Анализ риска аварий металлургического предприятия. Надежность технических систем и техногенный риск

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.

Подобные документы

Причины техногенных аварий. Аварии на гидротехнических сооружениях, на транспорте. Краткая характеристика крупных аварий и катастроф. Спасательные и неотложные аварийно-восстановительные работы при ликвидации крупных аварий и катастроф.

реферат , добавлен 05.10.2006


Количественная оценка полного риска эксплуатации опасных производственных объектов с помощью математического ожидания ущерба. Формулы расчёта риска аварии, вероятности события, связанного с причинением вреда человеку и окружающей природной среде.

статья , добавлен 01.09.2013


Признаки, позволяющие отнести событие к чрезвычайной ситуации техногенного характера. Причины производственных аварий. Пожары, взрывы, угрозы взрывов. Аварии на коммунальных системах жизнеобеспечения, на очистных сооружениях. Внезапное обрушение зданий.

презентация , добавлен 09.03.2015


Классификация чрезвычайных ситуаций. Краткая характеристика аварий и катастроф, характерных для Республики Беларусь. Аварии на химически опасных, пожаро- и взрывоопасных объектах. Обзор стихийных бедствий. Возможные чрезвычайные ситуации для г. Минска.

реферат , добавлен 05.04.2015


История и виды аварий на гидродинамически опасных объектах, их причины и последствия. Затопление прибрежных территорий в результате разрушения гидротехнических сооружений (плотин и дамб). Меры по уменьшению последствий аварий на опасных объектах.

реферат , добавлен 30.12.2010


Основное понятие об авариях, примерный их перечень. Человеческий фактор как одна из причин аварий. Анализ аварий на шахте "Западная-Капитальная" (Ростовская обл., г. Новошахтинск), шахтах "Ак Булак комур", "Комсомольская", "Юбилейная", "Ульяновская".

реферат , добавлен 06.04.2010


Сущность техногенных аварий. Анализ количества чрезвычайных происшествий и аварий на коммунально-энергетических системах жизнеобеспечения в Республике Хакасия. Динамика аварий на коммунально-энергетических системах в городских муниципальных образованиях.

курсовая работа , добавлен 09.07.2011


Организационные основы осуществления мероприятий по предупреждению и ликвидации последствий аварий и катастроф природного и технического характера. Функционально-организационные структуры поисково-спасательной службы по делам гражданской обороны.

отчет по практике , добавлен 03.02.2013

Вначале рассмотрим методы идентификации опасностей, а затем детальный анализ и минимизирование идентифицирован­ной опасности с помощью логических методов, дерева событий, сетевых графиков и т.д.

Первый этап любого метода анализа безопасности системы ЧМС - идентификация всех опасностей. Учитывая большое число опасных факторов, процесс идентификации опасностей целесо­образно алгоритмизировать для выявления всех факторов опасно­сти и их дальнейшей оценки, исключая из рассмотрения практи­чески незначимые.

При анализе систему расчленяют на подсистемы и компоненты, которые затем исследуют шаг за шагом для выяснения способа, ведущего к отказу и к его возмож­ному эффекту. Следует оговориться, что под отказом системы в данном случае понимается любая неисправность, случай травма­тизма, аварийная или опасная ситуация и т.д.

При определении важности каждого возникающего отказа для существования системы необходимо установить вероятность и зна­чимость этого отказа. Таким образом когда оборудование или элемент выходит из строя, эффект, возникающий при этом, и устанавливает вероятность этого отказа; в основном данный метод является качественным методом ана­лиза и имеет дело с качественными признаками, по которым и проводится анализ, однако возможно использование количествен­ных данных для установки уровня надежности или уровня без­опасности системы или подсистемы.

Качественный и количественные методы анализа безопасности технических систем

Качественный анализ безопасности системы, как правило, пред­шествующий количественному, дает возможность быстро оценить безопасность системы ЧМС. Качественные методы анализа допус­кают использование полуколичественных оценок (больше, мень­ше), определенное ранжирование, например, по частоте встреча­ющихся событий (никогда, редко, часто) или по категориям ущер­ба от аварий

При качественном анализе, используя специальные формы, технические стандарты и утвержденные нормы безопасности, раз­рабатывают организационные мероприятия и необходимые инст­рукции.

Количественные методы анализа безопасности системы еще не­достаточно хорошо отработаны для практического использования и, как правило, высокоэффективны лишь при определении срав­нительных опасностей системы ЧМС. Это связано с необходимо­стью получения точных оценок состояния системы ЧМС, что не всегда возможно. Однако количественные методы позволяют оце­нивать безопасность системы ЧМС по характеристикам ее компонентов, допускают применение последовательных приближений и дают достаточно хорошие результаты в условиях неопределен­ности, особенно при использовании методов современных мате­матических дисциплин. Применение количественных методов анализа безопасно­сти системы требует в первую очередь выбора группы критериев или отдельного критерия, определенного как мера для сравнения количественных показателей исследуемой операции в отношении затрачиваемых усилий и получаемых результатов.

Средства снижение травмоопасности и вредного воздействия технических систем

Технологическое оборудование различные технические системы могут создавать для работников различные виды опасностей:

Опасными могут быть:

Вращающиеся, качающиеся различные движущиеся механизмы

Электрический ток,

которые при несоблюдении правил работы (безопасности) могут причинить негативное воздействие различной степени тяжести (проколы пальцев иглой, порез острым ножом при раскрое и т.д.). Для снижения негативного воздействия различных технических систем и оборудования применяется следующие типы защитных устройств на оборудовании:

1. Ограждение – создание препятствия против проникновения частей человеческого тела в опасную зону.

Ограждения бывают:

Глухими- закрывающие большую часть машины (т. е. корпус швейной машины представляет собой ограждение),

Откидными,

Раздвижными,

Открывающимися, в виде дверей, которые необходимы для технического обслуживания, либо проведения ремонта оборудования.

Основные требования к ограждениям:

Должны быть эффективны по защите работника от опасных воздействий,

Легко сниматься и надежно крепиться (с помощью ключа, защелки),

Соответствовать требованиям эстетики,

Допускать смазку и мелкий ремонт без снятия ограждения,

Не создавать шума или вибрации.

2.Блокировка позволяет отключить оборудование при возникновении опасности. Например, при открывании ограждения, блокировочные устройства отключают питание от сети (электрическая блокировка). Кроме того, используются: механическая, световая оптическая блокировки.

3.Ограничители: значений температуры; давления, тока, механические ограничители.

4.Предохранители (например, электропредохранители, механические –шпонка, штифт).

5. Сигнализация – сигнализируют об опасности систем.

6. Тормозные устройства – замедляют или приводят к остановке опасных органов оборудования или машин.

