Министерство образования и науки
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
БАЛТИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф.УСТИНОВА
Кафедра И3
В.А. Керножицкий, В.А. Санников, И.А. Ледовой
НАДЕЖНОСТЬ ОРГАНИЗАЦИОННО-ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ И ИХ ЭЛЕМЕНТОВ
Учебное пособие
Санкт-Петербург
2010г.
Удк 621.3.019
Надежность организационно-технических систем: учебное пособие / В.А. Керножицкий, В.А. Санников, И.А. Ледовой; Балт. гос. техн. ун-т. – Спб., 2010. - с.
В пособии изложены основные вопросы надежности организационно-технических систем (ОТС), в состав которых входят коллективы людей и управляемые ими технические комплексы различного уровня сложности. Обобщены и сформулированы критерии и показатели надежности ОТС включающих как сложный технический комплекс в целом, так и их элементы различных уровней на этапах проектирования, производства, испытаний и эксплуатации. Рассмотрен ряд методов оценки показателей надежности ОТС и их элементов. Пособие предназначено для учащихся высших учебных заведений, изучающих курс основ надежности, а также для инженерно-технических работников, занимающихся созданием ОТС, а также испытаниями и оценкой надежности входящих в их состав технических устройств.
Рецензенты:
Утверждено
редакционно- издательским
советом университета
Введение
Основной задачей теории надежности является разработка количественных методов оценки надежности и определение наиболее рациональных методов обеспечения требуемого уровня надежности создаваемых и вводимых в эксплуатацию объектов.
Характерной чертой теории надежности является то, что процесс обеспечения надежности рассматривается как единый процесс, охватывающий этапы проектирования, отработки, серийного производства и эксплуатации и заключающийся в разработке и внедрении мероприятий, направленных на достижение требуемого уровня надежности при минимальных затратах на различных этапах жизненного цикла [4 – 13].
Цель настоящего пособия – изложение основных положений современной теории надежности сложных технических систем и объектов с учетом их структуры и назначения и рекомендаций к их применению на практике.
Возникновение проблемы надежности обусловлено в основном следующими причинами: ростом сложности технических систем, возрастающей «ценой» отказа, сложностью условий, в которых эксплуатируются и применяются технические системы, повышением степени механизации и автоматизации, возрастанием роли «человеческого» фактора.
В развитии теории надежности выделяется два основных направления. Первое связано с разработкой методов обеспечения и расчета надежности техники, второе – с разработкой методов проектирования высоконадежных систем, обычно называемое проектированием или синтезом систем по надежности.
Математически первое направленное определяет решение «прямой» задачи надежности
,
а второе направление определяет решение «обратной» задачи надежности
,
характеризующей поиск оптимальных решений в определенных эксплуатационных, технических и экономических условиях, где
Cзад- заданное значение стоимости ресурсов выделяемых на обеспечения надежности, являющейся функциейC(·)многих переменных;
Pзад- заданное значение показателя надежности;
supP(t),infC(·) - верхняя и нижняя границы функцийP(t) иC(·) соответственно.
Примеры решения указанных задач рассматриваются в последующих разделах настоящего пособия.
Появление и первые шаги теории надёжности обусловлены конкретными практическими задачами. Наука возникла из практики и призвана обеспечить решение практических задач. С другой стороны, под влиянием теории надёжности изменились и сами принципы проектирования систем, появились новые методы проектирования и испытаний, разработаны новые элементы, найдены материалы, обладающие гораздо лучшими характеристиками и т.д. Следовательно, на примере развития теории надёжности прослеживается диалектическое единство теории и практики.
При повышении надёжности улучшается использование выпускаемой техники, так как сокращаются ее простои из-за отказов и связанные с ними экономические потери из-за простоев в процессе эксплуатации, а также из-за необходимости производства ремонтов и профилактик. В результате чего снижается как число отказов, так и «цена» каждого отказа, что приводит к повышению эффективности процессов эксплуатации и применения техники с одновременным возрастанием роли организационно-технических факторов.
