Виды и причины отказов. Виды отказов объектов

Причины возникновения отказов могут быть связаны с нарушением в выполнении каких-либо заданных функций (отказ функционирования) или с недостаточной квалификацией обслуживающего персонала, в результате которой система не выполняет заданные функции удовлетворительно. Отказы могут быть связаны с изменением параметров или характеристик системы, т.е. одна из основных функций выполняется плохо (отказ по параметру). Так же причинами отказов объектов могут быть дефекты, допущенные при конструировании, производстве и ремонте, нарушение правил и норм эксплуатации, различного рода повреждения, а также естественные процессы изнашивания и старения.

Согласно ГОСТ 15467-79 отказ может быть в результате дефекта. Это понятие отражает состояние объекта. Дефектом называется каждое отдельное несоответствие объекта установленным нормам или требованиям. Дефект отражает состояние отличное от отказа. В соответствии с определением отказа, как события, заключающегося в нарушении работоспособности, предполагается, что до появления отказа объект был работоспособен. Отказ может быть следствием развития неустраненых повреждений или наличия дефектов: царапин; потертости изоляции; небольших деформаций.

По признаку стадии происхождения дефекты можно разделить на три группы:

1. Дефекты (ошибки) проектирования. Сюда можно отнести:

недостаточную виброзащищенность;

наличие повышенных напряжений;

неправильный выбор материалов;

неправильное определение предполагаемого уровня эксплуатационных нагрузок.

2. Дефекты изготовления (производственные). К ним можно отнести:

дефекты механической обработки;

дефекты пайки;

дефекты термообработки;

дефекты сборки.

3. Дефекты эксплуатации. Сюда можно отнести:

нарушение условий применения;

неправильное техническое обслуживание и ремонт;

наличие перегрузок и непредвиденных нагрузок;

применение некачественных эксплуатационных материалов.

Также причинами возникновения отказов являются:

1. Конструкционный отказ, вызванный недостатками и неудачной конструкцией объекта;

2. Производственный отказ, связанный с ошибками при изготовлении объекта по причине несовершенства или нарушения технологии;

3. Эксплуатационный отказ, вызванный нарушением правил эксплуатации.

4. Характер устранения;

5. Устойчивый отказ;

6. Перемежающийся отказ (возникающий / исчезающий).

К последствиям отказа относятся явления, процессы и события, возникшие после отказа и в непосредственной причинной связи с ним (остановка двигателя, вынужденный простой по техническим причинам).

Последствиями отказа являются:

1. Легкий отказ (легкоустранимый);

2. Средний отказ (не вызывающий отказы смежных узлов - вторичные отказы);

3. Тяжелый отказ (вызывающий вторичные отказы или приводящий к угрозе жизни и здоровью человека).

4. Дальнейшее использование объекта:

5. Полные отказы, исключающие возможность работы объекта до их устранения;

6. Частичные отказы, при которых объект может частично использоваться.

Основные показатели безотказности для невосстанавливаемых объектов

Невосстанавливаемый объект - это объект, который не подлежит восстановлению в результате отказа.

Вероятность безотказной работы - это вероятность того, что в пределах заданий наработки отказ объекта не возникает. На практике этот показатель определяется статистической оценкой:

где N o - число однотипных объектов, поставленных на испытания (находящихся под контролем); во время испытаний отказавший объект не восстанавливается и не заменяется исправным;

n(t) - число отказавших объектов за время t .

Из определения вероятности безотказной работы видно, что эта характеристика является функцией времени, причем она является убывающей функцией и может принимать значения от 1 до 0.

График вероятности безотказной работы объекта

Как видно из графика, функция P(t) характеризует изменение надежности во времени и является достаточно наглядной оценкой

Иногда практически целесообразно пользоваться не вероятностью безотказной работы, а вероятностью отказа Q(t). Поскольку работоспособность и отказ являются состояниями несовместимыми и противоположными, то их вероятности связаны зависимостью:

P(t) + Q(t) = 1. (2)

Согласно законам теории вероятности вероятность безотказной работы можно определить по формуле:

где f(t) - плотность вероятности (согласно закона распределения).

Таким образом, зная плотность вероятности f(t), легко найти искомую величину P(t).

Связь между P(t), Q(t) и f(t) можно интерпретировать, как показано на рисунке 3.

Графическая интерпретация вероятности безотказной работы и вероятности отказа

отказ невосстанавливаемый наработка безотказный

Отметим, что не всегда в качестве наработки выступает время (в часах, годах). К примеру, для оценки вероятности безотказной работы коммутационных аппаратов с большим количеством переключений в качестве переменной величины наработки целесообразно брать количество циклов «включить» - «выключить». При оценке надежности скользящих контактов удобнее в качестве наработки брать количество проходов токоприемника по этому контакту, а при оценке надежности движущихся объектов наработку целесообразно брать в километрах пробега. Суть математических выражений оценки P(t), Q(t), f(t) при этом остается неизменной.

Средней наработкой до отказа называется математическое ожидание наработки объекта до первого отказа T 1 .

Таким образом, средняя наработка до отказа равна площади, образованной кривой вероятности безотказной работы P(t) и осями координат.

Статистическая оценка для средней наработки до отказа определяется по формуле

где N o - число работоспособных однотипных невосстанавливаемых объектов при t = 0 (в начале испытания);

t j - наработка до отказа j -го объекта.

Отметим, что как и в случае с определением P(t) средняя наработка до отказа может оцениваться не только в часах (годах), но и в циклах, километрах пробега и другими аргументами.

