НАДЕЖНОСТЬ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ
§ 2.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ
В теории надежности все термины и определения относят к объектам, под которыми донимают изделия, системы и их элементы, в частности, сооружения, установки, устройства, машины, аппараты, приборы и их части, агрегаты и отдельные детали (см. [24]). При этом полагают, что объект имеет определенное целевое назначение. Всякий объект обладает качеством, т. е. совокупностью свойств, определяющих степень его пригодности к эксплуатации. Часто используют более узкое, чем качество, понятие л|н|)ективности объекта.
Под эффективностью понимают свойство объекта, определяющее степень его пригодности к применению по назначению. По мере эксплуатации объекта совокупность свойств, определяющих его качество, как правило, ухудшается. Способность объекта сохранять качество и процессе длительной эксплуатации определяется его надежностью.
Под надежностью понимают свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования (ГОСТ 13377—75) (см. (241).
Из формулировки следует, что определить такое свойство объекта, как надежность, можно, если установлен объект; заданы режимы и условия его эксплуатации при применении по назначению или использовании, техническом обслуживании, ремонтах, хранении, транспортировании; назначены эксплуатационные показатели для каждого из перечисленных режимов эксплуатации объекта, а также допустимые пределы их изменения. Надежность -— комплексное свойство объекта, включающее в себя безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость.
Под безотказностью понимают свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки.
Наработка — продолжительность или объем работы объекта, которые могут быть выражены во времени нахождения объекта в работоспособном состоянии, циклах его срабатывания и других единицах. Любой объект может находиться в исправном, неисправном, работоспособном и неработоспособном состояниях.
Исправное состояние {исправность) — такое состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям, установленным нормативно-технической (эксплуатационной) документацией.
Неисправное состояние {неисправность) — объект не соответствует хотя бы одному требованию эксплуатационной документации.
Работоспособное состояние {работоспособность) — такое состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции, сохраняя значения заданных параметров в пределах, установленных эксплуатационной документацией.
Неработоспособное состояние {неработоспособность) — состояние объекта, при котором значение хотя бы одного заданного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям, установленным эксплуатационной документацией.
Отказ — событие, заключающееся в нарушении работоспособности объекта. Для события, заключающегося в нарушении исправности объекта, к сожалению, не введено названия. Следует отметить, что иногда ошибочно таким событием считают неисправность, но неисправность, как было определено выше, — это не событие, а состояние объекта, в которое он переходит после события — возникновения неисправности. Таким образом, если объект исправен, то он всегда работоспособен (рис. 2.1), а вот работоспособный объект может быть неисправен. При этом группа параметров объекта, определяющих его работоспособность, находится в установленных пределах, а некоторые характеристики объекта, непосредственно не влияющие на его работоспособность, не соответствуют требованиям. Например, нарушение окраски, ржавчина, незначительные внешние царапины и т. д. являются неисправностями, но до определенных пределов не влияют на работоспособность. В неработоспособное состояние объект может перейти через отказ как из
РисГ 2.1. СхеХіа переходов объекта из исправного, так и неисправного, исправного в неработоспособное состоя — но еще работоспособного состояние ния.
Близким к понятию надежности, но не совпадающим с ним, является свойство объекта, называемое живучестью.
Живучесть — такое свойство объекта, которое характеризует его способность сохранять работоспособное состояние при внешних воздействиях, превышающих уровни, установленные в эксплуатационной документации.
Повреждение — событие, заключающееся в нарушении исправного состояния объекта или его составных частей вследствие влияния внешних воздействий, превышающих уровни, установленные эксплуатационной документацией.
Существенное повреждение — повреждение, при котором утрачена работоспособность объекта.
Несущественное повреждение— повреждение, при котором работоспособность сохранилась, но наступило неисправное состояние.
В результате существенного повреждения объекта может возникнуть его отказ, но такой отказ не должен свяЗЬшаться с надежностью, так как повреждение и вызванный им отказ возникли из-за внешних воздействий, превышающих установленные документацией нормы. Другими словами, объект может иметь высокую надежность, но не выдерживать повреждений, т. е. обладать низкой живучестью. Возможны случаи, когда объект будет иметь высокую живучесть (например, выдерживать удары, вибрации, температуры и т. д. в значительно большем диапазоне, чем установлено в документации), но низкую надежность (например, терять работоспособность после короткого срока работы).
Причинами отказов, определяющих надежность объекта, могут быть: 1) дефекты, допущенные при конструировании, производстве и ремонте: 2) нарушения правил и норм эксплуатации; 3) естественные процессы износа и старения. Дефекты объекта могут не проявиться в процессе эксплуатации, или развиться в неисправности.