Безопасность функционирования автоматизированных и роботизированных производств

По мере ускорения темпов развития научно-технического прогресса, усложнения технологических процессов и технических средств проблемы обеспечения безопасности производственных процессов ста­новятся все более актуальными и труднореализуемыми на практике. Эти проблемы сегодня относятся к числу наиболее серьезных комплексных проблем современности. Убедительным доказательством этого служат многочисленные факты производственного травматизма на зарубежных предприятиях, широко использующих робототехнику. Так, в результате обследования роботизированных участков на шести английских фирмах, проведенного Научным центром роботизации и автоматизированных систем (Великобритания), было установлено, что 23,4% опасных и кри­тических ситуаций возникают в результате ненадежной работы отдель­ных узлоз и систем робота. Анализ ситуаций, формирующих несчастные случаи на роботизированных предприятиях Германии, показывает, что персонал, обслуживающий ПР, попадает в опасные или критические си­туации не реже одного раза з три дня, а одному несчастному ату чаю предшествуют з среднем от 40 до 50 таких ситуаций.

Основными видами травм являются травмы пальцев (33%), рук (19%), головы (16%), спины (11%), плеч (6%), ног (6%), шеи (3%), челюстные (3%), перелом ребер (3%). Наибольшую опасность представляют травмы головы. которые, как правило, требуют более длительного лечения.

Установлено, что наиболее травмоопасной ситуацией является пря­мой контакт человек-машина, когда человек выполняет такие операции, как перепрограммирование, наладку, ремонт, установку, снятие инстру­мента, монтаж, смазку или чистку. Наибольшему риску быть травмиро­ванными с этой точки зрения подвергаются следующие профессии, тре­бующие прямого контакта с роботом: слесари-монтажники, сборщики, электротехники, наладчики, бригадиры.

Операторы, обслуживающие робототехнические комплексы, значи­тельно реже подвергаются риску быть травмирозанными по сравнению с этими видами профессий.

Основными причинами, формирующими опасные, критические и аварийные ситуации при эксплуатации ПР, РТК, ГПС, по ГОСТ 12.2.072-82* «ССБТ. Роботы промышленные, роботизированные техно­логические комплексы и участки. Общие требования безопасности» яв­ляются.

Систематизация видов отказа осуществляется по признакам существенным для технического обслуживания, ремонта и диагностирования (таблица 1.2).

Таблица 1.2

Систематизация видов отказа

Отказ относится к конструктивным, производственным (технологическим) или эксплуатационным для установления, на какой стадии создания или существования изделия следует провести мероприятия для устранения причин отказа.

Причиной конструктивного отказа является несовершенство или нарушение установленных правил и (или) норм проектирования и конструирования.

Производственный отказ возникает в результате несовершенства или нарушения установленного процесса изготовления или ремонта изделия, выполнявшегося на ремонтном предприятии.

Возникновение эксплуатационного отказа является результатом нарушения установленных правил и (или) условий эксплуатации изделия.

Деградационный отказ обусловливается естественными процессами старения, изнашивания, коррозии и усталости при соблюдении всех установленных правил и (или) норм проектирования, изготовления и эксплуатации.

Отказ проявляется признаком или совокупностью признаков нарушения работоспособного состояния, которые устанавливаются в технической документации и называются критерием отказа.

Функциональный отказ проявляется прекращением выполнения изделием заданных функций (невыполнением алгоритма функционирования), ошибками при обработке, хранении и передаче информации цифровым устройством.

Разновидностями функционального отказа являются короткое замыкание электротехнического или электронного изделия, логический отказ цифрового устройства.

Коротким замыканием называется недопустимое возрастание токов в ветвях электрической цепи, вызванное соединением различных точек цепи, не предусмотренным нормальным режимом работы.

Логический отказ проявляется недопустимой комбинацией уровней цифрового двузначного сигнала. При логическом константном отказе уровень цифрового двузначного сигнала всегда имеет значение логического нуля (константа 0) или значение логической единицы (константа 1).

Параметрический отказ проявляется недопустимым снижением качества функционирования (производительности, мощности, точности, чувствительности и других параметров).

Явный отказ и скрытый отказ соответственно обнаруживаются и не обнаруживаются визуально или штатными методами и средствами контроля технического состояния при подготовке изделия к применению или в процессе его применения по назначению.

Скрытый отказ выявляется при проведении технического обслуживания или специальными методами диагностирования.

Самоустраняющийся отказ или однократный отказ, устраняемый незначительным вмешательством человека, называется сбоем. Многократно возникающий самоустраняющийся отказ одного и того же характера называется перемежающимся.

Характерным примером сбоя является остановка выполнения программы компьютером, устраняемая перезагрузкой программы.

Понятия “одиночный отказ”, “кратный отказ”, “независимый отказ”, “зависимый отказ” обычно относятся к составным частям изделия.

Отказ одной составной части и нескольких составных частей изделия называются одиночным и кратным отказом изделия соответственно.

Независимый отказ составной части не обусловливается, а зависимый отказ составной части обусловливается отказом другой составной части изделия.

Возникновение зависимого отказа означает, что в изделии отказали по меньшей мере две составные части и отказ является кратным.

Примером зависимого отказ является отказ вторичного источника электропитания, не защищенного от перегрузки, при коротком замыкании.

Постепенный отказ возникает в результате постепенного изменения значений одного или нескольких параметров изделия. Непрерывное и монотонное изменение измеряемого параметра, характеризующего способность изделия выполнять заданные функции, позволяет предсказывать наступление отказа.

Внезапный отказ проявляется скачкообразным изменением значений одного или нескольких параметров изделия. Наступление внезапного отказа не может быть предсказано измерением параметров, значения которых изменяются только в момент наступления отказа.

Возникновение отказа приводит к явлениям, процессам, событиям и состояниям, называемым последствиями отказа. Совокупность признаков, характеризующих последствия отказа, называется критичностью отказа.

Классификация отказов по последствиям необходима при нормировании надежности (в частности, для обоснования выбора номенклатуры и численных значений нормируемых показателей надежности), установлении гарантийных обязательств.

Для классификации отказов по последствиям необходим анализ критериев, причин и последствий отказов, а также построение логической и функциональной связи между отказами.

Признаками для классификации отказов по их последствиям могут служить, например, прямые и косвенные потери, вызванные отказами, затраты на устранение последствий отказов, возможность и целесообразность ремонта силами потребителя или необходимость ремонта изготовителем или третьей стороной, продолжительность простоев из-за возникновения отказов.

Последствием ресурсного отказа является достижение изделием предельного состояния.

Отказ относится к критическим, если тяжесть его последствий (ущерба от отказа) признается недопустимой и требуется принятие специальных мер по снижению вероятности данного отказа и (или) возможного ущерба, связанного с его возникновением.

Несоответствие изделия установленным требованиям при контроле качества на стадии изготовления, а также при контроле качества отремонтированного изделия называется дефектом.

Изделие, не содержащее дефектов, препятствующих его приемке, называется годным и является исправным. Неисправное изделие может иметь дефекты.

Термин “неисправность”, в отличие от термина “дефект”, распространяется не на всякое изделие. Например, не называют неисправностью недопустимые отклонения показателей качества материалов.

Отказ может возникнуть в результате наличия в изделии дефектов, но появление дефектов не всегда означает, что возник отказ.

Опасность технических систем. Отказ, вероятность отказа.