Интенсивность отказов - это условная плотность вероятности возникновения отказа объекта, определяемая при условии, что до рассматриваемого момента времени отказ не наступил. Из вероятностного определения следует, что

Статистическая оценка интенсивности отказов имеет вид:

где n(Дt) - число отказов однотипных объектов на интервале Дt ?? , для которого определяется интенсивность отказов;

N ср . ?? - число работоспособных объектов в середине интервала Дt ?? (см. рисунок 4).

Схема для определения N ср

N i - число работоспособных объектов в начале интервала t ?? ;

N ?? +1 - число работоспособных объектов в конце интервала Дt ?? .

Если при статистической оценке интенсивности отказов время эксперимента разбить на достаточно большое количество одинаковых интервалов Дt за длительный срок, то результатом обработки опытных данных будет график, изображенный на рисунке 5.

Кривая жизни объекта

Как показывают многочисленные данные анализа надежности большинства объектов линеаризованная обобщенная зависимость л(t) представляет собой сложную кривую с тремя характерными интервалами (I, II, III). На интервале II (t 2 - t 1) л = const. Этот интервал может составлять более 10 лет, он связан с нормальной эксплуатацией объектов. Интервал I (t 1 - 0) часто называют периодом приработки элементов. Он может увеличиваться или уменьшаться в зависимости от уровня организации отбраковки элементов на заводе-изготовителе, где элементы с внутренними дефектами своевременно изымаются из партии выпускаемой продукции. Величина интенсивности отказов на этом интервале во многом зависит от качества сборки схем сложных устройств, соблюдения требований монтажа и т.п. Включение под нагрузку собранных схем приводит к быстрому «выжиганию» дефектных элементов и по истечении некоторого времени t 1 в схеме остаются только исправные элементы, и их эксплуатация связана с л = const. На интервале III (t > t 2) по причинам, обусловленным естественными процессами старения, изнашивания, коррозии и т.д., интенсивность отказов резко возрастает, увеличивается число деградационных отказов. Для того, чтобы обеспечить л = const необходимо заменить неремонтируемые элементы на исправные новые или работоспособные, отработавшие время t ? t 2 . Интервал л = const соответствует экспоненциальной модели распределения вероятности безотказной работы. Здесь же отметим, что при л = const значительно упрощается расчет надежности и л наиболее часто используется как исходный показатель надежности элемента.

Гамма-процентная наработка до отказа - наработка в течение которой отказ в объекте не возникнет с вероятностью г, выраженной в процентах, иначе это минимальная наработка до отказа которую будут иметь гамма процентов объектов данного вида. Обычно г =100%.

Виды отказов объектов

Основные понятия теории надежности

Теория надежности изучает процессы возникновения отказов технических объектов и способы борьбы с отказами. Техническими объектами могут быть изделия, системы и их элементы, в частности сооружения, установки, устройства, машины, аппараты, приборы и их части, агрегаты и отдельные детали.

В последние годы область применения теории надежности расширяется, ее методы распространяются также на формализованные алгоритмы целенаправленного применения технических объектов (программы для ПК, планы систем работ) и на действия пользователя ПК как звена системы управления.

Часто в целях общности речь будет идти о системах и единичных рабочих частях систем - элементах. Система предназначена для самостоятельного выполнения определенной практической задачи. Термин элемент применяется для составной части системы. Обычно элемент не предназначается для самостоятельного практического применения вне связи с другими элементами. Примеры элементов: процессор ПК. В принципе систему можно разбить на любое число элементов, необходимое для исследования (расчета) надежности. Однако деление системы на элементы нельзя считать произвольным. Каждый элемент должен обладать способностью выполнять в системе определенные функции. Иногда ставится условие, чтобы элемент был такой частью системы, которая может быть восстановлена только путем полной замены.

Различают два основных состояния объектов: работоспособное и неработоспособное . Состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции, сохраняя значения заданных параметров в пределах, установленных нормативно-технической документацией, называют работоспособным.

Состояние объекта, при котором значение хотя бы одного заданного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям, установленным нормативно-технической документацией, называют неработоспособным.

Отказ – событие, заключающееся в нарушении работоспособности, т. е. в переходе в неработоспособное состояние.

Обычно неработоспособность – состояние, при котором нельзя начинать применение объекта (например, выпускать самолет в воздух). Однако возможны задачи, в которых неработоспособность – состояние, при котором объект не может продолжать выполнять свое назначение. Возможны и другие признаки неработоспособного состояния объекта (например, объект требует среднего или капитального ремонта, производительность объекта стала ниже критической и т. д.). Поэтому при оценке надежности необходимо заранее оговорить, какое состояние объекта считается неработоспособным.

Когда объект предназначен для выполнения нескольких функций, часто находят значения показателей надежности по каждой из функций.

Возможен и другой путь: оценивают свойство объекта выполнять все требуемые от него функции. Отказом считается невыполнение хотя бы одной из функций независимо от того, возникла ли случайная ситуация, в которой требуется выполнение этой функции, или нет.

Опишем еще одну постановку задачи оценки надежности, которая, к сожалению, довольно часто встречается в литературе. В этой задаче при оценке надежности учитывают случайную потребность в выполнении объектом отдельных функций.

Пусть состоящая из п элементов система предназначена для выполнения нескольких k функций. Функционирование такой системы может быть представлено как процесс изменения вектора состояний Z (t ) в пространстве состояний [x (t), y (t )], где x i – состояние i -го элемента системы, (i =1, 2, …, n ; y j – переменная, характеризующая потребность в выполнении j -й функции, j =l, 2,..., k.

