ON DETERMINING FAILURE PROBABILITY OF DEVICES DURING OPERATION

К ВОПРОСУ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕРОЯТНОСТИ ОТКАЗОВ ПРИБОРОВ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Научная статья

Муралев А.А.¹*, Усанин С.Н.², Чурсин А.А.³

¹ORCID: 0000-0003-1674-7822;

^{1, 2, 3} Пермский военный институт войск национальной гвардии РФ, Пермь, Россия

* Корреспондирующий автор (muralev-a[at]mail.ru)

Аннотация

В статье рассматривается вопрос прогнозирования вероятности безотказной работы приборов на основе теоретических зависимостей. Проанализированы условия возникновения отказов приборов в идеальных и реальных условиях эксплуатации. На основании этого предложена методика прогнозирования оптимального момента времени для замены деталей в плановом порядке. Данная методика позволит обоснованно подготавливать предложения по определению наиболее целесообразной технологии профилактических и восстановительных работ в приборах.

Ключевые слова: техническое состояние, безотказная работа, период эксплуатации, прогнозирование, изнашивание, ресурс.

ON DETERMINING FAILURE PROBABILITY OF DEVICES DURING OPERATION

Research Article

Muralev A.A. ¹*, Usanin S.N.², Chursin A.A.³

¹ORCID: 0000-0003-1674-7822;

^{1, 2, 3}Perm Military Institute of the National Guard of the Russian Federation, Perm, Russia

*Corresponding author (muralev-a[at]mail.ru)

Abstract

The paper discusses the prediction of the probability of failure-free operation of devices based on theoretical dependencies. The conditions for the occurrence of device failures in ideal and real operating conditions are analyzed. Based on this, the author proposed the methodology for predicting the optimal time for the replacement of parts in a planned manner. This technique will allow one to reasonably prepare proposals for determining the most appropriate technology for preventive and rehabilitation work in devices.

Keywords: technical condition, uptime, operation period, forecasting, wear, resource.

Введение

Процесс эксплуатации всех типов приборов свидетельствует о том, что их уровень надежности в полной мере отвечает предъявляемым требованиям [1]. Опыт показывает, что как бы хорошо ни был спроектирован, изготовлен и тщательно испытан прибор, как бы правильно не была организована его эксплуатация, с течением времени его техническое состояние изменяется, постепенно утрачивая исправность, вследствие чего наступает отказ в работе.

Старение и износ элементов прибора является основной причиной в снижении надежности [2]. Старение деталей может привести к изменению физико-механических свойств материала, и как следствие появление отказов или поломок. Износ деталей ведет к изменению их размера, нарушению работоспособности (из-за ухудшения условий смазки, и т.д.), снижению прочности или поломкам и т.д. [3]. Очевидно, что при возникновении подобных событий происходит снижение надежности в функционировании определенного элемента и в последующем всего прибора в целом [4].

Для поддержания любой техники в исправном состоянии проводится ее техническое обслуживание, которое в свою очередь разделяется на плановое и неплановое [5].

Учитывая богатый опыт по эксплуатации можно утверждать, что внедрение оптимальной системы технического обслуживания является весьма сложной комплексной проблемой и обусловлено это многими объективными причинами. Одной из таких причин, затрудняющей плановую замену деталей, выработавших установленный ресурс (срок эксплуатации) является их разброс ресурса (наработка деталей до предельного состояния) [6, 7].

Основные результаты

Если учитывать то, что все детали изделия имеют один ресурс (срок эксплуатации), то проблем с заменой узлов и агрегатов не возникает. В таком случае актуально применение планового технического обслуживания. Рассмотрим возможные значения наработки до отказа у 10 приборов  (10 деталей).

Для идеальных условий момент возникновения отказов и вероятность распределения наработки всех деталей до отказа представлена на рисунке 1. К сожалению такой картины, на практике не наблюдается. Это обусловлено тем, что имеется разброс в качестве материала, имеются допуски на параметры деталей и на каждый технологический процесс ее изготовления, и существенные различия в условиях эксплуатации [8]. Поэтому скорость изнашивания (уменьшения ресурса) неодинакова.

Зависимость наработки деталей приборов от интенсивности работы показывает, что при выполнении идеальных условий эксплуатации прибора все его детали изнашиваются одновременно, и наоборот в реальных условиях эксплуатации детали (узлы, агрегаты) выходят из строя в разные периоды времени, что соответственно существенно влияет на проведение технического обслуживания или ремонта.