Для достижения указанной цели в пособии рассматриваются и решаются задачи, суть которых состоит в следующем:
- дать теоретическое знание по общей теории надёжности современных организационно-технических комплексов (ОТС);
- изучить пути и методы повышения и обеспечения надежности ОТС и их элементов.
Эти задачи обусловлены, прежде всего, потребностями практики, ими занимается всё большее число исследователей и инженеров, поэтому изложение основ их решения определяет основу и содержание настоящего пособия.
Выбор методов решения практических задач надёжности связан с целым рядом характерных для них особенностей и специфических условий, что не позволяет непосредственно использовать известные методы общей теории надёжности, созданной в основном на базе устройств автоматики радиоэлектроники и вычислительной техники. Рассмотрение и учёт этих особенностей в настоящем пособии представляется актуальным.
Например, современные летательные аппараты (ЛА) и наземное оборудование (НО), которые совместно с эксплуатирующим их персоналом образует сложные организационно-технические системы (ОТС), образующие комплексы ЛА, и все более приобретают признаки больших систем, такие как целенаправленность, наличие организованной структуры, иерархии, множества входов и выходов, взаимодействие элементов, оценка результатов деятельности, принятие решений, управление и связь, изменение состояний. Все это обуславливает использование при решении сформулированных выше практических задач надежности системного подхода вместе со всем арсеналом средств кибернетики, теории вероятностей и математической статистики, теории информации, теории игр и решений, теории графов и сетей, факторного анализа, теории систем, теории операций, экспертных оценок, эрганомики, инженерной и социальной психологии, системотехники, теории множеств и теории оптимизации [1 – 21].
Системный подход позволяет учесть такие факторы, как случайность событий, неопределенность информации, конфликтность жизненных ситуаций, диффузность сложных объектов, автоматическое действие средств защиты и управления, и определяет по существу комплексный подход к проблеме надежности как самих ЛА и НО, так и этих комплексов в составе сложных ОТС. Поэтому с учётом формул (1.1) и (1.2) в пособии в качестве примеров рассматриваются вопросы оптимизации, отработки, испытаний и производства различных элементов комплекса ЛА.
Настоящее пособие призвано оказать помощь в усвоении основных положений теории надёжности, способов обеспечения и повышения надёжности в процессе проектирования, производства и эксплуатации объектов, в оценке показателей надёжности сложных организационно-технических систем (ОТС), в умении грамотно применять эти знания на практике, а также иметь представление о возможных путях и средствах повышения надёжности в ближайшем будущем.
Пособие, базируется на общетеоретических курсах физики, высшей математики, основ технической кибернетики, теории вероятностей и математической статистики.
ОГАЛВЛЕНИЕ
|
|
Стр. | ||||
|
Введение |
3 | ||||
|
Часть 1. Основы теории надежности организационно-технических систем и входящих в их состав объектов…………………………………………….. |
12 | ||||
|
1. |
Раздел 1. Описание свойств организационно-технических систем и входящих в их состав объектов…………………………………………. |
12 | |||
|
|
1.1. |
Системный подход к исследованию надежности сложных технических комплексов…………………………………………. |
12 | ||
|
|
1.2. |
Техническое состояние объектов в составе организационно-технических систем………………………………………………. |
15 | ||
|
|
1.3. |
Основные термины и определения в области надежности технических объектов и организационно – технических систем……………………………………………………………… |
19 | ||
|
|
1.4. |