Обычно предполагается, что отдельные координаты вектора Z (t ) являются независимыми случайными функциями времени (наработки), принимающими одно из двух возможных значений:

Искомые показатели «надежности» находят как числовые характеристики некоторого функционала от случайного процесса Z (t ). Понятие функционала является обобщением понятия функции. Функционал Ф определен на процессе Z (t ), если каждой траектории z (t ) ставится в соответствие некоторое число T=Ф[z (t )]. В рассматриваемом случае найденные показатели «надежности» характеризуют не техническую систему, а ситуацию по удовлетворению случайного спроса. Поэтому слово «надежность» приведено в кавычках.

Приведенные выше соображения можно пояснить таким простейшим примером. Пусть необходимо везти груз ночью через лес, в котором могут быть грабители. Человек, охраняющий груз, вооружен пистолетом. Очевидно, что значение показателя надежности этого пистолета не должно зависеть от случайной потребности в нем, т. е. от того, нападут грабители или нет.

Виды отказов объектов

Отказы можно классифицировать по различным признакам.

1. По характеру устранения можно различать окончательные (устойчивые) и перемежающиеся (то возникающие, то исчезающие) отказы. Окончательные отказы являются следствием необратимых процессов в деталях и материалах. При окончательных отказах для восстановления работоспособности объекта необходимо производить его ремонт (регулировку). Пример окончательного отказа – отказ компьютера из-за выхода из строя оперативной памяти.

Перемежающиеся отказы в большинстве случаев являются следствием обратимых случайных изменений режимов работы и параметров объектов. При возвращении режима работы в допустимые пределы объект сам, обычно без вмешательства человека, возвращается в работоспособное состояние. Например, совершенно исправный элемент компьютера может перестать реагировать на управляющий сигнал из-за случайного резкого уменьшения напряжения питания. Когда напряжение питания опять станет равным номинальному значению, этот элемент будет продолжать исправно работать (конечно, если в результате колебаний напряжения не произошел окончательный отказ).

Обычно последствия возникновения перемежающихся отказов отличаются от последствий появления окончательных отказов. Например, если из-за низкого напряжения питания нет изображения в телевизоре, то это меньшая неприятность, чем окончательный отказ кинескопа. В ряде случаев перемежающиеся отказы дают более тяжелые последствия, чем окончательные. Перемежающиеся отказы особенно неприятны в информационных системах, где они известны под названием сбоев. Появление сбоя трудно обнаружить, так как после его исчезновения объект остается работоспособным.

Таким образом, перемежающиеся отказы существенно отличаются от окончательных причиной возникновения, внешними проявлениями и последствиями проявления. Поэтому иногда целесообразно различать два показателя надежности: для окончательных отказов и для перемежающихся отказов.

2. По связи с другими отказами можно различать отказы первичные , т. е. возникшие по любым причинам, кроме действия другого отказа, и вторичные , т. е. возникшие в результате другого отказа. Например, из-за пробоя конденсатора может сгореть сопротивление. При вычислении показателей надежности обычно учитываются лишь первичные отказы.

Отказы являются случайными событиями, которые могут быть независимыми или зависимыми. Отказы являются зависимыми, если при появлении одного из них изменяется вероятность появления второго отказа. Для независимых отказов вероятность появления одного из них не зависит от того, произошли другие отказы или нет.

3. По легкости обнаружения отказы могут быть очевидными (явными или скрытыми (неявными).

4. Для каждого определенного типа объектов отказы можно различать по внешним проявлениям. Например, различные отказы конденсаторов можно разбить на две группы: типа обрыв и типа замыкание.

5. По характеру возникновения можно различать отказы внезапные , состоящие в резком, практически мгновенном изменении характеристик объектов, и отказы постепенные , происходящие за счет медленного, постепенного ухудшения качества объектов.

Внезапные отказы обычно проявляются в виде механических повреждений элементов (поломки, трещины, обрывы, пробои изоляции и т. п.), из-за чего эти отказы часто называют грубыми. Внезапные отказы получили свое название из-за того, что обычно отсутствуют видимые признаки их приближения, т. е. перед отказом обычно не удается обнаружить количественные изменения характеристик объекта.

Постепенные отказы (параметрические, плавные) связаны с износом деталей, старением материалов и регулированием устройств. Параметры объекта могут достигать критических значений, при которых его состояние считается неудовлетворительным, т.е. происходит отказ.

Внезапный отказ объекта также является следствием накопления необратимых изменений материалов. Иначе говоря, возникновение внезапного отказа также является следствием случайного процесса изменения какого-то параметра объекта. Внезапным отказ кажется лишь потому, что не контролируется изменяющийся параметр, при критическом значении которого наступает отказ объекта, обычно связанный с его механическим повреждением.

Таким образом, возникновению всякого отказа предшествует накопление тех или иных изменений внутри объекта (при этом, конечно, не рассматриваются отказы, происшедшие из-за небрежности или неумения работников).

Для объектов разного назначения и устройства применяются различные показатели надежности. В настоящее время можно выделить четыре группы объектов, различающиеся показателями и методами оценки надежности:

1) неремонтируемые объекты, применяемые да первого отказа;

2) ремонтируемые объекты, восстановление которых в процессе применения невозможно (невосстанавливаемые объекты);

3) ремонтируемые восстанавливаемые в процессе применения объекты, для которых недопустимы перерывы в работе;

4) ремонтируемые восстанавливаемые в процессе применения объекты, для которых допустимы кратковременные перерывы в работе.