Определение опасности

Опасность - центральное понятие как сферы безопасности жизнедеяте­льности в техносфере, так и промышленной безопасности. Под опасностью понимаются явления, процессы, объекты, способные в определенных усло­виях наносить вред здоровью человека, ущерб окружающей природной сре­де и социально-экономической инфраструктуре, т. е. вызывать нежелатель­ные последствия непосредственно или косвенно. Другими словами, опасность - следствие действия некоторых негативных (вредных и опас­ных) факторов на определенный объект (предмет) воздействия. При несоот­ветствии характеристик воздействующих факторов характеристикам объ­екта (предмета) воздействия и появляется феномен опасности (например, ударная волна, аномальная температура, недостаток кислорода в воздухе, токсичные примеси в воздухе и т. п.).

Опасность - свойство, внутренне присущее сложной технической сис­теме. Она может реализоваться в виде прямого или косвенного ущерба для объекта (предмета) воздействия постепенно или внезапно и резко - в ре­зультате отказа системы. Скрытая (потенциальная) опасность для человека реализуется в форме травм, которые происходят при несчастных случаях, авариях, пожарах и пр., для технических систем - в форме разрушений, по­тери управляемости и т. д., для экологических систем - в виде загрязнений, утрате видового разнообразия и др.

Определяющие признаки - возможность непосредственного отрицате­льного воздействия на объект (предмет) воздействия; возможность наруше­ния нормального состояния элементов производственного процесса, в резу­льтате которого могут возникнуть аварии, взрывы, пожары, травмы. Наличие хотя бы одного из указанных признаков является достаточным для отнесения факторов к разделу опасных или вредных.

Количество признаков, характеризующих опасность, может быть увели­чено или уменьшено в зависимости от целей анализа.

Анализ реальных аварийных ситуаций, событий и факторов и человече­ская практика уже сегодня позволяют сформулировать ряд аксиом об опас­ности технических систем:

Аксиома 1. Любая техническая система потенциально опасна. Потенциа­льность опасности заключается вскрытом, неявном характере и проявляет­ся при определенных условиях. Ни один вид технической системы при ее функционировании не обеспечивает абсолютной безопасности.

Аксиома 2. Техногенные опасности существуют, если повседневные пото­ки вещества, энергии и информации в техносфере превышают пороговые значе­ния. Пороговые, или предельно допустимые, значения опасностей устанав­ливаются из условия сохранения функциональной и структурной целостности человека и природной среды. Соблюдение предельно допусти­мых значений потоков создает безопасные условия жизнедеятельности че­ловека в жизненном пространстве и исключает негативное влияние техно­сферы на природную среду.

Аксиома 3. Источниками техногенных опасностей являются элементы техносферы. Опасности возникают при наличии дефектов и иных неисправ­ностей в технических системах, при неправильном использовании техниче­ских систем. Технические неисправности и нарушения режимов использо­вания технических систем приводят, как правило, к возникновению травмоопасных ситуаций, а выделение отходов (выбросы в атмосферу, сто­ки в гидросферу, поступление твердых веществ на земную поверхность, энергетические излучения и поля) сопровождается формированием вред­ных воздействий на человека, природную среду и элементы техносферы.

Аксиома 4. Техногенные опасности действуют в пространстве и во време­ни. Травмоопасные воздействия действуют, как правило, кратковременно и спонтанно в ограниченном пространстве. Они возникают при авариях и катастрофах, при взрывах и внезапных разрушениях зданий и сооруже­ний. Зоны влияния таких негативных воздействий, как правило, ограниче­ны, хотя возможно распространение их влияния и на значительные терри­тории, например, при аварии на ЧАЭС.

Для вредных воздействий характерно длительное или периодическое не­гативное влияние на человека, природную среду и элементы техносферы. Пространственные зоны вредных воздействий изменяются в широких пре­делах от рабочих и бытовых зон до размеров всего земного пространства. К последним относятся воздействия выбросов парниковых и озоноразруша- ющих газов, поступление радиоактивных веществ в атмосферу и т. п.

Аксиома 5. Техногенные опасности оказывают негативное воздействие на человека, природную среду и элементы техносферы одновременно. Человек и окружающая его техносфера, находясь в непрерывном материальном, энергетическом и информационном обмене, образуют постоянно действую­щую пространственную систему «человек - техносфера». Одновременно существует и система «техносфера - природная среда». Техногенные опас­ности не действуют избирательно, они негативно воздействуют на все со­ставляющие вышеупомянутых систем одновременно, если последние ока­зываются в зоне влияния опасностей.

Аксиома 6. Техногенные опасности ухудшают здоровье людей, приводят к травмам, материальным потерям и к деградации природной среды.

1.2 Определение надёжности. Отказ, вероятность отказа.

Работа любой технической системы может характеризоваться ее эффек­тивностью, под которой понимается совокупность свойств, определяющих способность системы успешно выполнять определенные за­дачи.

В соответствии с ГОСТ 27.002-89 под надежностью понимают свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех па­раметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортировки.

Надежность в общем случае - комплексное свойство, включающее та­кие понятия, как безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохра­няемость. Для конкретных объектов и условий их эксплуатации эти свойст­ва могут иметь различную относительную значимость.

Безотказность - свойство объекта непрерывно сохранять работоспособ­ность в течение некоторой наработки или в течение некоторого времени.

Отказ объекта - событие, заключающееся в том, что объект полностью или частично перестает выполнять заданные функции. При полной потере работоспособности возникает полный отказ, при частичной - частичный. Понятия полного и частичного отказов каждый раз должны быть четко сформулированы перед анализом надежности, поскольку от этого зависит количественная оценка надежности.

Причины возникновения отказов происходят из-за:

Конструктивных дефектов;

Технологических дефектов;

Эксплуатационных дефектов;

Постепенного старения (износа).

Наработка до отказа - вероятность того, что в пределах заданной нара­ботки отказ объекта не возникнет (при условии работоспособности в нача­льный момент времени).

Для режимов хранения и транспортировки может применяться анало­гично определяемый термин «вероятность возникновения отказа».

Средняя наработка до отказа - математическое ожидание случайной наработки объекта до первого отказа.

Средняя наработка между отказами - математическое ожидание слу­чайной наработки объекта между отказами.

Обычно этот показатель относится к установившемуся процессу эксплу­атации. В принципе средняя наработка между отказами объектов, состоя­щих из стареющих во времени элементов, зависит от номера предыдущего отказа. Однако с ростом номера отказа (т.е. с увеличением длительности эксплуатации) эта величина стремится к некоторой постоянной, или, как говорят, к своему стационарному значению.

Средняя наработка на отказ - отношение наработки восстанавливае­мого объекта за некоторый период времени к математическому ожиданию числа отказов в течение этой наработки.

Этим термином можно назвать кратко среднюю наработку до отказа и среднюю наработку между отказами, когда оба показателя совпадают.

Интенсивность отказов - условная плотность вероятности отказа невосстанавливаемого объекта, определяемая для рассматриваемого момен­та времени при условии, что до этого момента отказ не возник.

Параметр потока отказов - плотность вероятности возникновения отказа восстанавливаемого объекта, определяемая для рассматриваемого момента времени.

Параметр потока отказа может быть определен как отношение числа отказов объекта за определенный интервал времени к длительности этого интервала при ординарном потоке отказов.

