Факторы, влияющие на снижение надёжности технических устройств

 

 

Надежность - свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования.

В процессе эксплуатации показатели надежности машин постепенно ухудшаются. Изучением закономерностей изменения показателей надежности различных объектов при эксплуатации занимается теория надежности.

Различают следующие виды технического состояния объектов: исправное, неисправное, работоспособное, неработоспособное, предельное.

В теории надежности все объекты делят на следующие классы: обслуживаемые и необслуживаемые, восстанавливаемые и невосстанавливаемые, ремонтируемые и неремонтируемые.

Обслуживаемый объект - объект, для которого проведение технического обслуживания предусмотрено нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документацией.

Необслуживаемый объект - объект, для которого проведение технического обслуживания не предусмотрено нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документацией.

Ремонтируемый объект - объект, ремонт которого возможен и предусмотрен нормативно-технической, ремонтной и (или) конструкторской (проектной) документацией.

Неремонтируемый объект - объект, ремонт которого не возможен или не предусмотрен нормативно-технической, ремонтной и (или) конструкторской (проектной) документацией.

Восстанавливаемый объект - объект, для которого в рассматриваемой ситуации проведение восстановления работоспособного состояния предусмотрено в нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.

Невосстанавливаемый объект - объект для которого в рассматриваемой ситуации проведение восстановления работоспособного состояния не предусмотрено в нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.

В процессе эксплуатации под действием различных факторов изменяются свойства объектов, что приводит к изменению их состояния, т.е. к переходу от исправного к неисправному и от работоспособного к неработоспособному.

Повреждение - событие, заключающееся в нарушении исправного состояния объекта при сохранении работоспособного состояния.

Показателем использования объекта по назначению является наработка.

Наработка - продолжительность или объем работы объекта. Наработка может измеряться в единицах времени, длины, объема, массы. Например, применительно к компрессорам она измеряется часами их работы (мото-ч). Наработка автомобилей измеряется километрами пробега (км).

В теории надежности рассматриваются следующие виды наработки объектов: наработка до отказа, наработка между отказами и ресурс.

Наработка до отказа - наработка объекта от начала его эксплуатации до возникновения первого отказа. Этот показатель рассматривается как для невосстанавливаемых, так и для восстанавливаемых объектов.

Наработка до отказа является случайной величиной. Исчерпывающей характеристикой случайной величины является закон распределения, устанавливающий связь между возможными значениями случайной величины и соответствующими им вероятностями. Закон распределения случайной величины обычно задается функцией распределения.

Если X - непрерывная случайная величина и х - произвольное действительное число, то вероятность того, что X примет значение меньшее х, называется функцией распределения вероятностей случайной величины X:

F(x) = P(Х≤х).

Производная от функции распределения (если она существует), называется плотностью распределения случайной величины и является другой формой задания закона распределения случайной величины:

Для невосстанавливаемых объектов ресурс совпадает с продолжительностью пребывания в работоспособном состоянии в режиме применения по назначению, если переход в предельное состояние обусловлен только возникновением отказа.

Различают средние доремонтный, межремонтный, послеремонтный и полный ресурсы, а также назначенный ресурс.

Доремонтный ресурс - ресурс, исчисляемый от начала эксплуатации объекта до первого его среднего (капитального) ремонта.

Межремонтный ресурс - ресурс, исчисляемый между двумя средними (капитальными) ремонтами объекта.

Послеремонтный ресурс - ресурс объекта, исчисляемый от последнего среднего (капитального) ремонта до его перехода в предельное состояние, соответствующее окончательному превращению эксплуатации (списанию).

Полный ресурс - ресурс, исчисляемый от начала эксплуатации объекта до его перехода в предельное состояние, соответствующее окончательному прекращению эксплуатации (списанию).

Назначенный ресурс - суммарная наработка, при достижении которой эксплуатация объекта должна быть прекращена независимо от его состояния. Его обычно устанавливают по среднему ресурсу наиболее слабого звена объекта.

Надежность объекта является сложным свойством, которое в свою очередь характеризуется комплексом свойств: безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость.