Классификация объектов по показателям и методам оценки надежности приведена на рис.1, где прямоугольниками выделены перечисленные выше группы объектов.

Рис. 1. Группы объектов, различающиеся показателями надежности.

Одним из основных понятий теории надежности является понятие отказа (изделия, объекта, элемента, системы).Как уже отмечалось выше, отказ - это потеря способности изделия выполнить требуемую функцию.

В соответствии с ГОСТ Р 53480-2009 даны определения видов отказов (п.1.1).

Основными причинами возникновения отказов являются:

Конструктивные дефекты;

Технологические дефекты;

Эксплуатационные дефекты;

Постепенное старение (износ).

Отказы вследствие конструктивных дефектов возникают как следствие несовершенства конструкции из-за «промахов» при конструировании. В этом случае наиболее распространенными являются недоучет «пиковых» нагрузок, применение материалов с низкими потребительскими свойствами, схемные «промахи» и др. Отказы этой группы сказываются на всех экземплярах изделия, объекта, системы.

Отказы из-за технологических дефектов возникают как следствие нарушения принятой технологии изготовления изделий (например, выход отдельных характеристик за установленные пределы). Отказы этой группы характерны для отдельных партий изделий, при изготовлении которых наблюдались нарушения технологии изготовления.

Отказы из-за эксплуатационных дефектов возникают по причине несоответствия требуемых условий эксплуатации, правил обслуживания действительным. Отказы этой группы характерны для отдельных экземпляров изделий.

Отказы из-за постепенного старения (износа) вследствие накопления необратимых изменений в материалах, приводящих к нарушению прочности (механической, электрической), взаимодействия частей объекта.

По типу отказы подразделяются на:

- отказы функционирования (выполнение основных функций изделием прекращается, например, поломка зубьев шестерни);

- отказы параметрические (некоторые параметры изделия изменяются в недопустимых пределах, например, потеря точности станка).

По своей природе отказы могут быть:

- случайные, обусловленные непредусмотренными перегрузками, дефектами материала, ошибками персонала или сбоями системы управления и т. п.;

- систематические , обусловленные закономерными и неизбежными явлениями, вызывающими постепенное накопление повреждений: усталость, износ, старение, коррозия и т. п.

Отказы элементов систем могут возникать в результате (рис. 1.1):

1) первичных отказов;

2) вторичных отказов;

3) ошибочных команд (инициированные отказы).

Рис. 1.2Классификация отказов

Отказы всех этих категорий могут иметь различные причины, приведенные в наружном кольце. Когда точный вид отказов определен и данные по ним получены, а конечное событие является критическим, то они рассматриваются как исходные отказы.

Первичный отказ элемента определяют как нерабочее состояние этого элемента, причиной которого является он сам, и необходимо выполнить ремонтные работы для возвращения элемента в рабочее состояние. Первичные отказы происходят при входных воздействиях, значение которых находится в пределах, лежащих в расчетном диапазоне, а отказы объясняются естественным старением элементов. Разрыв резервуара вследствие старения (усталости) материала служит примером первичного отказа.

Вторичный отказ - такой же, как первичный, за исключением того, что сам элемент не является причиной отказа. Вторичные отказы объясняются воздействием предыдущих или текущих избыточных напряжений на элементы. Амплитуда, частота, продолжительность действия этих напряжений могут выходить за пределы допусков или иметь обратную полярность и вызываются различными источниками энергии: термической, механической, электрической, химической, магнитной, радиоактивной и т.п. Эти напряжения вызываются соседними элементами или окружающей средой, например - метеорологическими (ливень, ветровая нагрузка), геологическими условиями (оползни, просадка грунтов), а также воздействием со стороны других технических систем.

Примером вторичных отказов служит «срабатывание предохранителя от повышенного электрического тока», «повреждение емкостей для хранения при землетрясении». Следует отметить, что устранение источников повышенных напряжений не гарантирует возвращение элемента в рабочее состояние, так как предыдущая перегрузка могла вызвать необратимое повреждение в элементе, требующее в этом случае ремонта.

Инициированные отказы (ошибочные команды). Люди, например, операторы и обслуживающий технический персонал, также являются возможными источниками вторичных отказов, если их действия приводят к выходу элементов из строя. Ошибочные команды представляются в виде элемента, находящегося в нерабочем состоянии из-за неправильного сигнала управления или помех (при этом лишь иногда требуется ремонт для возвращения данного элемента в рабочее состояние). Самопроизвольные сигналы управления или помехи часто не оставляют последствий (повреждений), и в нормальных последующих режимах элементы работают в соответствии с заданными требованиями. Типичными примерами ошибочных команд являются: «переключатель случайно не разомкнулся из-за помех», «помехи на входе контрольного прибора в системе безопасности вызвали ложный сигнал на остановку», «оператор не нажал на аварийную кнопку» (ошибочная команда от аварийной кнопки).

