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.