальнейшего 
полноценного 
использования 
системы, 
появляется 

необходимость 
оценить 
возможность 
устранения 
отказов, 
характер 

устранения 
основных 
параметров 
отказов, 
определить 
причины 

возникновения отказов и др. Отказы классифицируют по различным 

признакам отказов[5]:

–по характеру работы после возникновенияотказов:

– параметрический отказ происходит вследствие превышения пределов 

допустимого изменения рабочего параметра; 

–функциональный отказ наступает из-за прекращения выполнения 

объектом его основных функций, дальнейшая эксплуатация возможна только 

после ремонта;

–повнешним признакам отказов:

–явный
отказ – непосредственно воспринимаемый органами чувств 

или средствами контроля;

–неявный
отказ, 
обнаружение
которого 
требует 
выполнение 

специальных операций контроля;

–по зависимости от отказов других объектов:

–независимый отказ,не обусловленный отказом другого объекта;

–зависимый отказ, обусловленный отказом другого объекта;

–по возможности дальнейшего использования объектов:

–полный отказ – прекращение выполнения объектом всех функций;

–частичный отказ –прекращение выполнения некоторых функций;

–повозможности устранения отказов:

–устранимый отказ, причины которого известны и могут быть 

устранены;

–неустранимый отказ, причины которого неизвестны или не могут 

быть устранены для изделия данного вида;

–похарактеру устранения отказов:

–устойчивый отказ обычно требует проведения специальных работ;

–самоустраняющийся отказ - кратковременное нарушение

работоспособности;

–сбой – отказ, не нарушающий работоспособности объекта, а только 

приводящий 
к 
кратковременной 
потере
или 
искажению 
полезной 

информации в системе;

–перемежающийся отказ – многократно возникающий

самоустраняющийся отказ объекта, имеющий один и тот же характер;

–по характеру изменения основных параметров отказов:

–внезапный отказ – появляющийся при скачкообразном изменении 

значений одного или нескольких параметров объекта;

–постепенный
отказ –медленное изменение значений параметров 

объекта;

–систематический отказ – многократно повторяющийся однородный 

по определенным признакам отказ, который появляется
вследствие 

недостатков конструкции, процесса изготовления и т. п.;

–попричинам возникновения отказов:

–конструкционный отказ – возникающий из-за несовершенства и 

недостатков конструкции;

–производственный
(технологический) отказ является
следствием

ошибок, нарушений и несовершенства технологии;

–эксплуатационный отказ является следствием нарушений правил 

эксплуатации;

–позначимости отказов:

–критический отказ, при котором возникает угроза человеку или 

окружающей среде;

–существенный отказ, при котором ухудшение эксплуатационных 

характеристик или полная непригодность объекта к эксплуатации не 

приводят к опасности для человека;

–несущественный
отказ 
имеет 
незначительные 
последствия, 

вызывающие недовольство;

–по времени возникновения отказов:

–приработочный отказ появляется в начальный период эксплуатации;

–отказ принормальной эксплуатации;

–отказ вследствие износа появляется взаключительный период

эксплуатации.

1.1.4. Внешние факторы, влияющие на надежность технической 

системы

С течением времени в любой технической системе происходят 

изменения, которые могут приводить
к потере или снижению ее 

работоспособности. Эти изменения связаны с внешними и внутренними 

воздействиями, которым подвергается техническая система. В процессе