Тема 2. Показатели надежности

1. Показатели безопасности полета ВС как технической системы, показатели надежности, контролепригодности, эксплуатационной и ремонтной технологичности

Ниже приведены основные общетехнические показатели надежности [4], а также показатели для изделий авиационной техники . Целесообразность рассмотрения столь многочисленных показателей вызвана тем, что каждый из них или их совокупность характеризует конкретное исследуемое состояние объекта.

Условные обозначения и определения показателей безопасности полета ВС, надежности, контролепригодности, эксплуатационной и ремонтной технологичности

Наименование показателя	Условное обозначение	Определение
Показатели безопасности полета ВС
Средний налет на летное происшествие	Тл.п	Отношение налета рассматриваемой совокупности модели за определенный период эксплуатации к математическому ожиданию (МО) числа летных происшествий в течение этого налета
Среднее число летных происшествий за 100000 ч налета	Мл.п	МО числа летных происшествий за 100000 ч налета рассматриваемой совокупности ВС
Вероятность отсутствия летного происшествия	Рл.п	Вероятность того, что в пределах определенного налета ВС летное происшествие не произойдет
Вероятность летного происшествия	q л.п	Вероятность того, что за время полета ВС определенной продолжительности летное происшествие не произошло
Вероятность особой ситуации (УУП, СС, АС, КС) - степень опасности	q с	Вероятность того, что за время полета (этапа полета) ВС возникнет особая ситуация
Вероятность особой ситуации на 1 ч полета (УУП, СС, АС, КС)	Qc	Отношение вероятности особой ситуации к продолжительности полета ВС
Коэффициент тяжести летных происшествий	Кл.п	Отношение числа катастроф к общему числу летных происшествий за определенный период эксплуатации рассматриваемой совокупности ВС
Коэффициент опасности особой ситуации	Ко.с	Вероятность того, что особая ситуация приведет к летному происшествию
Показатели надежности
Показатель надежности	Количественная характеристика одного или нескольких свойств, составляющих надежность объекта
Единичный показатель надежности	Показатель надежности, характеризующий одно из свойств, составляющих надежность объекта
Комплексный показатель надежности	Показатель надежности, характеризующий несколько свойств, составляющих надежность объекта
Расчетный показатель надежности	Показатель надежности, значения которого определяются расчетным методом
Экспериментальный показатель надежности	Показатель надежности, точечная или интервальная оценка которого определяется по данным испытаний
Эксплуатационный показатель надежности	Показатель надежности, точечная или интервальная оценка которого определяется по данным эксплуатации
Экстраполированный показатель надежности	Показатель надежности, точечная или интервальная оценка которого определяется на основании результатов расчетов, испытаний и (или) эксплуатационных данных путем экстраполирования на другую продолжительность эксплуатации и другие условия эксплуатации
Показатели безотказности
Вероятность безотказной работы при выполнении задания	Рб.з	Вероятность того, что в типовом полете не возникнет отказ изделия, приводящий к невыполнению задания
Вероятность безотказной работы	Р(t)	Вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ объекта не возникнет
Средняя наработка на отказ	То	Отношение суммарной наработки восстанавливаемого объекта к математическому ожиданию (МО) числа его отказов в течение этой наработки
Средний налет на отказ	Тн.о	Отношение налета изделия к МО числа его отказов в течение этого налета
Средний налет на отказ, приводящий к невыполнению задания	Тб.з	Отношение продолжительности типового полета изделия к МО числа его отказов в этом полете, приводящих к невыполнению задания
Средний налет на отказ, приводящий к невыполнению полетного задания	Тп.з	Отношение налета изделия по плану учебной подготовки к МО числа его отказов в течение этого налета, приводящих к невыполнению задания