Множественный отказ (отказы общего характера) есть событие, при котором несколько элементов выходят из строя по одной и той же причине. К числу таких причин могут быть отнесены следующие:

Конструкторские недоработки оборудования (дефекты, не выявленные на стадии проектирования и приводящие к отказам вследствие взаимной зависимости между электрическими и механическими подсистемами или элементами избыточной системы);

Ошибки эксплуатации и технического обслуживания (неправильная регулировка или калибровка, небрежность оператора, неправильное обращение и т. п.);

Воздействие окружающей среды (влага, пыль, грязь, температура, вибрация, а также экстремальные режимы нормальной эксплуатации);

Внешние катастрофические воздействия (естественные внешние явления, такие как наводнение, землетрясение, пожар, ураган);

Общий изготовитель (резервируемое оборудование или его компоненты, поставляемые одним и тем же изготовителем, могут иметь общие конструктивные или производственные дефекты. Например, производственные дефекты могут быть вызваны неправильным выбором материала, ошибками в системах монтажа, некачественной пайкой и т. п.);

Общий внешний источник питания (общий источник питания для основного и резервного оборудования, резервируемых подсистем и элементов);

Неправильное функционирование (неверно выбранный комплекс измерительных приборов или неудовлетворительно спланированные меры защиты).

Известен целый ряд примеров множественных отказов: так, некоторые параллельно соединенные пружинные реле выходили из строя одновременно и их отказы были вызваны общей причиной; вследствие неправильного расцепления муфт при техническом обслуживании два клапана оказались установлены в неправильное положение; из-за разрушения паропровода имели место сразу несколько отказов коммутационного щита. В некоторых случаях общая причина вызывает не полный отказ резервированной системы (одновременный отказ нескольких узлов, т.е. предельный случай), а менее серьезное общее понижение надежности, что приводит к повышению вероятности совместного отказа узлов систем. Такое явление наблюдается в случае исключительно неблагоприятных окружающих условий, когда ухудшение характеристик приводит к отказу резервного узла. Наличие общих неблагоприятных внешних условий приводит к тому, что отказ второго узла зависит от отказа первого и спарен с ним.

Для каждой общей причины необходимо определить все вызываемые ею исходные события. При этом определяют сферу действия каждой общей причины, а также место расположения элементов и время происшествия. Некоторые общие причины имеют лишь ограниченную сферу действия. Например, утечка жидкости может ограничиваться одним помещением, и электрические установки, их элементы в других помещениях не будут повреждены вследствие утечек, если только эти помещения не сообщаются друг с другом.

Отказ считают по сравнению с другим более критичным, если его предпочтительнее рассматривать в первую очередь при разработке вопросов надежности и безопасности. При сравнительной оценке критичности отказов учитывают последствия отказа, вероятность возникновения, возможность обнаружения, локализации и т. д.

Указанные выше свойства технических объектов и промышленная безопасность – взаимосвязаны. Так, при неудовлетворительной надежности объекта вряд ли следует ожидать хороших показателей его безопасности. В то же время перечисленные свойства имеют свои самостоятельные функции. Если при анализе надежности изучается способность объекта выполнять заданные функции (при определенных условиях эксплуатации) в установленных пределах, то при оценке промышленной безопасности выявляют причинно-следственные связи возникновения и развития аварий и других нарушений с всесторонним анализом последствий этих нарушений.

Отказы по причинным схемам возникновения подразделяются на следующие группы:

Отказы с мгновенной схемой возникновения;

Отказы с постепенной схемой возникновения;

Отказы с релаксационной схемой возникновения;

Отказы с комбинированными схемами возникновения.

Отказы с мгновенной схемой возникновения характеризуются тем, что время наступления отказа не зависит от времени предшествующей эксплуатации и состояния объекта, момент отказа наступает случайно, внезапно. Примерами реализации такой схемы могут служить отказы изделий под действием пиковых нагрузок в электрической сети, механическое разрушение посторонним внешним воздействием и т. п.

Отказы с постепенной схемой возникновения происходят за счет постепенного накопления вследствие физико-химических изменений в материалах повреждений. При этом значения некоторых «решающих» параметров выходят за допустимые границы, и объект (система) не способен выполнять заданные функции. Примерами реализации постепенной схемы возникновения могут служить отказы вследствие снижения сопротивления изоляции, электрической эрозии контактов и т. п.

Отказы с релаксационной схемой возникновения характеризуются первоначальным постепенным накоплением повреждений, которые создают условия для скачкообразного (резкого) изменения состояния объекта, после которого возникает отказное состояние. Примером реализации релаксационной схемы возникновения отказов может служить пробой изоляции кабеля вследствие коррозионного разрушения брони.

Отказы с комбинированными схемами возникновения характерны для ситуаций, когда одновременно действуют несколько причинных схем. Примером, реализующим эту схему, может служить отказ двигателя в результате короткого замыкания по причинам снижения сопротивления изоляции обмоток и перегрева.

При анализе надежности необходимо выявлять преобладающие причины отказов и лишь затем, если в этом есть необходимость, учитывать влияние остальных причин.

По временному аспекту и степени предсказуемости отказы подразделяются на внезапные и постепенные .

По характеру устранения с течением времени различают устойчивые (окончательные) и самоустраняющиеся (кратковременные) отказы. Кратковременный отказ называется сбоем. Характерный признак сбоя - то, что восстановление работоспособности после его возникновения не требует ремонта аппаратуры. Примером может служить кратковременно действующая помеха при приеме сигнала, дефекты программы и т. п.

Для анализа и исследования надежности причинные схемы отказов можно представить в виде статистических моделей, которые вследствие вероятностного возникновения повреждений описываются вероятностными законами.