Безотказность - свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки. Показатели безотказности различны для невосстанавливаемых и восстанавливаемых объектов. Основными показателями безотказности невосстанавливаемых объектов являются вероятность безотказной работы P(t), средняя наработка до отказа tср, интенсивность отказов λ(t) и гамма-процентная наработка до отказа tγ.

Вероятность безотказной работы - вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ объекта не возникнет.

Долговечность - свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

Показателями долговечности объектов служат ресурс и срок службы, на которые влияют случайные факторы. Поэтому такие показатели относятся к случайным величинам и законы их распределения определяются плотностью вероятности f(t) При этом используют большинство из видов распределений, применяемых при анализе безотказности объекта.

Срок службы - календарная продолжительность эксплуатации от начала эксплуатации объекта или ее возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние. Его измеряют в единицах времени (месяц, год).

Соотношение значений ресурса и срока службы машин одного и того же вида зависит от интенсивности их использования. Иначе говоря, машины, имеющие одинаковый ресурс, могут различаться по срокам службы. Например, насосы двух марок имеют одинаковый ресурс 3000 мото-ч. Насос одной марки работает в течение года 1000 мото-ч, а насос другой марки - 1500 мото-ч. В этом случае срок службы первого насоса равен трем годам, а второго - двум годам.

Основные характеристики закона распределения ресурса (срока службы) объектов - средний ресурс (средний срок службы) Rср и гамма-процентный ресурс (срок службы) Rγ.

Средний ресурс (средний срок службы) - математическое ожидание ресурса (срока службы).

Статистическая оценка для среднего ресурса

где Rj - ресурс j-го изделия.

tji - время безотказной работы j-го изделия между i-м и (i +1)-м отказами; п - число отказов изделия в течение рассматриваемого периода эксплуатации; N0 - число испытываемых изделий.

Гамма-процентный ресурс Rγ, - суммарная наработка, в течение которой объект не достигнет предельного состояния с вероятностью у, выраженной в процентах. По своему физическому смыслу гамма-процентный ресурс так же, как и гамма-процентная наработка до отказа, - односторонняя нижняя доверительная граница показателя ресурса, указывающая, какой γ-процент объектов должен превышать установленный предельный ресурс.

Заданный процент объектов у - регламентированная вероятность. Если, например, γ = 90 %, то соответствующий ресурс называют 90%-ным ресурсом.

Ремонтопригодность - свойство объекта, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонта.

При опытном определении ремонтопригодности проводят наблюдения за испытанием или эксплуатацией N объектов в заданных условиях и определяют время tвi, восстановления работоспособности объекта после отказа. В силу влияния на tвi случайных факторов организационно-технического характера оно относится к случайной величине. При этом используется большинство из законов распределения, применяемых при анализе безотказности объекта.

Основными характеристиками ремонтопригодности объекта являются: среднее время восстановления tв ср и вероятность восстановления PB(t).

К числу дополнительных показателей ремонтопригодности объектов относятся доступность, контролепригодность, легкосъемность, агрегатность, взаимозаменяемость, степень унификации и др.

С позиции эксплуатации в машинах должны быть хорошая доступность к сборочным единицам, а также возможность контроля их технического состояния различными способами и замены с минимальными затратами времени и труда.

Рациональный уровень агрегатирования, взаимозаменяемости и унификации конструктивных элементов машин сокращает номенклатуру применяемых в машинах сборочных единиц, упрощает и удешевляет их ТО и ремонт и уменьшает число требуемых запасных частей.

Сохраняемость - свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способности объекта выполнять требуемые функции, в течение и после хранения и (или) транспортирования.

Показателем сохраняемости объектов служит срок сохраняемости. В силу влияния на него случайных факторов он относится к случайным величинам, законы распределения которых определяются плотностью вероятности fc(t). Важнейшие численные характеристики закона распределения срока сохраняемости объекта - средний срок сохраняемости с ср и гамма-процентный срок сохраняемости Pc(t).

Средний срок сохраняемости tс ср - математическое ожидание срока сохраняемости.