Очевидно, что осуществлять замену деталей через минимальный интервал времени невыгодно, т.к. большая часть из них еще может безотказно работать значительный промежуток времени. Назначать замену через максимальный интервал времени нецелесообразно, т.к. 90% деталей к этому времени уже выработают свой ресурс и откажут.

Таким образом, возникает проблема по определению оптимального интервала времени до профилактических замены деталей в плановом порядке, но при этом всегда будут возникать отказы деталей, которые должны будут устраняться внеплановом порядке. Соответственно более убедительной будет необходимость непланового технического обслуживания, если учесть, что в приборе много различных деталей и каждая из них имеет свой ресурс, несовпадающий с другими.

Вероятность безотказной работы – вероятность того, что в пределах заданной наработки t отказ не возникнет [9]. Практически вероятность безотказной работы (P(t_p)) можно определить по следующей формуле:

     (1)

где N₀ – количество приборов до начала испытаний (наблюдений);

t_p1, t_p2 – отрезок времени (наработки), в течении которого велись испытания (наблюдения);

 n (t_p1, t_p2) – количество приборов, отказавших за время t_p1, t_p2.

Вероятность безотказной работы уменьшается пропорционально увеличению времени работы (наработки) прибора, а вероятность отказа прибора возрастает при увеличении срока эксплуатации (наработки).

Но следует учитывать то, что по формуле (1) возможно определить только вероятность безотказной работы только за отрезок времени t_p1, t_p2 и невозможно определить за другой период времени и предсказать в будущем.

Прогнозирование вероятности безотказной работы можно осуществлять на основе теоретических зависимостей, когда известны законы распределения времени возникновения отказов, т.е. когда известны функции распределения времени для различных законов [10].

Для экспоненциального закона:

     (2) где х= const (берется из таблиц или определяется экспериментальным путем) Для нормального закона:      (3) где  – табличная функция Лапласа;      (4)

где  – параметры нормального закона.

Применяя формулы (2) и (3) возможно определить вероятность безотказной работы изделия для любого отрезка времени.

Вероятность отказов во времени для различных групп деталей приборов рассчитывается по формуле:

     (5)

где λ - интенсивность отказа деталей;

t – установленный период эксплуатации (до замены или капитального ремонта).

Таким образом, на основе вышеприведенного подхода к прогнозированию вероятности отказов технических систем, применительно к конструкциям сложных приборов предлагается методика определения вероятности отказов, состоящая из следующих этапов:

1. Определение износа прибора в рамках мероприятий технического диагностирования или контрольно-технических осмотров.
2. Прогнозирование вероятности отказа прибора с учетом априорной и апостериорной информации о процессе эксплуатации.
3. Определение вида технического состояния прибора.
4. Уточнение информации об интенсивности отказов однотипных конструкций прибора.
5. После установления вида технического состояния прибора принимается решение о проведении его дальнейшей эксплуатации или организации соответствующего вида ремонта.

Заключение

Учитывая вышесказанное для каждой группы деталей возможно установить оптимальный момент времени для замены деталей в плановом порядке. Кроме того, знание устройства прибора позволяет разработчику установить для каждой группы отказавших деталей виды работ, которые должны будут проводится в тот или иной момент времени. Подобрав наиболее целесообразную технологию профилактических и восстановительных работ и зная конкретные характеристики выходных и других контролируемых параметров, разработчик может определить (подобрать) соответствующий состав технологического оборудования, контрольно-юстировочных приборов, инструмента и приспособлений, с помощью которых можно с достаточной эффективностью выполнять планируемые работы.