Организационно-техническая система и ее свойства………….. |
24 | ||
|
|
1.5. |
Учет человеческого фактора в организационно-технических системах…………………………………………………………… |
34 | ||
|
|
1.6. |
Качество организационно-технических систем………………… |
41 | ||
|
|
1.7. |
Краткая характеристика жизненного цикла сложных технических объектов в составе организационно – технических систем………………………………………………. |
44 | ||
|
2. |
Раздел 2. Модели отказов технических объектов……………………… |
52 | |||
|
|
2.1. |
Модель отказов при мгновенных повреждениях………………. |
52 | ||
|
|
2.2. |
Модель отказов, обусловленных накапливающимися повреждениями…………………………………………………… |
58 | ||
|
|
2.3. |
Модель “Нагрузка – сопротивляемость объекта”………………. |
69 | ||
|
|
2.4. |
Модели параметрических отказов………………………………. |
74 | ||
|
|
|
2.4.1. |
Модель параметрического отказа при одном параметре, характеризующем работоспособность объекта…………………………………………………… |
74 | |
|
|
|
2.4.2. |
Модель параметрической надежности объекта при нескольких параметрах, характеризующих работоспособность его систем и элементов………….. |
80 | |
|
|
2.5. |
Физические основы процессов разрушения твердых тел……… |
84 | ||
|
3. |
Раздел 3. Показатели надежности организационно-технических систем и их элементов…………………………………………………… |
89 | |||
|
|
3.1. |
Особенности показателей надежности организационно-технических систем и их элементов……………………………. |
89 | ||
|
|
3.2. |
Показатели безотказности невосстанавливаемых объектов….. |
89 | ||
|
|
3.3. |
Показатели безотказности объектов с мгновенным восстановлением………………………………………………….. |
102 | ||
|
|
3.4. |
Комплексные показатели надежности (показатели надежности организационно – технических систем)………… |
112 | ||
|
|
|
3.4.1. |
Функция готовности объектов с конечным временем восстановления…………………………… |
112 | |
|
|
|
3.4.2. |
Показатель нахождения объекта в дежурном режиме.. |
118 | |
|
|
|
3.4.3. |
Показатель (коэффициент) готовности объектов, неконтролируемых в промежутках между проведением технических обслуживаний……………. |
118 | |
|
|
|
3.4.4. |
Выбор оптимального значения периодичности технического обслуживания…………………………… |
121 | |
|
|
|
3.4.5. |
Комплексный показатель надежности организационно-технических систем…………………. |
125 | |
|
|
3.5. |
Особенности оценки надежности программного обеспечения |
128 | ||
|
4. |
Раздел 4. Показатели долговечности…………………………………… |
132 | |||
|
|
4.1. |
Основные формулы и определения……………………………… |
132 | ||
|
|
4.2. |
Основные показатели долговечности…………………………… |
134 | ||
|
|
4.3. |
Задание требований к гамма-процентному сроку службы…… |
138 | ||
|
|
4.4. |
Задание гамма-процентных ресурсов…………………………… |
139 | ||
|
|
4.5. |
Экспертно-факторный подход к оценке и прогнозированию долговечности организационно-технических систем и их составных частей…………………………………………………. |
143 | ||
|
|
4.6. |
Метод определения оптимальных сроков службы объектов с учетом характера их применения……………………………….. |
146 | ||
|
|
4.7. |
Оценка сроков службы оборудования с учетом физического и морального износа……………………………………………… |
152 | ||
|
5. |
Раздел 5. Ремонтопригодность……………………………………….…. |
156 | |||
|
|
5.1. |
Показатели ремонтопригодности…………………………….…. |
156 | ||
|
|
5.2. |
Поиск и устранение неисправностей (отказов)………………... |
160 | ||
|
6. |
Раздел 6. Сохраняемость……………………………………………….... |
163 | |||
|
|
6.1. |
Анализ факторов, влияющих на сохраняемость объектов…… |
163 | ||
|
|
6.2. |
Консервация объектов……………………………………………. |
166 | ||
|
|
6.3. |
Периодичность проверок объектов при хранении……………. |
167 | ||
|
|
6.4. |
Контроль и поддержание температурно-влажностного режима в хранилищах……….……….……….……….……….………….. |
169 | ||
|
|
6.5. |
