Текстовые фрагменты публикации
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
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