Конструкционный отказ — отказ; возникающий из-за нарушения установленных правил и норм конструирования.
Производственный отказ — отказ из-за нарушения установленного процесса изготовления или ремонта объекта.
Эксплуатационный отказ — отказ, возникающий в результате нарушения установленных правил и условий эксплуатации.
Конструкционные отказы обычно многократно проявляются в процессе эксплуатации, т. е. становятся систематическими, так как ошибка в конструировании обычно распространяется на всю совокупность изготовляемых объектов. Причина такого отказа может быть с определенной достоверностью установлена и устранена. Производственные отказы также могут принимать систематический характер, если нарушения технологических процессов возникли при изготовлении пли ремонте всех объектов или больших партий. Может возникнуть ситуация, когда и эксплуатационные отказы становятся систематическими. Это обычно связано с неустраненными ошибками в эксплуатационной документации, с неправильной методикой обучения персонала эксплуатационным процессам, отсутствием соответствующего инструмента или приспособлений и т. д. Причины систематических отказов устраняются проведением доработок конструкции, технологии производства и ремонта, эксплуатационной документации. Проведение доработок изменяет (улучшает) надежность объекта, но при этом меняются сам объект, режимы его эксплуатации, диапазоны изменения параметров, определяющих его работоспособность. Все отказы по характеру возникновения делят на внезапные и постепенные.
Внезапный отказ характеризуется скачкообразным (неожиданным) изменением одного или нескольких заданных параметров объекта, а постепенный отказ — медленным изменением параметров.
Следует отметить, что деление отказов на внезапные и постепенные носит условный характер, так как трудно найти грань между скачкообразным и постепенным изменением того или иного параметра. С увеличением масштаба времени все изменения можно представить в виде плавного, постепенного процесса. Деление отказов на внезапные и постепенные обычно связано с возможностью контроля процесса. Если процесс контролируется по малому числу параметров, то отказ чаще всего внезапен.
Например, в обычной электрической лампе отказ возникает практически внезапно, так как контролируется только свечение лампы при подаче на нее напряжения. Если бы процесс контролировался более глубоко (например, измерялись бы сопротивление нити накаливания, герметичность баллона, деформация нити и т. п.), то наступление отказа могло быть предсказано по медленному изменению этих параметров. Аналогично, разрушение подшипника ступицы автомашины при обычных условиях ее эксплуатации наступает внезапно, но при транспортировочных или ходовых испытаниях автомашины можно измерять деформации обоймы подшипника, температуру смазки и ряд других параметров, постепенное изменение которых показывало бы приближение отказа.
Для JIA отказ двигателя может быть внезапен, но при большом числе двигателей на одном аппарате для повышения надежности всей двигательной установки предусматривают специальные системы, которые контролируют изменения производных от функций давления в камере сгорания, в газогенераторах и других агрегатах; по результатам контроля прогнозируют возможный отказ любого двигателя и его заранее выключают до наступления отказа. Чтобы не создавать возмущающего момента, искажающего траекторию полета ЛА, выключают не только двигатель, находящийся в предотказном состоянии, но и симметрично расположенный нормально работающий двигатель установки. Двигательная установка может иметь резерв мощности, и выключение пары двигателей не приводит к отказу двигательной установки.
Таким образом, чем глубже изучен процесс, чем больше объем информации о его ходе, тем меньше внезапных отказов. По существу, внезапные отказы характеризуют наше незнание существа процесса, невозможность или нецелесообразность его контроля.
Для количественной оценки надежности объекта, как будет показано далее, необходимо знать число отказов и моменты их возникновения или иметь аналитическое описание процесса функционирования (изменение параметров состояния объекта и их вероятностных харак — теристик). Поэтому часто отказы, возникновение которых связывают с изменением параметров, называют параметрическими. Понятие параметрических и постепенных отказов не совпадают, так как параметрические отказы могут включать в себя как постепенные, так и внезапные, если есть аналитическое описание соответствующего процесса.
Следовательно, деление отказов на внезапные и постепенные основано на характере их проявления, а классификация отказов как параметрических и непараметрических — на особенностях расчетов показателей надежности объекта.
Кроме того, в І24І различают еще два характерных вида отказа.
Сбой — самоустраняющийся отказ, приводящий к кратковременному нарушению работоспособности.
Перемежающийся отказ ■— многократно возникающий сбой одного и того же характера. Такие виды от каза характерны для радиоэлектронной аппаратуры, в частности для телевизионных приемников, систем телеметрического контроля и др.