Средняя наработка на отказ в полете	То.п	Отношение наработки в полете (в условиях полета) восстанавливаемого изделия к МО числа его отказов в течение этой наработки
Параметр потока отказов		Отношение МО числа отказов восстанавливаемого объекта за достаточно малую его наработку к значению этой наработки
Средняя наработка на отказ и повреждение	Тс	Отношение произведения налета на коэффициент, учитывающий регламентированную наработку изделий в исправном состоянии при наземных проверках, к МО суммарного числа выявленных в полете и при всех видах ТО отказов и повреждений его составных частей за определенный период эксплуатации
Показатели, характеризующие периодичность восстановления работоспособного (исправного) состояния
Средний налет между восстановлениями	Тс	МО налета между видами ТО, при которых производились неплановые работы по восстановлению работоспособного (исправного) состояния изделия
Средняя периодичность неплановых замен	Тз.н	МО наработки (налета, календарного времени) между неплановыми заменами однотипных изделий из-за их отказов или повреждений
Средняя наработка на досрочный съем	Тз.с	Отношение суммарной наработки совокупности однотипных изделий к МО числа досрочных съемов изделий с ВС в течение этой наработки
Показатели долговечности
Назначенный ресурс	Тр.н	Суммарная наработка, при достижении которой эксплуатация объекта должна быть прекращена независимо от его технического состояния
Предварительный назначенный ресурс	Тр.н.п	Назначенный ресурс, устанавливаемый при передаче изделия на государственные испытания
Начальный назначенный ресурс	Тр.н.н	Назначенный ресурс, устанавливаемый к началу поступления первого серийного изделия в эксплуатацию
Ресурс до первого ремонта	Тр1	Наработка изделия от начала эксплуатации до его первого ремонта, установленная в нормативной документации (НД)
Межремонтный ресурс	Тр.м	Наработка изделия между смежными ремонтами, установленная в НД
Ресурс до списания	Тр.с	Наработка изделия от начала его эксплуатации до перехода в предельное состояние, при котором изделие подлежит списанию
Гамма-процентный ресурс	Тр.	Суммарная наработка, в течение которой объект не достигнет предельного состояния с вероятностью , выраженной в процентах
Средний ресурс	Тср	Математическое ожидание ресурса
Назначенный срок службы	Тс.н	Календарная продолжительность эксплуатации, при достижении которой эксплуатация объекта должна быть прекращена независимо от его технического состояния
Начальный назначенный срок службы	Тс.н.н	Назначенный срок службы, устанавливаемый к началу поступления первого серийного изделия в эксплуатацию
Срок службы до первого ремонта	Тс1	Календарная продолжительность эксплуатации изделия от ее начала до первого ремонта, установленная в нормативно-технической документации
Межремонтный срок службы	Тс.м	Календарная продолжительность эксплуатации изделия между смежными ремонтами, установленная в нормативно-технической документации
Срок службы до списания	Тс.с	Календарная продолжительность от начала эксплуатации изделия до перехода в предельное состояние, при котором изделие подлежит списанию
Средний срок службы	Тс.ср	Математическое ожидание срока службы
Показатели ремонтопригодности
Среднее время восстановления работоспособного состояния	Тв	Математическое ожидание времени восстановления работоспособного состояния объекта после отказа
Вероятность восстановления работоспособного состояния	Рв	Вероятность того, что время восстановления работоспособного состояния объекта не превысит заданное значение
Показатели сохраняемости
Назначенный срок хранения	Тх.н	Календарная продолжительность хранения, при достижении которой хранение объекта должно быть прекращено независимо от его технического состояния
Средний срок сохраняемости	Тсх.ср	Математическое ожидание срока сохраняемости
Показатели эксплуатационной и ремонтной технологичности
Удельная суммарная трудоемкость технического обслуживания (ремонта)	Кт.ТО (Кт.р)	Отношение МО суммарной трудоемкости ТО (ремонта) за определенный период эксплуатации к налету ВС за этот же период