Особенности хранения крупногабаритных элементов комплексов летательных аппаратов…………….……….………. |
172 | ||
|
|
6.6. |
Предотвращение смятия баков ракет-носителей внешним избыточным давлением…………………………………………... |
175 | ||
|
|
6.7. |
Сохраняемость крупногабаритных элементов ракетно-космической техники при перевозках железнодорожным транспортом………………………………………………………. |
178 | ||
|
|
6.8. |
Определение показателей безотказности объектов в переменном режиме. Физический принцип надежности Н.М. Седякина…………………………………………………………... |
184 | ||
|
7. |
Раздел 7. Определение показателей надежности элементов организационно-технических систем на основе методов теории стохастической индикации. ……….……….……….……….………….. |
191 | |||
|
|
7.1. |
Основы теории стохастической индикации…..……….………... |
191 | ||
|
|
7.2. |
Физическая природа стохастических индикаторов…..………… |
195 | ||
|
|
7.3. |
Методы определения показателей надежности на основе методов стохастической индикации…………………………….. |
196 | ||
|
|
7.4. |
Графический
метод построения функций распределения
|
199 | ||
|
Часть 2. Пути и методы повышения надежности организационно-технических систем и их элементов………………………………………….. |
202 | ||||
|
8. |
Раздел 8. Техническое обслуживание объектов………………………. |
202 | |||
|
|
8.1. |
Назначение и содержание технического обслуживания……… |
202 | ||
|
|
8.2. |
Системы ТО и принципы их выбора……………………………. |
204 | ||
|
9. |
Раздел 9. Надежность систем и объектов с резервированием……….. |
208 | |||
|
|
9.1. |
Виды резервирования…………………………………………….. |
208 | ||
|
|
9.2. |
Показатели надежности устройств с постоянным нагруженным резервом……….……….……….……….………... |
212 | ||
|
|
9.3. |
Показатели надежности при резервировании с ненагруженным резервом ……….……….……….……….……….……….………. |
217 | ||
|
|
9.4. |
Сопоставление общего и раздельного резервирования……….. |
219 | ||
|
|
9.5. |
Скользящее резервирование……………………………………... |
221 | ||
|
|
9.6. |
Резервирование с применением мажоритарного элемента…… |
222 | ||
|
|
9.7. |
Резервирование элементов, отказывающих по причине обрыва или короткого замыкания……………………………………….. |
227 | ||
|
|
9.8. |
Метод свертки……………………………………………………. |
233 | ||
|
|
9.9. |
Логико-вероятностный метод………………………………….. |
234 | ||
|
|
9.10. |
Оценка надёжности мостиковых структур методом перебора |
237 | ||
|
10. |
Раздел 10. Расчет надежности организационно-технических систем и их элементов……….……….……….……….……….…………………... |
240 | |||
|
|
10.1. |
Расчет надежности ремонтируемых организационно-технических систем……….……….……….……….……….…… |
240 | ||
|
|
10.2. |
Особенности расчета надежности резервируемых восстанавливаемых систем ……….……….……….……….…… |
244 | ||
|
|
10.3. |
Примеры расчета надежности восстанавливаемых систем и объектов……….……….……….……….……….……….………. |
247 | ||
|
|
10.4. |
Определение надежности с учетом восстанавливаемости и числа запасных элементов……….……….……….……….…… |
252 | ||
|
11. |
Раздел 11. Оптимальные задачи надежности в организационно-технических системах……….……….……….……….……….………… |
257 | |||
|
|
11.1. |
Оптимальное соотношение между надежностью и стоимостью |
257 | ||
|
|
11.2. |
Определение гарантированного числа запасных элементов….. |
260 | ||
|
|
11.3. |
Оптимальное резервирование……………………………………. |
262 | ||
|
|
11.4. |
Алгоритмы оптимального резервирования…………………….. |
264 | ||
|
|
11.5. |
Применение резервирования в системах наведения и управления летательных аппаратов……………………………... |
271 | ||
|
12. |
Раздел 12. Испытания организационно-технических систем и их элементов ………………………………………………………………… |
279 | |||
|
|
12.1. |
Планы испытаний………………………………………………… |
280 | ||
|
12.2. |
Оценка показателей надежности по результатам испытаний…. |
