Организационно-технические методы по восстановлению и поддержанию надёжности техники при эксплуатации

Известно, что в процессе эксплуатации изделие определенное время используют по назначению для выполнения соответствующей работы, некоторое время она транспортируется и хранится, а часть времени идет на техническое обслуживание и ремонт. При этом для сложных технических систем в нормативно-технической документации устанавливают виды технических обслуживании (TO-1, TO-2,...) и ремонтов (текущий, средний или капитальный).

На стадии эксплуатации изделий проявляются технико-экономические последствия низкой надёжности, связанные с простоями техники и затратами на устранение отказов и приобретение запасных частей. С целью поддержания надёжности изделий на заданном уровне в процессе эксплуатации необходимо проводить комплекс мероприятий, который может быть представлен в виде двух групп — мероприятия по соблюдению правил и режимов эксплуатации; мероприятия по восстановлению работоспособного состояния.

К первой группе мероприятий относятся обучение обслуживающего персонала, соблюдение требований эксплуатационной документации, последовательности и точности проводимых работ при техническом обслуживании, диагностический контроль параметров и наличие запасных частей, осуществление авторского надзора и т.п.

К основным мероприятиям второй группы относятся корректирование системы технического обслуживания, периодический контроль за состоянием изделия и определение средствами технического диагностирования остаточного ресурса и предотказного состояния, внедрение современной технологии ремонта, анализ причин отказов и организация обратной связи с разработчиками и изготовителями изделий.

Многие изделия значительную часть времени эксплуатации находятся в состоянии хранения, т.е. не связаны с выполнением основных задач. Для изделий, работающих в таком режиме, преобладающая часть отказов связана с коррозией, а также воздействием пыли, грязи, температуры и влаги. Для изделий, находящихся значительную часть времени в эксплуатации, преобладающая часть отказов связана с износом, усталостью или механическим повреждением деталей и узлов. В состоянии простоя интенсивность отказов элементов существенно меньше, чем в рабочем состоянии. Так, например, для электромеханического оборудования это соотношение соответствует 1:10, для механических элементов это соотношение составляет 1:30, для электронных элементов 1:80.

Необходимо отметить, что с усложнением техники и расширением областей её использования возрастает роль этапа эксплуатации техники в суммарных затратах на создание и использование технических систем. Затраты на поддержание в работоспособном состоянии за счет технических обслуживании и ремонтов превышают стоимость новых изделий в следующее число раз: тракторов и самолетов в 5-8 раз; металлорежущих станков в 8-15 раз; радиоэлектронной аппаратуры в 7-100 раз.

Техническая политика предприятий должна быть направлена на снижение объемов и сроков проведения работ по техническому обслуживанию и ремонту техники за счет повышения надёжности и долговечности основных узлов.

Консервация машины в состоянии поставки помогает сохранить её работоспособность, как правило, в течение 3-5 лет. Для поддержания надёжности машины в процессе эксплуатации на заданном уровне объем производства запасных частей должен составлять 25-30 % стоимости машин.

Общие правила расчета надежности технических объектов (изделий) определены ГОСТ 27.301 – 95. В соответствии с этим стандартом расчет надежности - это процедура определения значений показателей надежности объекта с ис­пользованием методов, основанных на их вычислении по справочным данным о надежности элементов объекта, по данным о надежности объектов-аналогов, данным о свойствах материалов и другой ин­формации, имеющейся к моменту расчета.

Надежность объекта рассчитывают на стадиях жизненного цикла и соответствующих этим стадиям этапах видов работ, установленных программой обеспечении надежности объекта или документами, ее заменяющими. Эта программа должна устанавливать цели расчета на каждом этапе видов работ, применяемые при расчете нормативные документы и методики, сроки выполнения расчета и исполнителей, порядок оформле­ния, представления и контроля результатов расчета.

Так на этапе проектирования расчет надежности производится с целью прогнозирования (предсказания) ожидаемой надежности проектируемой системы.

Такое прогнозирование необходимо для обоснования предполагаемого проекта, а также для решения организационно-технических вопросов:

— выбора оптимального варианта структуры;

— способа резервирования;

— глубины и методов контроля;

— количества запасных элементов;

— периодичности профилактики.

На этапе испытаний и эксплуатации расчеты надежности проводятся для оценки количественных показателей надежности. Такие расчеты носят, как правило, характер констатации. Результаты расчетов в этом случае показывают, какой надежностью обладали объекты, прошедшие испытания или используемые в некоторых условиях эксплуатации. На основании этих расчетов разрабатываются меры по повышению надежности, определяются слабые места объекта, даются оценки его надежности и влияния на нее отдельных факторов.