Средняя трудоемкость ТО (ремонта)	ТТО (Тр)	МО трудоемкости одного ТО (ремонта) данного вида за определенный период эксплуатации и на наработку [6]
Средняя трудоемкость работы при плановом ТО	Тпл.ТО	МО трудоемкости выполнения определенной работы при плановом ТО
Удельная суммарная стоимость ТО (ремонта)	Кс.ТО (Кс.р)	Отношение МО суммарной стоимости ТО (ремонта) за определенный период эксплуатации к налету ВС за этот же период
Средняя продолжительность ТО (ремонта)	tТО (tp)	МО продолжительности одного ТО (ремонта) данного вида за определенный период эксплуатации и на наработку [6]
Средняя продолжительность работы при плановом техническом обслуживании	tпл.ТО	МО времени выполнения определенной работы при плановом ТО
Удельная суммарная продолжительность восстановления работоспособного состояния	Кп.в	Отношение МО суммарной продолжительности ТО, связанного с восстановлением работоспособного состояния изделия, за определенный период эксплуатации к налету ВС за этот же период
Коэффициент взаимозаменяемости	Kв.з	Отношение оперативной трудоемкости замены сборочных единиц или деталей объекта без учета пригоночных, регулировочных и селективных работ в оперативной трудоемкости сборки объекта с учетом этих работ [9]
Коэффициент доступности	Kд	Отношение трудоемкости выполнения операций ТО (ремонта) к сумме основной и вспомогательной трудоемкости [9]
Коэффициент загрузки исполнителя	Кз	Отношение средней суммарной продолжительности работы исполнителя (средства) при выполнении вида ТО (ремонта) к средней суммарной продолжительности этого вида ТО (ремонта)
Показатели контролепригодности
Полнота контроля отказов (повреждений)		Отношение МО числа контролируемых отказов (повреждений) изделия (объекта контроля) к МО общего числа отказов (повреждений) изделия в пределах заданной наработки
Полнота контроля отказов, приводящих к особым ситуациям.		Отношение МО числа контролируемых отказов, приводящих к особым ситуациям, к МО общего числа отказов изделия (объекта контроля), приводящих к особым ситуациям
Средняя продолжительность контроля	tк	МО продолжительности контроля технического состояния изделия по заданному алгоритму
Среднее время подготовки к контролю	tп.к	МО времени подготовки средства контроля и изделия к проведению контроля технического состояния
Глубина поисков отказов	Гп.о	Отношение МО числа отказов, местонахождение которых устанавливается с детализацией до отказавшей составной части изделия, восстановление которой предусмотрено в данных условиях, к МО общего числа отказов изделия в пределах заданной наработки
Вероятность ложной информации	Рл.и	Вероятность выдачи системами контроля информации о появлении события при условии, что оно не произошло
Вероятность невыдачи информации	Рн.и	Вероятность невыдачи системами контроля информации о появлении события при условии, что оно произошло
Среднее время поиска отказа	tп.о	МО времени поиска отказавшей составной части изделия, восстановление которой предусмотрено в заданных условиях
Средняя трудоемкость контроля	Tк	МО трудоемкости контроля технического состояния изделия по заданному алгоритму
Средняя трудоемкость подготовки к контролю	Tп.к	МО трудоемкости подготовки средства контроля и изделия к проведению контроля технического состояния
Комплексные показатели надежности и эксплутационной технологичности
Коэффициент технической готовности	Кт.г	Вероятность того, что в произвольный момент времени ВС не будет находиться на плановом ТО, и его вылет не будет задержан сверх допустимого времени или отменен из-за его неисправности
Коэффициент готовности к вылету	Кг.в	Вероятность того, что запланированный на определенное время вылет ВС не будет задержан сверх допустимого времени или отменен из-за его неисправности
Коэффициент технического использования	Кт.и	Отношение МО суммарного времени пребывания объекта в работоспособном состоянии за некоторый период эксплуатации к МО суммарного времени пребывания объекта в работоспособном состоянии и простоев, обусловленных техническим обслуживанием и ремонтом за тот же период