Конфликт интересов Не указан

Conflict of Interest None declared

Список литературы / References

1. Харченко В. А. Проблемы надежности электронных компонентов // Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. – 2015. – Т. 18. – № 1. – С. 52–57.
2. Федотов А. В., Скабкин Н. Г. Основы теории надежности и технической диагностики: конспект лекций. – Омск: Изд. ОмГТУ, 2010. – 64 с.
3. Болотин В. В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. – М.: «Машиностроение», 1984. – 312 с.
4. Любченко А. А. Анализ процессов технического обслуживания элементов сложных технических систем // Известия Транссиба. – 2011. – №1 (5). – С. 88–94.
5. Муралев А.А., Поляков М.С. К вопросу управления эксплуатацией вооружения военной и специальной техники // Сборник научных трудов VI Всероссийской научно-практической конференции «Калашниковские чтения». – Ижевск, 2019. – С.346–350.
6. Артемов И.И. Моделирование изнашивания и прогнозирование ресурса трибосистем / И.И. Артемов, В.Я. Савицкий, С.А. Сорокин. – Пенза: Информ.–издат. центр Пензенского гос. ун-та, 2004. – 374 с.
7. Савицкий В.Я. Информационная технология прогнозирования ресурса сложных триботехнических систем на стадиях жизненного цикла / Надежность и качество: В кн. тр. междунар. симпоз. – Пенза: Информ.–издат. центр Пензенского гос. ун-та, 2002.
8. Ефремов Л.В. Оценка метрологической надежности приборов по результатам групповых испытаний // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. – 2012. – Т. 55. – № 6. – С. 20–23.
9. Гоцеридзе Р.М. Надежность приборов // Сборка в машиностроении, приборостроении. – 2017. – № 4. – С. 147–154.
10. Пушкарёв А.М., Вершинин А.А., Вольф И.Г. Оценка состояния канала ствола артиллерийского оружия // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. – 2018. – № 2. – С. 428–432.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Kharchenko V. A. Problemy nadezhnosti jelektronnyh komponentov [Problems of reliability of electronic components] // Izvestija vyshih uchebnyh zavedenij. Materialy elektronnoj tehniki [News of higher educational institutions. Materials of electron equipment]. – 2015. – T. 18. – No. 1. – P. 52–57. [in Russian]
2. Fedotov A. V., Skabkin N. G. Osnovy teorii nadezhnosti i tehnicheskoj diagnostiki [Fundamentals of the theory of reliability and technical diagnostics: lecture notes]. – Omsk: Publ. OmGTU, 2010. – 64 p. [in Russian]
3. Bolotin V. V. Prognozirovanie resursa mashin i konstrukcij [Forecasting the resource of machines and structures]. – M.: "Mechanical Engineering", 1984. – 312 p. [in Russian]
4. Lyubchenko A. A. Analiz processov tehnicheskogo obsluzhivanija jelementov slozhnyh tehnicheskih sistem [Analysis of maintenance processes for elements of complex technical systems] // Izvestija Transsiba [Bulletin of the Trans–Siberian Railway]. – 2011. – № 1 (5). – P. 88–94. [in Russian]
5. Muralev A. A., Polyakov M. S. K voprosu upravlenija jekspluataciej vooruzhenija voennoj i special'noj tehniki [On the issue of managing the operational armament of military and special equipment] // Sbornik nauchnyh trudov VI Vserossijskoj nauchno-prakticheskoj konferencii «Kalashnikovskie chtenija» [Collection of scientific papers of the VI All-Russian scientific-practical conference "Kalashnikov readings"]. – Izhevsk, 2019 . – P. 346–350. [in Russian]
6. Artemov I. I. Modelirovanie iznashivanija i prognozirovanie resursa tribosistem [Wear modeling and prediction of tribosystem life] / I.I. Artemov, V.Ya. Savitsky, S.A. Sorokin. – Penza: Inform.–Publ. Penza state center University, 2004. – 374 p. [in Russian]
7. Savitsky V. Ya. Informacionnaja tehnologija prognozirovanija resursa slozhnyh tribo-tehnicheskih sistem na stadijah zhiznennogo cikla [Information technology for predicting the resource of complex tribotechnical systems at the stages of the life cycle] / Nadezhnost' i kachestvo: V kn. tr. mezhdunarodnyj simpozium [Reliability and quality: In the book. tr Int. symposium] – Penza: Inform.-publ. Penza state center University, 2002. [in Russian]
8. Efremov L. V. Ocenka metrologicheskoj nadezhnosti priborov po rezul'tatam gruppovyh ispytanij [Assessment of metrological reliability of devices according to the results of group tests] // Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Priborostroenie [News of higher educational institutions. Instrument making]. – 2012. – T. 55. – № 6. – P. 20–23. [in Russian]
9. Gotseridze R. M. Nadezhnost' priborov [Reliability of devices] // Sborka v mashinostroenii, priborostroenii [Assembly in mechanical engineering, instrumentation]. – 2017. – № 4. – P. 147–154. [in Russian]
10. Pushkaryov A.M., Vershinin A.А., Wolf I.G. Ocenka sostojanija kanala stvola artillerijskogo oruzhia [Assessment of the state the barrel of an artillery weapon] // Izvestija Tulskogo gosudarstvenogo universiteta. Tehnicheskie nauki [Bulletin of Tula State University. Technical science]. – 2018. – № 2. – P. 428–432. [in Russian]