Расчет надежности объектов в общем случае представляет собой процедуру последовательного поэтапного уточнения оценок показателей надежности по мере отработки конструкции и техноло­гии изготовления объекта, алгоритмов его функционирования, правил эксплуатации, системы техни­ческого обслуживания и ремонта, критериев отказов и предельных состояний, накопления более полной и достоверной информации о всех факторах, определяющих надежность, и применения более адекватных и точных методов расчета и расчетных моделей.

Расчет надежности на любом этапе видов работ, предусмотренном планом программы обеспечении надежности, включает:

- идентификацию объекта, подлежащего расчету;

- определение целей и задач расчета на данном этапе, номенклатуры и требуемых значений рассчи­тываемых показателей надежности;

- выбор метода(ов) расчета, адекватного(ых) особенностям объекта, целям расчета, наличию не­обходимой информации об объекте и исходных данных для расчета;

- составление расчетных моделей для каждого показателя надежности;

- получение и предварительную обработку исходных данных для расчета, вычисление значений показателей надежности объекта и, при необходимости, их сопоставление с требуемыми;

- оформление, представление и защиту результатов расчета.

Идентификация объекта для расчета его надежности включает получение и анализ следующей информации об объекте, условиях его эксплуатации и других факторах, определяющих его на­дежность:

- назначение, области применения и функции объекта;

- критерии качества функционирования, отказов и предельных состояний, возможные послед­ствия отказов (достижения объектом предельного состояния) объекта;

- структура объекта, состав, взаимодействие и уровни нагруженности входящих в него элементов, возможность перестройки структуры и/или алгоритмов функционирования объекта при отказах отдельных его элементов;

- наличие, виды и способы резервирования, используемые в объекте;

- типовая модель эксплуатации объекта, устанавливающая перечень возможных режимов эксплуа­тации н выполняемых при этом функций, правила и частоту чередования режимов, продолжитель­ность пребывания объекта в каждом режиме и соответствующие наработки, номенклатуру и парамет­ры нагрузок и внешних воздействий на объект в каждом режиме;

- планируемая система технического обслуживания (ТО) и ремонта объекта, характеризуемая ви­дами, периодичностью, организационными уровнями, способами выполнения, техническим оснаще­нием и материально-техническим обеспечением работ по его ТО и ремонту;

- распределение функций между операторами и средствами автоматического диагностирования (контроля) и управления объектом, виды и характеристики человеко-машинных интерфейсов, опре­деляющих параметры работоспособности и надежности работы операторов;

- уровень квалификации персонала;

- качество программных средств, применяемых в объекте;

- планируемые технология и организация производства при изготовлении объекта.

Полпота идентификации объекта на рассматриваемом этапе расчета его надежности опреде­ляет выбор соответствующего метода расчета, обеспечивающего приемлемую на данном этапе точность при отсутствии или невозможности получения части информации.

Источниками информации для идентификации объекта служит конструкторская, техноло­гическая, эксплуатационная и ремонтная документация на объект в целом, его составные части и комплектующие изделия о составе и комплектах, соответствующих данному этапу расчета надежно­сти.

Методы расчета надежности подразделяют:

- по составу рассчитываемых показателей надежности,

- по основным принципам расчета.

По составу рассчитываемых показателей различают методы расчета:

- безотказности,

- ремонтопригодности,

- долговечности,

- сохраняемости,

- комплексных показателей надежности (методы расчета коэффициентов готовности, технического использования, сохранения эффективности и др.).

По основным принципам расчета свойств, составляющих надежность, или комплексных показателей надежности объектов различают:

- методы прогнозирования,

- структурные методы расчета,

- физические методы расчета,

Исходными данными для расчета надежности объекта могут быть:

- априорные данные о надежности объектов-аналогов, составных частей и комплектующих изде­лий рассматриваемого объекта по опыту их применения в аналогичных или близких условиях;

- оценки показателей надежности (параметры законов распределения характеристик надежности) составных частей объекта и параметров примененных в объекте материалов, полученные экспериментальным или расчетным способом непосредственно в процессе разработки (изготовления, эксплуата­ции) рассматриваемого объекта и его составных частей;

- расчетные и/или экспериментальные оценки параметров нагруженности примененных в объекте составных частей и элементов конструкции.

Источниками исходных данных для расчета надежности объекта могут быть:

- стандарты и технические условия на составные части объекта, применяемые в нем комплектую­щие элементы межотраслевого применения, вещества и материалы;

- справочники по надежности элементов, свойствам веществ и материалов, нормативам продолжи­тельности (трудоемкости, стоимости) типовых операций ТО и ремонта и другие информационные материалы;

- статистические данные (банки данных) о надежности объектов-аналогов, входящих в их состав элементов, свойствах применяемых в них веществ и материалов, о параметрах операций ТО и ремонта, собранные в процессе их разработки, изготовления, испытаний и эксплуатации;

- результаты прочностных, электрических, тепловых и иных расчетов объекта и его составных частей, включая, расчеты показателей надежности составных частей объекта.