Гамма-процентный срок сохраняемости - срок сохраняемости, достигаемый объектом с заданной вероятностью γ, выраженной в процентах. По своему физическому смыслу гамма-процентный срок сохраняемости, так же как и гамма-процентный ресурс, - это односторонняя нижняя доверительная граница показателя срока сохраняемости, указывающая, какой γ-процент объектов или их составных частей при испытании или наблюдении должен превышать установленный срок сохраняемости.

 

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА СНИЖЕНИЕ НАДЁЖНОСТИ ТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

Все отказы ТУ происходят вследствие воздействия различных факторов, к которым относятся физические, физико- химические и химические, биологические и эксплуатационные факторы. Физические причины возникновения отказов Физические причины или факторы возникновения отказов представляют собой физические явления, процессы и свойства среды, воздействующие на ТУ и наносящие им вред, тем самым ухудшая их состояния. Физические факторы делятся на внешние и внутренние. Внешние физические факторы являются совокупностью свойств внешней окружающей среды, оказывающих влияние на работоспособность ТУ. К ним относятся чрезмерно высокая или низкая окружающая температура, осадки, высокая влажность воздуха, низкое давление, наличие в воздухе взвешенной пыли, аномальные электромагнитные проявления окружающей среды. Внутренние физические факторы представляют собой те явления и процессы, которые, развиваясь в ТУ во время их функционирования, одновременно влияют на состояние и рабочие режимы этих же ТУ и их составных элементов, а также ТУ, взаимосвязанных с ними. Сюда можно отнести вибрацию, внутренний перегрев и другие факторы. Под влиянием длительного воздействия на ТУ физических факторов происходит износ элементов (деталей сложных ТУ) и старение материалов, из которых они выполнены. Износ характеризуется постепенным изменением формы и размера отдельных элементов системы, что приводит к ухудшению их работы. Старение характеризуется постепенным структурным изменением материалов, из которых изготовлены ТУ. Это, в свою очередь, ведёт к ухудшению их рабочих характеристик. Физико химические и химические причины возникновения отказов. К физико-химическим факторам, снижающим надёжность работы ТУ, относятся такие процессы внешней среды и процессы, происходящие в самих ТУ, в результате физического действия которых происходят химические реакции или изменение физических свойств ТУ. К таким явлениям можно отнести вредные химические примеси в атмосфере, действие лучистой энергии, электроэрозию, чрезмерное выделение тепла, например в результате короткого замыкания. К химическим причинам относятся химические реакции, приводящие к изменению молекулярного состава материалов. К наиболее распространённой реакции такого типа относится окисление железа. Появляющиеся в результате этого процесса окислы имеют отличные от первоначальных материалов физико-химические свойства. Другой распространённой медленнотекущей химической реакцией является полимеризация изоляционных материалов в электрических проводах. Полимеризация ведёт к отвердеванию изоляции, к потере упругости и изолирующих свойств и дальнейшему разрушению. Вследствие этого происходят короткие замыкания, приводящие к большим разрушениям и даже человеческим жертвам. Биологические факторы, влияющие на ухудшение эксплуатационных свойств технических объектов К биологическим факторам относятся воздействия животных и растительных организмов, наносящих вред ТУ. Наиболее часто биологические факторы проявляются при хранении ТУ. В этот период, если не соблюдены необходимые при хранении профилактические меры, хранящееся устройство может подвергнуться воздействию термитов, уничтожающих изоляционные материалы, каучуки, полимеры. Аналогичным образом воздействуют на ТУ и мелкие грызуны. Большой вред для электрических и электронных систем могут принести тараканы. Они становятся причиной короткого замыкания в электрических и электронных схемах. Многие ТУ в холодное время является источником тепла. Поэтому мелкие животные через различные отверстия могут проникнуть внутрь и стать причиной замыканий, несрабатывания, поломок и разрушений отдельных деталей. Эксплуатационные факторы возникновения отказов. К эксплуатационным факторам относятся технические возможности самих ТУ, технологического оборудования для профилактических работ, а также объективные и субъективные возможности специалистов, задействованных в процессе эксплуатации ТУ. К причинам, по которым могут возникать отказы в процессе эксплуатации и проведения профилактических работ, чаще всего относят: − несоблюдение требований эксплуатации, чрезмерно высокая интенсивность эксплуатации; − невыполнение требуемого объёма ремонта; − отсутствие технологического оборудования и приспособлений; − слабое крепление деталей; − постановка нестандартных деталей; − отклонение от установленных размеров; − отступление от технологических требований; − неудовлетворительный осмотр; − личные качества исполнителей. Первый из перечисленных факторов определяется неудовлетворительной работой специалистов или созданием сложных условий эксплуатации, как климатических, так и режимных. Невыполнение требуемого объёма ремонта большого перечня типов ТУ является причиной более четверти отказов от их общего количества, т.