2. Выбор количественных показателей надежности систем

Выбор тех или иных количественных показателей надежности определяется классом системы, способом соединения элементов, состоянием системы и характером отказов. Надежность невосстанавливаемой системы в процессе ее работы следует характеризовать лишь в течение времени от начала работы до первого отказа. По этой причине такие характеристики, как средняя частота отказов, среднее время между соседними отказами, коэффициенты, характеризующие соотношение между временем работы и временем простоя, коэффициенты, характеризующие частоту профилактических мероприятий, не могут быть использованы для оценки ее надежности. Количественными характеристиками надежности в данном случае могут быть: вероятность безотказной работы

, среднее время безотказной работы Т, интенсивность отказов

, частота отказов a(t).
Восстанавливаемая система в процессе ее эксплуатации, как правило, ремонтируется, то есть работает в режиме смены отказавших элементов, а это означает, что вероятность безотказной работы

среднее время безотказной работы Т, частота отказов a(t) и интенсивность отказов

в общем случае не характеризует ее надежность. Для аппаратуры многократного использования количественными характеристиками надежности могут быть: среднее время между соседними отказами tcp, средняя частота отказов

и все коэффициенты надежности. Если справедлив экспоненциальный закон надежности или оценивается надежность восстанавливаемой системы лишь до первого ее отказа, то вместо среднего времени между соседними отказами и средней частоты отказов используются среднее время безотказной работы, частота отказов и интенсивность отказов

Системы могут иметь основное, либо резервное соединение элементов. Среднее время безотказной работы и среднее время между соседними отказами слабо характеризуют надежность резервируемых систем, поэтому Т и tcp целесообразно исключить из основных характеристик надежности резервированных систем.

Оба класса систем могут находиться в одном из трех состояний: хранение, подготовка к работе, работа.

Выбор тех или иных количественных характеристик надежности существенно зависит от того, для какого из состояний определяется надежность системы. Если аппаратура хранится, то независимо от ее класса она находится в режиме смены отказавших элементов. Поэтому количественными характеристиками надежности должны быть tcp,

и все коэффициенты надежности. При подготовке к работе и в процессе работы аппаратура может и не находиться в режиме смены отказавших элементов (например, невосстанавливаемая система). Тогда основными количественными характеристиками надежности будут

, T, a(t),

. Эти характеристики будут основными также при экспоненциальном законе надежности. При хранении системы происходит старение ее элементов. Поэтому наиболее часто возникают постепенные отказы. При подготовке к работе и при работе возможны как мгновенные, так и постепенные отказы. При постепенных отказах, вызывающих уход основных характеристик за допустимые пределы, справедлив нормальный закон распределения времени возникновения отказов, а при мгновенных отказах типа обрывов и коротких замыканий - экспоненциальный. Поэтому аналитические зависимости между характеристиками надежности будут определяться характером отказа. Ниже в таблице [10] приведены количественные характеристики надежности системы обоих классов с основным и резервным соединением для случая ее рабочего состояния и состояния хранения при мгновенных и постепенных отказах.

На практике иногда интересуются надежностью восстанавливаемой системы до ее первого отказа. В этом случае нужно пользоваться критериями надежности невосстанавливаемой системы.

Количественные характеристики надежности

Примечание.

a(t)

tcp

3. Нормирование показателей надежности

В составе требований, предъявляемых к вновь разрабатываемым системам, важная роль принадлежит количественным требованиям (нормам) по надежности.

Решение задачи нормирования базируется на исследовании эффективности системы с применением методов оптимизации.

Оптимальное значение обобщенного показателя надежности системы (нормы надежности) имеет вид:

где W0 - вероятность выполнения задачи одной системы при условии отсутствия отказов;

- коэффициент увеличения материальных затрат на повышение надежности (выполнение задачи).

Результаты расчета по формуле (1) приведены на рис. 2

Из рисунка следует, что с увеличением W0 при

= const, величина Р0 возрастает. Это значит, что чем производительней система, тем выше долж-ны предъявляться требования к ее надежности, так как стоимость отказа такой системы выше, чем для менее производительной системы. Увеличение коэффициента

при W0 = const означает увеличение материальных затрат на повышение надежности, а следовательно и на выполнение задачи.