При наличии нескольких источников исходных данных для расчета надежности объекта приоритеты в их использовании или методы объединения данных из разных источников должны быть установлены в методике расчета. В расчете надежности., включаемом в комплект рабочей документации на объект, предпочтительным должно быть применение исходных данных из стандартов и технических условий на составные части, элементы и материалы.

Адекватность выбранного метода расчета и построенных расчетных моделей целям и задачам расчета надежности объекта характеризуют:

- полнотой использования в расчете всей доступной информации об объекте, условиях его эксплу­атации, системе ТО и ремонта, характеристиках надежности составных частей, свойствах применяемых в объекте веществ и материалов;

- обоснованностью принятых при построении моделей допущений и предположений, их влиянием на точность и достоверность оценок показателей надежности;

- степенью соответствия уровня сложности и точности расчетных моделей надежности объекта доступной точности исходных данных для расчета. Степень адекватности моделей и методов расчета надежности оценивают путем:

- сопоставления результатов расчета и экспериментальной оценке показателей надежности объектов-аналогов, для ко­торых применялись аналогичные модели и методы расчета;

- исследования чувствительности моделей к возможным нарушениям принятых при их построении допущений и предположений, а также к погрешностям исходных данных для расчета;

- экспертизы и апробации применяемых моделей и методов, проводимых в установленном порядке.

Для расчета надежности объектов применяют методики, к которым предъявляются определенные требования:

- типовые методики расчета, разрабатываемые для группы (вида, типа) однородных по назначе­нию и принципам обеспечения надежности объектов, оформляемые в виде соответствующих норма­тивных документов (государственных стандартов, стандартов предприятия и др.);

- методики расчета, разрабатываемые для конкретных объектов, особенности конструкции и/или условий применения которых не допускают применения типовых методик расчета надежности. Указан­ные методики, как правило, включают непосредственно в отчетные документы по расчету надежности или оформляют в виде отдельных документов, включаемых в комплект документации соответствую­щего этапа разработки объекта.

Типовая методика расчета надежности должна содержать:

- характеристику объектов, на которые распространяется методика, в соответствии с установлен­ными настоящим стандартом правилами их идентификации;

- перечень рассчитываемых показателей надежности объекта в целом и его составных частей, методы, применяемые для расчета каждого показателя;

- типовые модели для расчета показателей надежности и правила их адаптации для расчета надежности конкретных объектов, соответствующие этим моделям алгоритмы расчета и, при наличии, программные средства;

- методы и соответствующие методики оценки параметров нагруженности составных частей объек­тов, учитываемые в расчетах надежности;

- требования к исходным данным для расчета надежности (источники, состав, точность, достовер­ность, форма представления) и непосредственно сами исходные данные, методы объединения разнородных исходных данных для расчета надежности, получаемых из разных источников;

- решающие правила для сопоставления расчетных значений показателей надежности с требуемыми, если результаты расчета применяют для контроля надежности объектов;

- методы оценки погрешностей расчета показателей надежности, вносимые принятыми для используемых моделей и методов расчета допущениями и предположениями;

- методы оценки чувствительности результатов расчета к нарушениям принятых допущений и/или к погрешностям исходных данных;

- требования к форме представления результатов расчета показателей надежности и правила зашиты результатов расчета в соответствующих контрольных точках показателей надежности и при экспертизах проектов объектов.

Методика расчета надежности конкретного объекта должна содержать:

- информацию об объекте, обеспечивающую его идентификацию для расчета надежности в соот­ветствии с требованиями настоящего стандарта;

- номенклатуру рассчитываемых показателей надежности и их требуемые значения;

- модели для расчета каждого показателя надежности, принятые при их построении допущения и предположения, соответствующие алгоритмы вычисления показателя надежности, применяемые программные средства, оценки погреш­ностей и чувствительности выбранных (построенных) моделей;

- исходные данные для расчета и источники их получения;

- методики оценки параметров нагруженности объекта и его составных частей или непосредственно оценки указанных параметров со ссылками на соответствующие результаты и методики прочностных, тепловых, электрических и иных расчетов объекта.