Иногда в литературе применяют неудачное понятие «частичного отказа», т. е. такого отказа, после возникновения которого объект может быть использован по назначению, но с меньшей эффективностью. Примером «частичного отказа» ЛА может быть такой случай, когда в результате отказа системы регулирования скорости полета ЛА увеличивается отклонение точки встречи ЛА от заданного района и несколько уменьшается объем выполняемой задачи.
В соответствии с приведенным выше определением свойства надежности отказ наступает при выходе установленных параметров системы за заданные пределы, т. е. в системе или элементе может возникнуть или не возникнуть отказ, но ни о каком «частичном отказе» речь не может идти при данных выше определениях. В рассматриваемом примере произошел отказ элемента (системы регулирования скорости полета ЛА), который не привел или привел к отказу системы (летательного аппарата) в зависимости от того, насколько снизилась степень выполнения задачи.
Введенные выше понятия раскрывают содержание первого свойства — безотказности. Дадим определения и остальных трех свойств, входящих в комплексное свойство надежности.
Долговечность — свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов. Предельное — такое состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация должна быть прекращена из-за неустранимого нарушения требований безопасности, ухода заданных параметров за установленные пределы, снижения ■ффективности эксплуатации ниже допустимой, а также из-за необходимости проведения среднего или капитального ремонтов. Признаки предельного состояния устанавливают в эксплуатационной документации.
Ремонтопригодность — свойство-объекта, заключающееся в при — гнособлении к предупреждению и обнаружению причин возникнове-
«ия его отказов и повреждений и устранению их последствии путем проведения ремонтов и технического обслуживания.
Сохраняемость — свойство объекта непрерывно сохранять исправное состояние в течение и после хранения и (или) транспортирования.
Для конкретных объектов и условий их эксплуатации свойства безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости могут иметь различную относительную значимость. При этом важное значение имеет возможность или невозможность восстанавливать исправность и работоспособность объекта в процессе эксплуатации.
Ремонтируемый объект — объект, исправность и работоспособность которого в случае возникновения отказа или повреждения подлежат восстановлению, а если его исправность и работоспособность не подлежат восстановлению после отказа или повреждения, то объект — перемонтируемый.
Восстанавливаемый объект — объект, работоспособность которого в случае возникновения отказа подлежит восстановлению в рассматриваемой ситуации.
Невосстанавливаемый объект — объект, работоспособность которого не подлежит восстановлению.
Из определений следует, что перемонтируемый объект всегда невосстанавливаемый, но ремонтируемый объект может быть как восстанавливаемым, так и невосстанавливаемым в зависимомости от того, как необходимо с ним поступать в конкретных условиях эксплуатации. Например, ЛА, находящийся в готовности к пуску, можно рассматривать как восстанавливаемый объект, а после начала пуска — как невосстанавливаемый. При этом Л А в процессе эксплуатации может подвергаться и ремонтам и восстановлениям после повреждений и отказов, т. е. является ремонтируемым объектом.
Для ЛК важнейшим свойством является его безотказность, в особенности при пуске и полете ЛА, так как на этом этапе эксплуатации ЛК является обычно невосстанавливаемым объектом. При нахождении ЛК в готовности к пуску ЛА он является ремонтируемым и восстанавливаемым объектом, и при этом важные значения приобретают его долговечность, характеризующая сохранение работоспособности при определенном техническом обслуживании и ремонтах, и ремонтопригодность, определяющая возможности предупреждения, быстрого обнаружения отказов и устранения их причин.
Для ЛК определенное значение играет и свойство сохраняемости, так как оно определяет безотказность и долговечность ЛК в процессе эксплуатации, после того как элементы и составные части комплекса хранились или транспортировались до их монтажа и ввода в эксплуатацию.
Каждое из четырех свойств, составляющих надежность, количественно характеризуется соответствующими показателями надежности, устанавливающими, в какой степени конкретному объекту присущи данные свойства.,
— При расчетах показателей надежности объект может быть рассмотрен как элемент или как система.
Элемент — любое устройство, сооружение, машина, аппарат, на
дежность которых изучают независимо от надежности составляющих его частей. Система (в теории надежности) — объект, у которого известны показатели надежности его составных частей (элементов) и установлено влияние отказа каждого элемента на отказ системы. Такое понятие системы значительно беднее, чем то, которое заложено в теории систем (см. гл.1).
В качестве системы и элемента в зависимости от наличия исходных данных могут выступать ЛК, ЛА и другие части и элементы комплекса. Так, ЛК можно рассматривать как элемент, а такие его комплектующие элементы, как реле, транзисторы и т. п., — в виде систем. Другими словами, понятие системы в теории надежности не связывают с ее сложностью, иерархической структурой, управлением и прочими признаками, а только с наличием или отсутствием данных о показателях надежности составных частей.