Вероятностью безотказной работы Р(t) называется вероятность того, что при определённых условиях эксплуатации в заданном интервале времени или в пределах заданной наработки не произойдёт ни одного отказа:

Так как безотказная работа и отказ являются событиями несовместными и противоположными, то между ними справедливо следующее соотношение:

Так как Q (t) есть закон распределения случайной величины (отказов), то зависимость между возможными значениями непрерывной случайной вели­чины Т и вероятностями попадания в их окрестность называется её плотностью вероятности.

Частота отказов a(t) есть плотность вероятности времени работы изделия до первого отказа:

Интенсивностью отказов называется отношение числа отказавших изде­лий в единицу времени к среднему числу изделий, исправно работающих в данный отрезок времени. Вероятностная оценка этой характеристики находится из выражения:

Средней наработкой до первого отказа называется математическое ожидание М[t] времени работы изделия до отказа. Как математическое ожидание, Т ср вычисляется через частоту отказов (плотность распределения времени безотказной работы):

так как t > 0 и P(0) = 1, а P(∞) = 0, то

Зная один из показателей надёжности и закон распределения отказов, можно вычислить остальные характеристики надёжности с учётом следую­щих формул:

Опыт взаимодействия человека с техническими системами позволяет идентифицировать травмиру­ющие и вредные факторы, а также выработать ме­тоды оценки вероятности появления опасных ситуа­ций. Прежде всего, это накопление статистических данных об аварийности и травматизме (табл. 1), различные способы преобразования и обработки ста­тистических данных, повышающие их информатив­ность. Недостатком этого метода является его ог­раниченность, невозможность экспериментирования и неприменимость к оценке опасности новых тех­нических средств и технологий.

Значительное развитие и практическое примене­ние получила теория надежности. Надежность это свойство объекта сохранять во времени в уста­новленных пределах значения всех параметров, по­зволяющих выполнять требуемые функции. Для ко­личественной оценки надежности применяют веро­ятностные величины.

Таблица 1

Ши­рокое распространение получила диаграмма ветвя­щейся структуры, называемая «дерево событий». Рассмотрим процедуру построения дерева, его качественный и количественный анализ на приме­ре.

Будем считать, что для гибели человека от элек­трического тока необходимо и достаточно включе­ние его тела в цепь, обеспечивающую прохождение смертельного тока. Следовательно, чтобы произо­шел несчастный случай (событие А), необходимо од­новременное выполнение по крайней мере трех ус­ловий: наличие потенциала высокого напряжения на металлическом корпусе электроустановки (собы­тие Б), появление человека на заземленном прово­дящем основании (событие В), касание человека корпуса электроустановки (событие Г).

В свою очередь событие Б может быть следстви­ем любого из событий - предпосылок Д и Е, на­пример, нарушение изоляции или смещение неизо­лированного контакта и касание им корпуса. Собы­тие В может появиться как результат предпосылок Ж и З, когда человек становится на заземленное проводящее основание или касается телом зазем­ленных элементов помещения. Событие Г может явиться одной из трех предпосылок И, К и Л - ремонт, техобслуживание или работа установки.

Анализ дерева событий состоит в выявлении ус­ловий, минимально необходимых и достаточных для возникновения или невозникновения головного со­бытия. Модель может давать несколько минималь­ных сочетаний исходных событий, приводящих в совокупности к данному происшествию. В данном примере имеются двенадцать минимальных аварий­ных сочетаний: ДЖИ, ДЖК, ДЖЛ, ДЗИ, ДЗК, ДЗЛ, ЕЖИ, ЕЖК, ЕЖЛ,ЕЗИ, ЕЗК, ЕЗЛ и три минималь­ных секущих сочетания, исключающих возможность появления происшествия при одновременном отсут­ствии образующих их событий: ДЕ, ЖЗ, ИКЛ.

Аналитическое выражение условий появления исследуемого происшествия имеет вид А = (Д + Е) (Ж + 3)(И + К + Л). Подставив вместо буквенных символов вероятности соответствующих предпосы­лок, можно получить оценку риска гибели челове­ка от электрического тока в конкретных условиях.

Например, при равных вероятностях Р(Д) = Р(Е) = = ...Р(Л) = 0,1 вероятность гибели человека от элек­трического тока в рассматриваемом случае

Р(А)=(ОД+0,1)(0,1+ОД)(0,1+о,1+ОД)=0,012.

Таким образом, может быть рассчитана вероятность несчастного случая или аварии на производстве.

Анализ причин появления опасности для человека при его взаимодействии с техническими системами позволяет выделить причины - организационные и технические. Для устранения организационных причин совершенствуется технологический процесс, уточняются процедуры подготовки и контроля операторов. При этом техническая система рассматривается как замкнутая система, взаимодействующая с окружающей средой. В этом случае под окружающей средой понимается комплекс условий на каждом этапе жизненного цикла системы. В комплекс условий включаются все возможные факторы, воздействующие на систему, в том числе профессионализм конструкторов, технологические факторы производственного процесса изготовления, режимы эксплуатации (электрические, тепловые и др.). Объективной закономерностью является то, что при переходе от этапа к этапу в жизненном цикле технической системы количество воздействующих на систему факторов возрастает, увеличивается в связи с этим и степень жесткости влияния. Это ведет к уменьшению надежности и увеличению опасности в цепочке «человек - техническая система - окружающая среда», что делает задачу обеспечения безопасности технических систем чрезвычайно сложной.

На практике необходимый уровень безопасности технических средств и технологических процессов устанавливается системой государственных стандартов безопасности труда (ССБТ) с помощью соответствующих показателей. Стандарты формируют общие требования безопасности, а также требования безопасности к различным группам оборудования, производственных процессов, требования к средствам обеспечения безопасности труда.

Нормативные показатели безопасности во всех сферах труда разрабатываются в соответствии с санитарными нормами и вводятся посредством соответствующих государственных стандартов (ГОСТ). Так, например, внедрение новой техники увеличило интенсивность шума и вибрации и расширило диапазон частот в ультра и инфразвуковых частях спектра колебаний. Это вызвало необходимость разработки и включения в ГОСТ нормативов допустимых уровней ультра и инфразвука на производстве.

Соответствующие нормативы, гарантирующие безопасное взаимодействие человека с техническими системами и технологическими процессами, установлены для электромагнитных полей, электрического напряжения и тока, излучений оптического диапазона, ионизирующих излучений, химических, биологических и психофизических опасных и вредных факторов. При разработке технических средств и технологий применяются все возможные меры для снижения опасных и вредных факторов ниже предельно допустимого уровня. Для каждого технического средства разрабатываются правила эксплуатации, гарантирующие безопасность при их выполнении. Для каждой технологической операции также разрабатываются правила техники безопасности.
2 Качественный и количественный анализ опасностей

Качественный анализ опасностей

Качественные методы анализа опасностей включают:

Предварительный анализ опасностей;

Анализ последствий отказов;

Анализ опасностей с помощью "дерева причин";

Анализ опасностей методом потенциальных отклонений;

Анализ ошибок персонала;

Причинно-следственный анализ.

В результате анализа аварийной (потенциальной) опасности могут быть определены следующие показатели:

Индивидуальный риск;

Социальный риск;

Структура поражённых по степени тяжести;

Вид поражений;

Материальный ущерб и др.