е. возникают такие отказы достаточно часто. На выявление скрытых дефектов тратится много времени, отведённого для выполнения ремонтных операций, поэтому трудно переоценить значение средств технической диагностики. Отсутствие необходимого оборудования приводят к низкой распознаваемости скрытых дефектов. Дефекты, возникающие из-за слабого крепления деталей и узлов, характерны для многих типов ТУ. Отказы, возникающие по этой причине, происходят, во-первых – из-за отсутствия или неприменения необходимых средств контроля и во-вторых – из-за несоблюдения правил сборки. Нестандартными деталями называются такие, которые производятся не предприятиями-изготовителями ТУ, а эксплуатирующими организациями. В основном это детали механических узлов и агрегатов. Их изготовление характеризуется большим разнообразием технологических операций и непостоянством исполнителей. Вследствие этого на ТУ могут быть установлены детали низкого качества. Они могут отказывать сами и быть причиной отказа других деталей. Дефекты по отклонению от установленных размеров возникают в местах соединения проводов, деталей и узлов между собой, в их расположении по отношению друг к другу и корпусу ТУ. Основными причинами возникновения отказов из-за этих дефектов при исполнении монтажных работ являются несоблюдения исполнителями конструктивных размеров, определяющих взаимное расположение деталей, а также изменение этих размеров в процессе эксплуатации из-за ослабления вследствие агрессивных воздействий внешней среды. Отступление от технологических требований проявляются, прежде всего, в том, что на ремонтируемое ТУ, вопреки требованиям нормативно-технической и ремонтной документации, устанавливается некондиционное оборудование. При неудовлетворительном осмотре в период профилактических работ не выявляются скрытые дефекты, что приводит к отказам оборудования в период эксплуатации ТУ. Вопросы воспитания специалистов, соблюдения правил трудовой дисциплины, технической учёбы и повышения квалификации, вопросы самоконтроля и контроля выполняемых работ являются очень важными в деле профилактики дефектов и возникающих по их причинам отказов по вине человеческого фактора. Уменьшение влияния названных и ряда других факторов является одной из основ работа по поддержанию надёжности работы ТУ. 1.5 Факторы, определяющие надёжность информационных систем Для построения надёжных ИС можно использовать различные виды обеспечения: экономическое, временное, организационное, структурное, технологическое, эксплуатационное, социальное, эргатическое, алгоритмическое, синтаксическое, семантическое. Обеспечение можно характеризовать как совокупность факторов, способствующих достижению поставленной цели. Организационное, экономическое и временное обеспечения, обуславливаемые необходимостью материальных и временных затрат, используются для поддержания достоверности результатов работы ИС. Они включают в себя: − правовые и методические аспекты функционирования ИС; − нормативы достоверности информации по функциональным подсистемам и этапам преобразования информации; − методики выбора и обоснования оптимальных структур, процессов и процедур преобразования информации. Структурное обеспечение ИС должно обеспечивать надёжность функционирования технических комплексов и эргатических звеньев, а также ИС в целом. Здесь обосновывается рациональное построение структуры ИС, зависящее от выбора структуры технологического процесса преобразования информации, обоснования взаимосвязи между отдельными звеньями системы, резервирования функциональных звеньев системы и использования устройств, осуществляющих процедуры контроля. Надёжность технологического обеспечения связана с выбором схемных и конструктивных решений отдельных ТУ и технологических комплексов, входящих в состав системы, технологий и протоколов реализации информационных процессов. Эксплуатационное обеспечение связано с выбором режимов работы устройств, технологий обслуживания, профилактик и ремонтов. К социальному обеспечению относятся такие факторы, как создание здоровой психологической обстановки в коллективе, повышение ответственности за выполненную работу, повышение квалификации специалистов, моральной и материальной заинтересованности в правильности выполнения работы. Эргатическое обеспечение включает комплекс факторов, связанных с рациональной организацией работы человека в системе. Это правильное расположение функций между людьми и техническими средствами, обязательность норм и стандартов работы, оптимальность интенсивности и ритмичности, построение рабочих мест в соответствии с требованиями эргономики. Надёжность алгоритмического обеспечения связана с обеспечением высокого качества и безошибочности алгоритмов и программ преобразования информации, реализации контроля достоверности информации. Информационное синтаксическое и семантическое обеспечение должно обеспечить специальную информационную избыточность, избыточность данных и смысловую избыточность, обуславливающие возможность проведения контроля достоверности информации. Личные качества исполнителей также играют немаловажную роль. Ошибки обслуживающего персонала, выход ИС из штатного режима эксплуатации в силу случайных или преднамеренных действий пользователей или обслуживающего персонала – операторов (превышение расчётного числа запросов, чрезмерный объём обрабатываемой информации и другие неоправданные действия), невозможность или нежелание обслуживающего персонала выполнять свои функции приводят к чрезвычайно серьёзным последствиям. Это могут быть длительный простой в работе ИС, искажение обрабатываемой информации и получение неверных результатов, потеря информации, сбои в работе программ и оборудования, отказы оборудования. Таким образом, поддержание высокой надёжности работы ИС в целом является важной и сложной инженерно- технической и социально-организационной задачей.