Результаты расчета надежности объекта оформляют в виде раздела пояснительной записки к соответствующему проекту (эскизному, техническому) или в виде самостоятельного документа в виде отчета и др., содержащего:

- цели и методику (ссылку на соответствующую типовую методику) расчета;

- расчет значения для всех показателей надежности и заключения об их соответствии установленным требованиям надеж­ности объекта:

- выявленные недостатки конструкции объекта и рекомендации по их устранению с оценками эффективности предлагаемых мер с точки зрения их влияния на уровень надежности:

- перечень составных частей и элементов, лимитирующих надежность объекта, или по которым отсутствуют необходимые данные для расчета показателей надежности, предложения по включению в программу обеспечения надежности дополнитель­ных мероприятий по повышению (углубленному исследованию) их надежности или по их замене на более надежные (отработанные и проверенные);

- заключение о возможности перехода к следующему этапу отработки объекта при достигнутом расчетном уровне его надежности.

Содержание отчетного документа по расчету надежности должно допускать возможность независимой проверки результатов расчета при экспертизе проекта и контроле реализации программы обеспечения надежности.

Расчетные оценки показателей надежности, заключения об их соответствии установленным требованиям и воз­можности перехода к следующему этапу видов работ по разработке (постановке на производство) объекта, рекомендации по доработкам с целью повышения его надежности включают в акт приемоч­ных испытаний, если принято решение о контроле надежности объекта расчетным методом.

Как отмечалось выше по основным принципам расчета свойств, составляющих надежность, или комплексных показателей надежности объектов различают:

- методы прогнозирования,

- структурные методы расчета,

- физические методы расчета,

Методы прогнозирования основаны на использовании для оценки ожидаемого уровня надежности объекта данных о достигнутых значениях и выявленных тенденциях изменения показателей надежности объектов-аналогов. (Объекты-аналоги – это объекты аналогичные или близкие к рассматриваемому по назначению, принципам действия, схем­но-конструктивному построению и технологии изготовления, элементной базе и применяемым мате­риалам, условиям и режимам эксплуатации, принципам и методам управления надежностью).

Структурные методы расчета основаны на представлении объекта в виде логической (структурно-функциональной) схемы, описывающей зависимость состояний и переходов объекта от состояний и переходов его элементов, с учетом их взаимодействия и выполняемых ими функций в объекте, с последующими описаниями построенной структурной модели адекватной мате­матической моделью и вычислением показателей надежности объекта по известным характеристикам надежности его эле­ментов.

Физические методы расчета основаны на применении математических моделей, описывают их физические, химические и иные процессы, приводящие к отказам объектов (к дости­жению объектами предельного состояния), и вычислении показателей надежности по известным параметрам загруженнос­ти объекта, характеристикам примененных в объекте веществ и материалов с учетом особенностей его конструкции и технологией изготовления.

Методы расчета надежности конкретного объекта выбирают в зависимости от:

- целей расчета и требований к точности определения показателей надежности объекта;

- наличия и/или возможности получения исходной информации, необходимой для применения определенного метода расчета;

- уровня отработанности конструкции и технологии изготовления объекта, системы его технического обслуживания и ремонта, позволяющего применять соответствующие расчетные модели надежности.

При расчете надежности конкретных объектов возможно одновременное применение различных методов, например, методов прогнозирования надежности электронных и электротехнических элементов с последующим использованием полученных результатов в качестве исходных данных для расчета надежности объекта в целом или его составных частей различными структурными методами.

 

Метод верификации и валидации моделей для инженерных расчетов

При выполнении ответственных инженерных расчетов численными методами для обоснования корректности расчетных моделей рекомендуется применять процедуру верификации и валидации модели, разработанную и предложенную ведущими мировыми организациями в области инженерных расчетов - NAFEMS (International Association for the Engineering Modelling, Analysis and Simulation Community) и ASME (American Society of Mechanical Engineers).

Исследователь-расчетчик последовательно создает расчетную схему и два вида моделей – математическую и численную. Математическая модель — математическое представление реального объекта или системы. Численная модель - программный код, реализующий представление объекта или системы в форме, приближенной к алгоритмическому описанию, включающей набор данных, характеризующих свойства системы и динамику их изменения со временем.

Применительно к данным видам моделей для проверки их адекватности используются подход верификации и валидации. Верификация проводится в области математики, а валидация – в области физики.

Верификация

Верификация – процесс установления соответствия между численной моделью и математической моделью.

Как следует из данного определения, процесс верификации позволяет достичь уверенности в корректности численной модели. Процесс верификации модели состоит из двух шагов:

- Верификация программного кода для подтверждения того, что математические модели и алгоритмы численного решения систем уравнений работают корректно;

- Верификация вычислений для подтверждения того, что дискретизация расчетной области выполнена корректно, и дискретное решение с необходимой степенью точности соответствует математической модели.