Наиболее распространённым методом анализа безопасности является метод построения "деревьев отказов (ошибок)". В терминологии теории построения и анализа "деревьев отказов " выход из строя определённых элементов, например, нарушение герметичности резервуара со сжиженным углеводородным газом с последующим образованием облака топливовоздушной смеси и его взрывом, классифицируется как внешнее нежелательное событие (ВНС).

В строящихся деревьях, как правило, имеются ветви опасностей. Многоэтажный процесс ветвления "дерева" требует введения ограничений с целью определения его пределов. Логические операции принято обозначать соответствующими символами (см.табл.2).

Таблица 2 - Символы событий

Построение "дерева причин", "дерева отказов" является эффективной процедурой выявлении причин различных нежелательных событий (аварий, травм, пожаров, дорожно-транспортных происшествий) и экспертизой безопасности оборудования и процессов.

Рисунок 2

А - отказ средств борьбы со взрывом; Б - образование облака ТВС; В - разгерметизация каждой ёмкости; Г - инициация взрыва; Д- факел, печь; Е - автотранспорт; З - электродвигатель; Ж - огневые работы; И - удар предмета; К - разрушение резервуара; Л - разрушение трубопровода; М -разгерметизация арматуры; Н - температура; О - скорость ветра; П - состояние атмосферы.

Целевое назначение и классификация методов расчета

Расчеты надежности - расчеты, предназначенные для определения количественных показателей надежности. Они проводятся на различных этапах разработки, создания и эксплуатации объектов.

На этапе проектирования расчет надежности производится с целью прогнозирования (предсказания) ожидаемой надежности проектируемой системы. Такое прогнозирование необходимо для обоснования предполагаемого проекта, а также для решения организационно-технических вопросов:
- выбора оптимального варианта структуры;
- способа резервирования;
- глубины и методов контроля;
- количества запасных элементов;
- периодичности профилактики.

На этапе испытаний и эксплуатации расчеты надежности проводятся для оценки количественных показателей надежности. Такие расчеты носят, как правило, характер констатации. Результаты расчетов в этом случае показывают, какой надежностью обладали объекты, прошедшие испытания или используемые в некоторых условиях эксплуатации. На основании этих расчетов разрабатываются меры по повышению надежности, определяются слабые места объекта, даются оценки его надежности и влияния на нее отдельных факторов.

Многочисленные цели расчетов привели к большому их разнообразию. На рис. 4.5.1 изображены основные виды расчетов.

Элементный расчет - определение показателей надежности объекта, обусловленных надежностью его комплектующих частей (элементов). В результате такого расчета оценивается техническое состояние объекта (вероятность того, что объект будет находиться в работоспособном состоянии, средняя наработка на отказ и т.п.).

Рис. 4.5.1. Классификация расчетов надежности

Расчет функциональной надежности - определение показателей надежности выполнения заданных функций (например, вероятность того, что система очистки газа будет работать заданное время, в заданных режимах эксплуатации с сохранением всех необходимых параметров по показателям очистки). Поскольку такие показатели зависят от ряда действующих факторов, то, как правило, расчет функциональной надежности более сложен, чем элементный расчет.

Выбирая на рис 4.5.1 варианты перемещений по пути, указанному стрелками, каждый раз получаем новый вид (случай) расчета.

Самый простой расчет - расчет, характеристики которого представлены на рис. 4.5.1 слева: элементный расчет аппаратурной надежности простых изделий, нерезервированных, без учета восстановлений работоспособности при условии, что время работы до отказа подчинено экспоненциальному распределению.

Самый сложный расчет - расчет, характеристики которого представлены на рис. 4.5.1 справа: функциональной надежности сложных резервированных систем с учетом восстановления их работоспособности и различных законов распределения времени работы и времени восстановления.
Выбор того или иного вида расчета надежности определяется заданием на расчет надежности. На основании задания и последующего изучения работы устройства (по его техническому описанию) составляется алгоритм расчета надежности, т.е. последовательность этапов расчета и расчетные формулы.

Последовательность расчета систем

Последовательность расчета системы представлена на рис. 4.5.2. Рассмотрим основные ее этапы.

Рис. 4.5.2. Алгоритм расчета надежности

Прежде всего четко следует сформулировать задание на расчет надежности. В нем должны быть указаны: 1) назначение системы ее состав и основные сведения о функционировании; 2) показатели надежности и признаки отказов, целевое назначение расчетов; 3) условия, в которых работает (или будет работать) система; 4) требования к точности и достоверности расчетов, к полноте учета действующих факторов.
На основании изучения задания делается вывод о характере предстоящих расчетов. В случае расчета функциональной надежности осуществляется переход к этапам 4-5-7, в случае расчета элементов (аппаратурной надежности) - к этапам 3-6-7.

Под структурной схемой надежности понимается наглядное представление (графическое или в виде логических выражений) условий, при которых работает или не работает исследуемый объект (система, устройство, технический комплекс и т.д.). Типовые структурные схемы представлены на рис. 4.5.3.

Рис. 4.5.3. Типовые структуры расчета надежности

Простейшей формой структурной схемы надежности является параллельно-последовательная структура. На ней параллельно соединяются элементы, совместный отказ которых приводит к отказу
В последовательную цепочку соединяются такие элементы, отказ любого из которых приводит к отказу объекта.

На рис. 4.5.3,а представлен вариант параллельно-последовательной структуры. По этой структуре можно сделать следующее заключение. Объект состоит из пяти частей. Отказ объекта наступает тогда, когда откажет или элемент 5, или узел, состоящий из элементов 1-4. Узел может отказать тогда, когда одновременно откажет цепочка, состоящая из элементов 3,4 и узел, состоящий из элементов 1,2. Цепь 3-4 отказывает, если откажет хотя бы один из составляющих ее элементов, а узел 1,2 - если откажут оба элемента, т.е. элементы 1,2. Расчет надежности при наличии таких структур отличается наибольшей простотой и наглядностью. Однако не всегда удается условие работоспособности представить в виде простой параллельно-последовательной структуры. В таких случаях используют или логические функции, или графы и ветвящиеся структуры, по которым оставляются системы уравнений работоспособности.

На основе структурной схемы надежности составляется набор расчетных формул. Для типовых случаев расчета используются формулы, приведенные в справочниках по расчетам надежности, стандартах и методических указаниях. Прежде чем применять эти формулы, необходимо предварительно внимательно изучить их существо и области использования.

Расчет надежности, основанный на использовании параллельно-последовательных структур

Пусть некоторая техническая система D составлена из n элементов (узлов). Допустим, надежности элементов нам известны. Возникает вопрос об определении надежности системы. Она зависит от того, каким образом элементы объединены в систему, какова функция каждого из них и в какой мере исправная работа каждого элемента необходима для работы системы в целом.

Параллельно-последовательная структура надежности сложного изделия дает представление о связи между надежностью изделия и надежностью его элементов. Расчет надежности ведется последовательно - начиная от расчета элементарных узлов структуры к ее все более сложным узлам. Например, в структуре рис. 5.3,а узел, состоящий из элементов 1-2 - элементарный узел, состоящий из элементов 1-2-3-4, сложный. Эта структура может быть сведена к эквивалентной, состоящей из элементов 1-2-3-4 и элемента 5, соединенных последовательно. Расчет надежности в данном случае сводится к расчету отдельных участков схемы, состоящих из параллельно и последовательно соединенных элементов.