 

НАДЁЖНОСТЬ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

Решение любой задачи, выполнение любой функции, возложенной на ЭВМ, работающей в сети или локально, возможно при взаимодействии аппаратных и программных средств. Поэтому при анализе надёжности выполнения ЭВМ заданных функций следует рассматривать единый комплекс аппаратных и программных средств. По аналогии с терминами, принятыми для обозначения показателей надёжности ТУ, под надёжностью программного обеспечения (ПО) понимается свойство этого обеспечения выполнять заданные функции, сохраняя свои характеристики в установленных пределах при определённых условиях эксплуатации. Надёжность ПО определяется его безотказностью и восстанавливаемостью. Безотказность ПО – это свойство сохранять работоспособность при использовании его для обработки информации в ИС. Безотказностью программного обеспечения оценивается вероятность его работы без отказов при определённых условиях внешней среды в течение заданного периода наблюдения. В приведённом определении под отказом ПО понимается недопустимое отклонение характеристик функционирования этого обеспечения от предъявляемых требований. Определённые условия внешней среды – это совокупность входных данных и состояние самой ИС. Заданный период наблюдения соответствует времени, необходимому для выполнения на ЭВМ решаемой задачи. Безотказность ПО может характеризоваться средним временем возникновения отказов при функционировании программы. При этом предполагается, что аппаратные средства ЭВМ находятся в исправном состоянии. С точки зрения надёжности, принципиальное отличие ПО от аппаратных средств состоит в том, что программы не изнашиваются и их выход из строя из-за поломки невозможен. Следовательно, характеристики функционирования ПО зависят только от его качества, предопределяемого процессом разработки. Это означает, что безотказность ПО определяется его корректностью и зависит от наличия в нём ошибок, внесённых на этапе его создания. Кроме того, проявление ошибок ПО связано ещё и с тем, что в некоторые моменты времени на обработку могут поступать ранее не встречавшиеся совокупности данных, которые программа не в состоянии корректно обработать. Поэтому входные данные в определённой мере влияют на функционирование ПО. В ряде случаев говорят об устойчивости функционирования ПО. Под этим термином понимается способность ПО ограничивать последствия собственных ошибок и неблагоприятных воздействий внешней среды или противостоять им. Устойчивость ПО обычно обеспечивается с помощью введения различных форм избыточности, позволяющих иметь дублирующие модули программ, альтернативные программы для одних и тех же задач, осуществлять контроль за процессом исполнения программ.