286 | |||
|
|
|
12.2.1 |
Испытания на надежность элементов объектов в составе организационно-технических систем………… |
286 | |
|
|
|
12.2.2. |
Общие методы оценки показателей надёжности по результатам испытаний…………………………………. |
287 | |
|
|
|
|
Эмпирическая функция распределения и гистограмма результатов испытаний…………………………………. |
287 | |
|
|
|
|
Точечные оценки параметров распределения……….. |
291 | |
|
|
|
|
Метод проверки гипотез о законах распределения….. |
293 | |
|
|
|
|
Графические методы……………………………………. |
295 | |
|
|
|
|
Метод максимального правдоподобия………………… |
297 | |
|
|
|
|
Метод моментов…………………………………………. |
300 | |
|
|
|
|
Метод квантилей………………………………………… |
| |
|
|
|
12.2.3 |
Интервальные оценки показателей надёжности……… |
301 | |
|
|
|
|
Определение доверительного интервала для средней наработке на отказ………………………………………. |
303 | |
|
|
|
12.2.4 |
Контрольные испытания……………………………….. |
307 | |
|
|
|
|
а) Контроль по методу однократной выборки………. |
308 | |
|
|
|
|
Последовательный метод контроля надёжности……. |
315 | |
|
|
12.3. |
Обеспечение надежности объектов РКТ в процессе опытной отработки………………………………………………………….. |
325 | ||
|
|
|
12.3.1. |
Логико-вероятностная модель процесса отработки….. |
325 | |
|
|
|
12.3.2 |
Определение числа доработок для обеспечения требуемого значения показателя надежности………… |
330 | |
|
|
12.4. |
Оптимизация программы испытаний сложных объектов по стоимости………………………………………………………….. |
333 | ||
|
|
12.5. |
Краткая характеристика жизненного цикла сложных технических объектов…………………………………………… |
339 | ||
|
|
12.6. |
Изменение надёжности летательного аппарата при его отработке в составе организационно-технической системы…... |
349 | ||
|
13. |
Раздел 13. Общие вопросы технической диагностики………………… |
352 | |||
|
|
13.1. |
Основные понятия и определения……………………………….. |
352 | ||
|
|
13.2. |
Поиск и устранение неисправностей (отказов)………………… |
357 | ||
|
|
13.3. |
Методы поиска неисправностей (отказов) и обуславливающих их дефектов. |
359 | ||
|
|
|
13.3.1 |
Условия работоспособности объектов. Контроль работоспособности……………………………………… |
359 | |
|
|
|
13.3.2. |
Методы обнаружения дефектов………………………... |
364 | |
|
|
13.4. |
Критерии оптимальности процесса поиска неисправностей…. |
372 | ||
|
|
|
|
Алгоритм поиска дефектов……………………………... |
372 | |
|
|
13.5. |
Методы построения алгоритмов поиска дефектов……………. |
376 | ||
|
|
13.6. |
Поиск неисправных элементов методом групповых проверок... |
378 | ||
|
|
13.7. |
Поиск отказавших элементов на основе чисел Фибаначи и золотой пропорции……………………………………………….. |
385 | ||
|
14. |
Раздел 14. Методология исследования систем «человек – машина»… |
388 | |||
|
|
14.1. |
Виды совместимости среды и системы «человек-машина»…… |
388 | ||
|
|
14.2. |
Методология исследования систем «человек – машина»……… |
388 | ||
|
|
14.3. |
Организация рабочих мест……………………………………….. |
388 | ||
|
|
14.4. |
Выбор положения работающего………………………………… |
389 | ||
|
|
14.5. |
Пространственная компоновка рабочего места……………….. |
389 | ||
|
|
14.6. |
Размерные характеристики рабочего места (боевого поста)…. |
389 | ||
|
|
14.7. |
Взаимное расположение рабочих мест…………………………. |
390 | ||
|
|
14.8. |
Размещение технологической и организационной оснастки…. |
390 | ||
|
14.9. |
Обзор и наблюдение за технологическим процессом…………. |
390 | |||
|
15. |
Раздел 15. Управление надежностью…………………………………… |
390 | |||
|
16. |
Раздел 16. Информационное обеспечение программ обеспечения надежности……………………………………………………………….. |
396 | |||
|
Заключение…………………………………………………………………….. |
403 | ||||
|
Библиографический список…………………………………………………... |
405 | ||||
,
стохастических индикаторов…………………….