Основные признаки классификации отказов представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 Основные признаки классификации отказов

характер возникновения:		внезапный отказ – отказ, проявляющийся в резком (мгновенном) изменении характеристик объекта;
		постепенный отказ – отказ, происходящий в результате медленного, постепенного ухудшения качества объекта.
Внезапные отказы обычно проявляются в виде механических повреждений элементов (трещины – хрупкое разрушение, пробои изоляции, обрывы и т. п.) и не сопровождаются предварительными видимыми признаками их приближения. Внезапный отказ характеризуется независимостью момента наступления от времени предыдущей работы. Постепенные отказы - связаны с износом деталей и старением материалов.
причина возникновения:	конструкционный отказ, вызванный недостатками и неудачной конструкцией объекта;
	производственный отказ, связанный с ошибками при изготовлении объекта по причине несовершенства или нарушения технологии;
	эксплуатационный отказ, вызванный нарушением правил эксплуатации.
характер устранения:	устойчивый отказ;
	перемежающийся отказ (возникающий/исчезающий). последствия отказа: легкий отказ (легкоустранимый);
	средний отказ (не вызывающий отказы смежных узлов – вторичные отказы);
	тяжелый отказ (вызывающий вторичные отказы или приводящий к угрозе жизни и здоровью человека).
дальнейшее использование объекта:	полные отказы, исключающие возможность работы объекта до их устранения;
	частичные отказы, при которых объект может частично использоваться.
легкость обнаружения:	очевидные (явные) отказы;
	скрытые (неявные) отказы.
время возникновения:	приработочные отказы, возникающие в начальный период эксплуатации;
	отказы при нормальной эксплуатации;
	износовые отказы, вызванные необратимыми процессами износа деталей, старения материалов и пр.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

По дисциплине

«Надежность технических систем и техногенный риск»

«Причины и виды отказов»

Введение

Переход объекта из одного вышестоящего технического состояния в нижестоящее обычно происходит вследствие событий: повреждений или отказов. Совокупность фактических состояний объекта и возникающих событий, способствующих переходу в новое состояние, охватывает так называемый жизненный цикл объекта, который протекает во времени и имеет определенные закономерности, изучаемые в теории надежности. Включающие в себя такие понятия, как повреждения, отказ и т.д. Рассмотрим эти понятия как можно полноценнее.

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

Отказ - это событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта.

Применительно к отказу и повреждению рассматривают такие критерий, как причину, признаки, характер и последствия.

Под критериями отказа понимаются признаки, позволяющие установить факт нарушения работоспособности. Наиболее распространенными критериями отказов являются трещины, нарушения регулировок, износ и др.

Причинами отказов объектов могут быть дефекты, допущенные при конструировании, производстве и ремонте, нарушение правил и норм эксплуатации, различного рода повреждения, а также естественные процессы изнашивания и старения.

Признаками отказов объектов называются непосредственные или косвенные воздействия на органы чувств наблюдателя явлений, характерных для неработоспособного состояния объекта (падение давления масла, появление стуков, изменение температурного режима и т.д.).

Характером отказа (повреждения) являются конкретные изменения в объекте, связанные с возникновением отказа (обрыв провода, деформация детали и т.д.).

В данной работе я постараюсь рассмотреть классификацию, причины и последствия отказов в полном объеме.

1. Понятие отказа

Под отказом понимается событие, заключающееся в полной или частичной утрате работоспособности системы.

Отказ может быть связан с нарушением в выполнении каких-либо заданных функций (отказ функционирования) или с недостаточной квалификацией обслуживающего персонала, в результате которой система не выполняет заданные функции удовлетворительно. Отказы могут быть связаны с изменением параметров или характеристик системы, т.е. одна из основных функций выполняется плохо (отказ по параметру).

2. Классификация и характеристики отказов

Классифицировать отказы можно в зависимости от характера и особенностей, от момента возникновения. Перейдем к классификации отказов:

1. По характеру изменения параметра до момента возникновения отказа:

Внезапный отказ;

Постепенный отказ.

2. По связи с другими отказами:

Независимый отказ;

Зависимый отказ.

3. По возможности последующего использования после возникновения отказа:

Полный отказ;

Частичный отказ.

4. По характеру устранения отказа:

Устойчивый отказ;

Самоустраняющийся отказ (сбой или перемежающийся отказ).

5. По наличию внешних проявлений:

Очевидный (явный) отказ;

Скрытый (неявный) отказ.

6. По причине возникновения:

Конструкционный отказ;

Технологический отказ;

Эксплуатационный отказ.

7. По природе происхождения:

Естественный отказ;

Искусственный отказ (вызываемый намеренно).

8. По времени возникновения отказов:

Отказ при испытаниях;

Отказ периода приработки;

Отказ периода нормальной эксплуатации;

Отказ последнего периода эксплуатации.

3. Характеристика отказов

Постепенные (износные) отказы характеризуются возникновением в результате постепенного протекания того или иного процесса повреждения, прогрессивно ухудшающего выходные параметры объекта.

Внезапные отказы возникают в результате сочетания неблагоприятных факторов и случайных внешних воздействий, превышающих возможности объекта к их восприятию. Внезапные отказы характеризуются скачкообразным характером перехода объекта из работоспособно в неработоспособное состояние.

Сложный отказ включает особенности двух предыдущих отказов.

К полным отказам относятся отказы, после которых использование объекта по назначению невозможно (для восстанавливаемых объектов - невозможно до проведения восстановления).

Частичные отказы - отказы, после возникновения которых объект может быть использован по назначению, но с меньшей эффективностью или когда вне допустимых пределов находятся значения не всех, а одного или нескольких выходных параметров.

Независимый отказ - отказ, не обусловленный другими отказами или повреждениями объекта.

Зависимый отказ - отказ, обусловленный другими отказами или повреждениями объекта.