Система с последовательным соединением элементов

Самым простым случаем в расчетном смысле является последовательное соединение элементов системы. В такой системе отказ любого элемента равносилен отказу системы в целом. По аналогии с цепочкой последовательно соединенных проводников, обрыв каждого из которых равносилен размыканию всей цепи, мы и называем такое соединение "последовательным" (рис. 4.5.4). Следует пояснить, что "последовательным" такое соединение элементов является только в смысле надежности, физически они могут быть соединены как угодно.

Рис. 4.5.4. Блок-схема системы с последовательным соединением элементов

С позиции надежности, такое соединение означает, что отказ устройства, состоящего из этих элементов, происходит при отказе элемента 1 или элемента 2, или элемента 3, или элемента n. Условие работоспособности можно сформулировать следующим образом: устройство работоспособно, если работоспособен элемент 1 и элемент 2, и элемент 3, и элемент n.

Выразим надежность данной системы через надежности ее элементов. Пусть имеется некоторый промежуток времени (0,t ), в течение которого требуется обеспечить безотказную работу системы. Тогда, если надежность системы характеризуется законом надежности Р(t), нам важно знать значение этой надежности при t=t , т.е. Р(t ). Это не функция, а определенное число; отбросим аргумент t и обозначим надежность системы просто Р. Аналогично обозначим надежности отдельных элементов P 1 , P 2 , P 3 , ..., P n .

Для безотказной работы простой системы в течение времени t нужно, чтобы безотказно работал каждый из ее элементов. Обозначим S - событие, состоящее в безотказной работе системы за время t ; s 1 , s 2 , s 3 , ..., s n - события, состоящие в безотказной работе соответствующих элементов. Событие S есть произведение (совмещение) событий s 1 , s 2 , s 3 , ..., s n:
S = s 1 × s 2 × s 3 × ... × s n .

Предположим, что элементы s 1 , s 2 , s 3 , ..., s n отказывают независимо друг от друга (или, как говорят применительно к надежности, "независимы по отказам", а совсем кратко "независимы"). Тогда по правилу умножения вероятностей для независимых событий Р(S)=P(s 1)× P(s 2)× P(s 3)× ...× P(s n) или в других обозначениях,
Р = Р 1 × Р 2 × Р 3 × ... × Р n .,(4.5.1)
а корочеP = ,(4.5.2)
т.е. надежность (вероятность работоспособного состояния) простой системы, составленной из независимых по отказам, последовательно соединенных элементов, равна произведению надежностей ее элементов.

В частном случае, когда все элементы обладают одинаковой надежностью P 1 =P 2 =P 3 = ... =P n , выражение (4.5.2) принимает вид
Р = P n .(4.5.3)

Пример 4.5.1. Система состоит из 10 независимых элементов, надежность каждого из которых равна Р=0,95. Определить надежность системы.

По формуле (4.5.3) Р = 0,95 10 » 0,6.

Из примера видно, как резко падает надежность системы при увеличении в ней числа элементов. Если число элементов n велико, то для обеспечения хотя бы приемлемой надежности Р системы каждый элемент должен обладать очень высокой надежностью.

Поставим вопрос: какой надежностью Р должен обладать отдельный элемент для того, чтобы система, составленная из n таких элементов, обладала заданной надежностью Р?

Из формулы (4.5.3) получим:
Р = .

Пример 4.5.2. Простая система состоит из 1000 одинаково надежных, независимых элементов. Какой надежностью должен обладать каждый из них для того, чтобы надежность системы была не меньше 0,9?
По формуле (4.5.4) Р = ; lgР = lg0,9 1/1000 ; Р » 0,9999.

Интенсивность отказов системы при экспоненциальном законе распределения времени до отказа легко определить из выражения
l с = l 1 + l 2 + l 3 + ... + l n ,(4.5.4)
т.е. как сумму интенсивностей отказов независимых элементов. Это и естественно, так как для системы, в которой элементы соединены последовательно, отказ элемента равносилен отказу системы, значит все потоки отказов отдельных элементов складываются в один поток отказов системы с интенсивностью, равной сумме интенсивностей отдельных потоков.

Формула (4.5.4) получается из выражения
Р = P 1 P 2 P 3 ... P n = ехр{-(l 1 + l 2 + l 3 + ... + l n )}.(4.5.5)
Среднее время работы до отказа
Т 0 = 1/ l с .(4.5.6)

Пример 4.5.3. Простая система S состоит из трех независимых элементов, плотности распределения времени безотказной работы которых заданы формулами:

при 0 < t < 1 (рис. 4.5.5).

Рис. 4.5.5. Плотности распределения времени безотказной работы

Найти интенсивность отказов системы.
Решение. Определяем ненадежность каждого элемента:
при 0 < t < 1.

Отсюда надежности элементов:
при 0 < t < 1.

Интенсивности отказов элементов (условная плотность вероятности отказов) - отношение f(t) к р(t):
при 0 < t < 1.
Складывая, имеем: l с = l 1 (t) + l 2 (t) + l 3 (t).

Пример 4.5.4. Предположим, что для работы системы с последовательным соединением элементов при полной нагрузке необходимы два разнотипных насоса, причем насосы имеют постоянные интенсивности отказов, равные соответственно l 1 =0,0001ч -1 и l 2 =0,0002ч -1 . Требуется вычислить среднее время безотказной работы данной системы и вероятность ее безотказной работы в течение 100ч. Предполагается, что оба насоса начинают работать в момент времени t =0.

С помощью формулы (4.5.5) находим вероятность безотказной работы P s заданной системы в течение 100ч:
P s (t)= .
P s (100)=е -(0,0001+0,0002) × 100 =0,97045.

Используя формулу (4.5.6), получаем

ч.

На рис. 4.5.6 представлено параллельное соединение элементов 1, 2, 3. Это означает, что устройство, состоящее из этих элементов, переходит в состояние отказа после отказа всех элементов при условии, что все элементы системы находятся под нагрузкой, а отказы элементов статистически независимы.

Рис. 4. 5.6. Блок-схема системы с параллельным соединением элементов

Условие работоспособности устройства можно сформулировать следующим образом: устройство работоспособно, если работоспособен элемент 1 или элемент 2, или элемент 3, или элементы 1 и 2, 1; и 3, 2; и 3, 1; и 2; и 3.

Вероятность безотказного состояния устройства, состоящего из n параллельно соединенных элементов определяется по теореме сложения вероятностей совместных случайных событий как
Р=(р 1 +р 2 +...р n)-(р 1 р 2 +р 1 р 3 +...)-(р 1 р 2 р 3 +р 1 р 2 р n +...)-... ± (р 1 р 2 р 3 ...р n).(4.5.7)
Для приведенной блок-схемы (рис. 4.5.6), состоящей из трех элементов, выражение (4.5.7) можно записать:
Р=р 1 +р 2 +р 3 -(р 1 р 2 +р 1 р 3 +р 2 р 3)+р 1 р 2 р 3 .