При решении задачи о нормировании следует принять

. При этом можно получить следующее минимально допустимое значение W0, Р0:

Нормирование надежности - установление в нормативно-технической документации и (или) конструкторской (проектной) документации коли-чественных и качественных требований к надежности.

Нормирование надежности включает:
- выбор нормируемых показателей надежности;
- технико-экономическое обоснование значений показателей надежности объекта и его составных частей;
- задание требований к точности и достоверности исходных данных;
- формулирование критериев отказов, повреждений и предельных состояний;
- задание требований к методам контроля надежности на всех этапах жизненного цикла объекта.

Нормируемый показатель надежности - показатель надежности, значение которого регламентировано нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документацией на объект.

В качестве нормируемых показателей надежности могут быть использованы один или несколько показателей в зависимости от назначения объекта, степени его ответственности, условий эксплуатации, последствий возможных отказов, ограничений на затраты, а также от соотношения затрат на обеспечение надежности объекта и затрат на его техническое обслуживание и ремонт. По согласованию между заказчиком и разработчиком (изготовителем) допускается нормировать показатели надежности. Значения нормируемых показателей надежности учитывают, в частности, при назначении цены объекта, гарантийного срока и гарантийной наработки.

4. Назначение норм надежности

При назначении количественных требований (норм) по надежности объектов учитываются возможности производства и экономические соображения. Вначале выбираются предварительные нормы надежности, соответствующие возможностям производства, затем производится уточнение этих норм и выбор мероприятий по повышению надежности, наиболее выгодных экономически.

При составлении технического задания на проектируемый объект еще недостаточно ясны его конструктивные формы. Поэтому обосновать количественные требования (нормы) по надежности или другим эксплуатационным свойствам можно лишь после рассмотрения соответствующих характеристик уже существующих аналогичных объектов. Иначе говоря, необходимо иметь прототип и учитывать тенденции изменения его характеристик.

В качестве прототипа заказываемого объекта выбирается высоконадежное техническое устройство, примерно аналогичное проектируемому. Прототип должен иметь возможно большее сходство с проектируемым объектом по принципу действия. При формальном назначении прототипа возможны большие ошибки.

Значение нормы надежности прототипа корректируется с учетом технических характеристик проектируемого объекта, технического прогресса за время его проектирования и изготовления, изменения условий эксплуатации, лимитирующих факторов (стоимость, масса и т.д.), значения последствий отказов, квалификации операторов и некоторых других факторов.

5. Выбор метода подтверждения выполнения норм надежности

Подтвердить заданные значения показателей (норм) надежности можно различными методами:

Основной метод подтверждения выполнения норм надежности - контрольные испытания на надежность. Такие испытания должны проводиться периодически, в сроки, предусмотренные технической документацией, а также при изменении конструкции материалов, технологии, влияющих на показатели надежности.

Перед началом контрольных испытаний объекты должны пройти приработку (технологический прогон).

В технических условиях на элементы (систему) должна быть включена программа контрольных испытаний на надежность. Программа должна содержать план испытаний, требования к средствам испытаний, способ обработки экспериментальных данных и оформления результатов испытаний.

План испытаний составляется по согласованию между заказчиком и изготовителем и утверждается вышестоящей организацией. В этом плане содержатся правила, устанавливающие объем выборки, порядок проведения испытаний и критерии их прекращения.

Моделирование и контрольные расчеты приобретают большое значение, когда сложная система не может быть подвергнута из-за большой стоимости контрольным испытаниям на надежность или может быть испытана лишь модель (макет) системы.

Методика контрольных расчетов надежности должна быть убедительно обоснована. При контрольном расчете надежности больших систем необходимо основываться на значениях показателей надежности аналогичных систем и при необходимости экстраполировать эти показатели.

Вероятностное моделирование на ЭВМ проводится в случаях, когда контрольные расчеты являются слишком громоздкими или связаны с допущениями, значительно искажающими действительность. В необходимых случаях моделирующие алгоритмы следует согласовывать с заказчиком.