Устойчивые отказы - отказы, которые можно устранить только путем восстановления (ремонта).

Отказы, устраняемые без операций восстановления путем регулирования или саморегулирования, относятся к самоустраняющимся.

Сбой - самоустраняющийся отказ или однократный отказ, устраняемый незначительным вмешательством оператора.

Перемежающийся отказ - многократно возникающий самоустраняющийся отказ одного и того же характера.

Явный отказ - отказ, обнаруживаемый визуально или штатными методами и средствами контроля и диагностирования при подготовке объекта к применению или в процессе его применения по назначению.

Скрытый отказ - отказ, не обнаруживаемый визуально или штатными методами и средствами контроля и диагностирования, но выявляемый при проведении технического обслуживания или специальными методами диагностики.

Большинство параметрических отказов относятся к категории скрытых.

Конструктивный отказ - отказ, возникший по причине, связанной с несовершенством или нарушением установленных правил и (или) норм проектирования и конструирования.

Производственный отказ - отказ, возникший по причине, связанной с несовершенством или нарушением установленного процесса изготовления или ремонта, выполняемого на ремонтном предприятии.

Эксплуатационный отказ - отказ, возникший по причине, связанной с нарушением установленных правил и (или) условий эксплуатации.

Деградационный отказ - отказ, обусловленный естественным процессом старения, изнашивания, коррозии и усталости при соблюдении всех установленных правил и (или) норм проектирования, изготовления и эксплуатации.

Искусственные отказы вызываются преднамеренно, например, с исследовательскими целями, с целью необходимости прекращения функционирования и т.п.

Отказы, происходящие без преднамеренной организации их наступления в результате направленных действий человека (или автоматических устройств), относят к категории естественных отказов.

Причины и последствия возникновения отказов

По признаку стадии происхождения дефекты можно разделить на три группы:

1. Дефекты (ошибки) проектирования. Сюда можно отнести:

недостаточную виброзащищенность;

наличие повышенных напряжений;

неправильный выбор материалов;

неправильное определение предполагаемого уровня эксплуатационных нагрузок.

2. Дефекты изготовления (производственные). К ним можно отнести:

дефекты механической обработки;

дефекты пайки;

дефекты термообработки;

дефекты сборки.

3. Дефекты эксплуатации. Сюда можно отнести:

нарушение условий применения;

неправильное техническое обслуживание и ремонт;

наличие перегрузок и непредвиденных нагрузок;

применение некачественных эксплуатационных материалов.

Также причинами возникновения отказов являются:

1. Конструкционный отказ, вызванный недостатками и неудачной конструкцией объекта;

3. Эксплуатационный отказ, вызванный нарушением правил эксплуатации.

4. Характер устранения;

5. Устойчивый отказ;

6. Перемежающийся отказ (возникающий / исчезающий).

Последствиями отказа являются:

1. Легкий отказ (легкоустранимый);

2. Средний отказ (не вызывающий отказы смежных узлов - вторичные отказы);

3. Тяжелый отказ (вызывающий вторичные отказы или приводящий к угрозе жизни и здоровью человека).

4. Дальнейшее использование объекта:

5. Полные отказы, исключающие возможность работы объекта до их устранения;

6. Частичные отказы, при которых объект может частично использоваться.

Основные показатели безотказности для невосстанавливаемых объектов

Невосстанавливаемый объект - это объект, который не подлежит восстановлению в результате отказа.

n(t) - число отказавших объектов за время t .

График вероятности безотказной работы объекта

P(t) + Q(t) = 1. (2)

Согласно законам теории вероятности вероятность безотказной работы можно определить по формуле:

где f(t) - плотность вероятности (согласно закона распределения).

Таким образом, зная плотность вероятности f(t), легко найти искомую величину P(t).

Связь между P(t), Q(t) и f(t) можно интерпретировать, как показано на рисунке 3.

Графическая интерпретация вероятности безотказной работы и вероятности отказа

отказ невосстанавливаемый наработка безотказный

Средней наработкой до отказа называется математическое ожидание наработки объекта до первого отказа T 1 .

Таким образом, средняя наработка до отказа равна площади, образованной кривой вероятности безотказной работы P(t) и осями координат.

Статистическая оценка для средней наработки до отказа определяется по формуле

где N o - число работоспособных однотипных невосстанавливаемых объектов при t = 0 (в начале испытания);

t j - наработка до отказа j -го объекта.

Статистическая оценка интенсивности отказов имеет вид:

N ср . ?? - число работоспособных объектов в середине интервала Дt ?? (см. рисунок 4).

Схема для определения N ср

N i - число работоспособных объектов в начале интервала t ?? ;

N ?? +1 - число работоспособных объектов в конце интервала Дt ?? .

Кривая жизни объекта

Заключение

Из всего выше изложенного можно сделать вывод, что отказ это неотъемлемая часть любой техники. Все имеет свой срок годности. Рано или поздно деталь изнашивается, деформируется, портится и т.д., что выводит из эксплуатации всю технику или частично. Это событие принято называть отказом. В свою очередь отказ является толчком для развития более современной технологии.

Библиографический список

1. Надежность технических систем: Справочник. / Ю.К. Беляев, В.А. Богатырев, В.В. Болотин. Под ред. И.А. Ушакова - М.: Радио и связь 1985

2. Надежность технических систем. Бобров В.И. Учебное пособие - Москва: МГУП, 2004

3. ГОСТ 27.002-89 «Надежность в технике. Основные понятия, термины и определения»

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Построение эмпирической вероятности безотказной работы. Определение параметров распределения итерационным методом. Рассмотрение количественных характеристик каждого фактора в отдельности. Определение средней наработки до первого отказа устройства.