Применительно к проблемам надежности, по правилу умножения вероятностей независимых (в совокупности) событий, надежность устройства из n элементов вычисляется по формуле
Р = 1- ,(4.5.8)
т.е. при параллельном соединении независимых (в смысле надежности) элементов их ненадежности (1-p i =q i) перемножаются.

В частном случае, когда надежности всех элементов одинаковы, формула (4.5.8) принимает вид
Р = 1 - (1-р) n .(4.5.9)

Пример 4.5.5. Предохранительное устройство, обеспечивающее безопасность работы системы под давлением, состоит из трех дублирующих друг друга клапанов. Надежность каждого из них р=0,9. Клапаны независимы в смысле надежности. Найти надежность устройства.

Решение. По формуле (4.5.9)Р=1-(1-0,9) 3 =0,999.

Интенсивность отказов устройства состоящего из n параллельно соединенных элементов, обладающих постоянной интенсивностью отказов l 0 , определяется как

.(4.5.10)

Из (4.5.10) видно, что интенсивность отказов устройства при n>1 зависит от t: при t=0 она равна нулю, при увеличении t, монотонно возрастает до l 0 .

Если интенсивности отказов элементов постоянны и подчинены показательному закону распределения, то выражение (4.5.8) можно записать

Р(t) = .(4.5.11)

Среднее время безотказной работы системы Т 0 находим, интегрируя уравнение (4.5.11) в интервале :

Т 0 =
=(1/ l 1 +1/ l 2 +…+1/ l n )-(1/(l 1 + l 2 )+ 1/(l 1 + l 3 )+…)+(4.5.12)
+(1/(l 1 + l 2 + l 3 )+1/(l 1 + l 2 + l 4 )+…)+(-1) n+1 ´ .

В случае, когда интенсивности отказов всех элементов одинаковы, выражение (4.5.12) принимает вид

Т 0 = .(4.5.13)

Среднее время работы до отказа также можно получить, интегрируя уравнение (4.5.7) в интервале

Пример 4.5.6. Предположим, что два одинаковых вентилятора в системе очистки отходящих газов работают параллельно, причем если один из них выходит из строя, то другой способен работать при полной системной нагрузке без изменения своих надежностных характеристик.

Требуется найти безотказность системы в течение 400ч (продолжительность выполнения задания) при условии, что интенсивности отказов двигателей вентиляторов постоянны и равны l =0,0005ч -1 , отказы двигателей статистически независимы и оба вентилятора начинают работать в момент времени t=0.

Решение. В случае идентичных элементов формула (4.5.11) принимает вид
Р(t) = 2еxp(- l t) - еxp(-2 l t).
Поскольку l = 0,0005 ч -1 и t = 400 ч, то
Р (400) = 2еxp(-0,0005 ´ 400) - еxp(-2 ´ 0,0005 ´ 400)=0,9671.
Среднюю наработку на отказ находим, используя (4.5.13):
Т 0 = 1/l (1/1 + 1/2) = 1/l ´ 3/2 = 1,5/0,0005 = 3000 ч.

Рассмотрим самый простой пример резервированной системы - параллельное соединение резервного оборудования системы. В этой схеме все n одинаковых образцов оборудования работают одновременно, и каждый образец оборудования имеет одинаковую интенсивность отказов. Такая картина наблюдается, например, если все образцы оборудования держатся под рабочим напряжением (так называемый "горячий резерв"), а для исправной работы системы должен быть исправен хотя бы один из n образцов оборудования.

В этом варианте резервирования применимо правило определения надежности параллельно соединенных независимых элементов. В нашем случае, когда надежности всех элементов одинаковы, надежность блока определяется по формуле (4.5.9)

Р = 1 - (1-р) n .
Если система состоит из n образцов резервного оборудования с различными интенсивностями отказов, то
P(t) = 1-(1-p 1) (1-p 2)... (1-p n).(4.5.21)

Выражение (4.5.21) представляется как биноминальное распределение. Поэтому ясно, что когда для работы системы требуется по меньшей мере k исправных из n образцов оборудования, то
P(t) = p i (1-p) n-i ,где .(4.5.22)

При постоянной интенсивности отказов l элементов это выражение принимает вид

P(t) = ,(4.5.22.1)

где р = еxp(-l t).

Включение резервного оборудования системы замещением

В данной схеме включения n одинаковых образцов оборудования только один находится все время в работе (рис. 4.5.11). Когда работающий образец выходит из строя, его непременно отключают, и в работу вступает один из (n -1) резервных (запасных) элементов. Этот процесс продолжается до тех пор, пока все (n -1) резервных образцов не будут исчерпаны.

Рис. 4.5.11. Блок-схема системы включения резервного оборудования системы замещением
Примем для этой системы следующие допущения:
1. Отказ системы происходит, если откажут все n элементов.
2. Вероятность отказа каждого образца оборудования не зависит от состояния остальных (n -1) образцов (отказы статистически независимы).
3. Отказывать может только оборудование, находящееся в работе, и условная вероятность отказа в интервале t, t+dt равна l dt; запасное оборудование не может выходить из строя до того, как оно будет включено в работу.
4. Переключающие устройства считаются абсолютно надежными.
5. Все элементы идентичны. Резервные элементы имеют характеристики как новые.

Система способна выполнять требуемые от нее функции, если исправен по крайней мере один из n образцов оборудования. Таким образом, в этом случае надежность равна просто сумме вероятностей состояний системы, исключая состояние отказа, т.е.
Р(t) = еxp(- l t) .(4.5.23)

В качестве примера рассмотрим систему, состоящую из двух резервных образцов оборудования, включаемых замещением. Для того чтобы эта система работала, в момент времени t, нужно, чтобы к моменту t были исправны либо оба образца, либо один из двух. Поэтому
Р(t) = еxp(- l t) =(exp(- l t))(1+ l t).(4.5.24)

На рис. 4.5.12 показан график функции Р(t) и для сравнения приведен аналогичный график для нерезервированной системы.

Рис. 4.5. 12. Функции надежности для дублированной системы свключением резерва замещением (1) и нерезервированнойсистемы (2)

Пример 4.5.11. Система состоит из двух идентичных устройств, одно из которых функционирует, а другое находится в режиме ненагруженного резерва. Интенсивности отказов обоих устройств постоянны. Кроме того, предполагается, что в начале работы резервное устройство имеет такие же характеристики, как и новое. Требуется вычислить вероятность безотказной работы системы в течение 100 ч при условии, что интенсивности отказов устройств l =0,001 ч -1 .

Решение. С помощью формулы (4.5.23) получаем Р(t) = (exp(- l t))(1+ l t).

При заданных значениях t и l вероятность безотказной работы системы составляет

Р(t) = е -0,1 (1+0,1) = 0,9953.

Во многих случаях нельзя предполагать, что запасное оборудование не выходит из строя, пока его не включат в работу. Пусть l 1 - интенсивность отказов работающих образцов, а l 2 - резервных или запасных (l 2 > 0). В случае дублированной системы функция надежности имеет вид:
Р(t) = ехр(-(l 1 + l 2 )t) + ехр(- l 1 t) - ехр(-(l 1 + l 2 )t).