отчет по практике , добавлен 13.12.2017

Определение статистической вероятности безотказной работы устройства. Расчет средней наработки до отказа топливных форсунок. Изучение зависимости от пробега автомобиля математического ожидания износа шатунных шеек коленчатого вала и дисперсии износа.

контрольная работа , добавлен 26.02.2015

Государственные стандарты по проблеме надежности энергетических объектов при эксплуатации. Изменение интенсивности отказов при увеличении наработки объекта. Вероятность безотказной работы. Показатели долговечности и модель гамма-процентного ресурса.

презентация , добавлен 15.04.2014

Определение модели вероятности отказов для резистора и конденсатора, расчет коэффициентов нагрузки и суммарной эксплуатационной интенсивности отказов с целью оценки показателей безотказности функционального узла РЭУ при наличии постоянного резервирования.

курсовая работа , добавлен 05.07.2010

Понятия теории надежности. Вероятность безотказной работы. Показатели частоты отказов. Методы повышения надежности техники. Случаи возникновения отказов, сохранность работоспособности оборудования. Критерии и количественные характеристики его оценки.

курсовая работа , добавлен 28.04.2014

Отказ как полное или частичное отсутствие детонации заряда. Заряды, не взорвавшиеся по причинам технического характера. Виды отказов, их классификация по внешним признакам, периодичности проявления. Основные причины отказов, особенности их предупреждения.

презентация , добавлен 23.07.2013

Схема основных состояний и событий, характерных для восстанавливаемых систем. Показатели надежности невосстанавливаемых систем. Критерии потоков отказов. Показатели безотказности. Анализ ряда основных параметров, характеризующих надежность системы.

курсовая работа , добавлен 22.07.2015

Анализ изменения вероятности безотказной работы системы от времени наработки. Понятие процентной наработки технической системы, особенности обеспечения ее увеличения за счет повышения надежности элементов и структурного резервирования элементов системы.

контрольная работа , добавлен 16.04.2010

Основные понятия теории надежности. Сохранение прочности крыла при возникновении в его обшивке усталостных трещин, размеры которых не превышают заданных значений. Причины возникновения и классификация отказов. Вероятность безотказной работы оборудования.

презентация , добавлен 30.04.2014

Структурная схема надежности технической системы. График изменения вероятности безотказной работы системы от времени наработки до уровня 0,1-0,2. 2. Определение Y-процентной наработки технической системы.

Понятие отказа. Классификация отказов

Под отказом понимают полную или частичную потерю изделием работоспособности вследствие ухода одного или нескольких параметров изделия за пределы установленных норм.

По своей физической природе отказ - событие случайное. Случайной величиной, описывающей отказ, является наработка до отказа.

Под наработкой в общем случае понимают продолжительность работы изделия, выраженную в часах, циклах переключения или других единицах исходя из вида и функционального назначения изделия. К примеру, для интегральной микросхемы наработка выражается в часах, для переключателя - в циклах переключения, для счетчика бета-излучения - в импульсах и т.д. При этом, в случае если изделие работает с перерывами, то в суммарную наработку включаются только периоды работы (функционирования) изделия.

Под наработкой до отказа понимают наработку изделия от момента вступления в работу (эксплуатацию) до возникновения первого отказа.

Сегодня существуют различные схемы классификации отказов. Одна из схем, широко используемая в теории и практике надежности РЭУ, представлена в табл.1.1.

Таблица 1.1

Классификация отказов РЭУ и их элементов

Внезапный отказ - это отказ, характеризующийся скачкообразным изменением значения одного или нескольких параметров изделия.

Под постепенным (параметрическим) понимают отказ, возникающий в результате постепенного (обычно непрерывного и монотонного) изменения значений одного или нескольких параметров изделия.

Четкой границы между внезапным и постепенным отказами провести не удается. В литературе дано следующее определение внезапного отказа: это отказ, наступление которого не должна быть предсказано предварительным контролем или диагностированием.

Сбой (временный отказ) - это самоустраняющийся отказ или однократный отказ, устраняемый незначительным вмешательством оператора.

Перемежающийся отказ - это многократно возникающий самоустраняющийся отказ одного и того же характера.

Под явным понимают отказ, обнаруживаемый визуально или штатными методами и средствами диагностирования при подготовке объекта к применению или в процессе его применения по назначению.

Под скрытым (неявным) отказом понимают отказ, не обнаруживаемый визуально или штатными средствами и методами контроля и диагностирования, но выявляемый при проведении технического обслуживания или специальными методами диагностирования.

Независимым называют отказ, не обусловленный другими отказами.

Зависимым называют отказ, обусловленный другими отказами.

Под конструктивным понимают отказ, возникший по причине, связанной с несовершенством или нарушением установленных правил и (или) норм проектирования.

Под производственным понимают отказ, связанный с несовершенством или нарушением установленного процесса изготовления или ремонта.

Подэксплуатационным понимают отказ, возникающий по причине, связанной с нарушением установленных правил или условий эксплуатации.

Под деградационным понимают отказ, обусловленный естественными процессами старения, изнашивания, коррозии и усталости при соблюдении всех установленных правил и норм проектирования, изготовления и эксплуатации.

Понятие отказа. Классификация отказов - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Понятие отказа. Классификация отказов" 2017, 2018.