Данный результат для k=2 можно распространить на случай k=n. Действительно

Р(t) = ехр(- l 1 (1+ a (n-1))t) (4.5.25)
, где a = l 2 / l 1 > 0.

Надежность резервированной системы в случае комбинаций отказов и внешних воздействий

В некоторых случаях отказ системы возникает вследствие определенных комбинаций отказов образцов входящих в систему оборудования и (или) из-за внешних воздействий на эту систему. Рассмотрим, например, метеоспутник с двумя передатчиками информации, один из которых является резервным или запасным. Отказ системы (потеря связи со спутником) возникает при выходе из строя двух передатчиков или в тех случаях, когда солнечная активность создает непрерывные помехи радиосвязи. Если интенсивность отказов работающего передатчика равна l , а j - ожидаемая интенсивность появления радиопомех, то функция надежности системы
Р(t) = еxp(-(l + j )t) + l t еxp(-(l + j )t).(4.5.26)

Данный тип модели также применим в случаях, когда резерв по схеме замещения отсутствует. Например, предположим, что нефтепровод подвергается гидравлическим ударам, причем воздействие незначительными гидроударами происходит с интенсивностью l , а значительными - с интенсивнностью j . Для разрыва сварных швов (из-за накопления повреждений) трубопроводу следует получить n малых гидроударов или один значительный.

Здесь состояние процесса разрушения представляется числом ударов (или повреждений), причем один мощный гидроудар равносилен n малых. Надежность или вероятность того, что трубопровод не будет разрушен действием микроударов к моменту времени t равна:

Р(t) = еxp(-(l + j )t) .(4.5.27)

Анализ надежности систем при множественных отказах

Рассмотрим метод анализа надежности нагруженных элементов в случае статистически независимых и зависимых (множественных) отказов. Следует заметить, что этот метод может быть применен и в случае других моделей и распределений вероятностей. При разработке этого метода предполагается, что для каждого элемента системы существует некоторая вероятность появления множественных отказов.

Как известно, множественные отказы действительно существуют, и для их учета в соответствующие формулы вводится параметр a . Этот параметр может быть определен на основе опыта эксплуатации резервированных систем или оборудования и представляет собой долю отка ов, вызываемых общей причиной . Другими словами, параметр а можно рассматривать как точечную оценку вероятности того, что отказ некоторого элемента относится к числу множественных отказов. При этом можно считать, что интенсивность отказов элемента имеет две взаимоисключающие составляющие, т. е. l = l 1 + l 2 , где l 1 - постоянная интенсивность статистически независимых отказов элемента, l 2 - интенсивность множественных отказов резервированной системы или элемента. Поскольку a = l 2 / l , то l 2 = a/ l , и следовательно, l 1 =(1- a ) l .

Приведем формулы и зависимости для вероятности безотказной работы, интенсивности отказов и средней наработки на отказ в случае систем с параллельным и последовательным соединением элементов, а также систем с k исправными элементами из п и систем, элементы которых соединены по мостиковой схеме.

Система с параллельным соединением элементов (рис. 4.5.13) - обычная параллельная схема, к которой последовательно подсоединен один элемент. Параллельная часть (I) схемы отображает независимые отказы в любой системе из n элементов, а последовательно соединенный элемент (II) - все множественные отказы системы.

Рис. 4.5.13. Модифицированная система с параллельным соединением одинаковых элементов

Гипотетический элемент, характеризуемый определенной вероятностью появления множественного отказа, последовательно соединен с элементами, которые характеризуются независимыми отказами. Отказ гипотетического последовательно соединенного элемента (т.е. множественный отказ) приводит к отказу всей системы. Предполагается, что все множественные отказы полностью взаимосвязаны. Вероятность безотказной работы такой системы определяется как R р ={1-(1-R 1) n } R 2 , где n - число одинаковых элементов; R 1 - вероятность безотказной работы элементов, обусловленная независимыми отказами; R 2 - вероятность безотказной работы системы, обусловленная множественными отказами.

l 1 и l 2 выражение для вероятности безотказной работы принимает вид

R р (t)={1-(1-e -(1- a ) l t ) n }e - al t ,(4.5.28)
где t - время.

Влияние множественных отказов на надежность системы с параллельным соединением элементов наглядно демонстрируется с помощью рис. 4.5.14 – 4.5.16; при увеличении значения параметра a вероятность безотказной работы такой системы уменьшается.

Параметр a принимает значения от 0 до 1. При a = 0 модифицированная параллельная схема ведет себя как обычная параллельная схема, а при a =1 она действует как один элемент, т. е. все отказы системы являются множественными.

Поскольку интенсивность отказов и среднее время наработки на отказ любой системы можно определить с помощью (4.3 .7 ) и формул
,
,
с учетом выражения для R р (t ) получаем, что интенсивность отказов (рис. 4.5.17) и средняя наработка на отказ модифицированной системы соответственно равны
,(4.5.29)
,где .(4.5.30)

Рис. 4.5.14. Зависимость вероятности безотказной работы системы с параллельным соединением двух элементов от параметра a

Рис. 4.5.15. Зависимость вероятности безотказной работы системы с параллельным соединением трех элементов от параметра a

Рис. 4.5.16. Зависимость вероятности безотказной работы системы с параллельным соединением четырех элементов от параметра a

Рис. 4.5.17. Зависимость интенсивности отказов системы с параллельным соединением четырех элементов от параметра a

Пример 4.5.12. Требуется определить вероятность безотказной работы системы, состоящей из двух одинаковых параллельно соединенных элементов, если l =0,001 ч -1 ; a =0,071; t=200 ч.

Вероятность безотказной работы системы, состоящей из двух одинаковых параллельно соединенных элементов, для которой характерны множественные отказы, равна 0,95769. Вероятность безотказной работы системы, состоящей из двух параллельно соединенных элементов и характеризуемой только независимыми отказами, равна 0,96714.

Система с k исправными элементами из п одинаковых элементов включает в себя гипотетический элемент, соответствующий множественным отказам и соединенный последовательно с обычной системой типа k из n, для которой характерны независимые отказы. Отказ, отображаемый этим гипотетическим элементом, вызывает отказ всей системы. Вероятность безотказной работы модифицированной системы с k исправными элементами из n можно вычислить по формуле

,(4.5.31)

где R 1 - вероятность безотказной работы элемента, для которого характерны независимые отказы; R 2 - вероятность безотказной работы системы с k исправными элементами из n , для которой характерны множественные отказы.

При постоянных интенсивностях l 1 и l 2 полученное выражение принимает вид

.(4.5.32)

Зависимость вероятности безотказной работы от параметра a для систем с двумя исправными элементами из трех и двумя и тремя исправными элементами из четырех показаны на рис. 4.5.18 - 4.5.20. При увеличении параметра a вероятность безотказной работы системы уменьшается на небольшую величину (l t).

Рис. 4.5.18. Вероятность безотказной работы системы, сохраняющей работоспособность при отказе двух из n элементов

Рис. 4.5.19. Вероятность безотказной работы системы, сохраняющей работоспособность при отказе двух из четырех элементов

Рис. 4.5.20. Вероятность безотказной работы системы, сохраняющей работоспособность при отказе трех из четырех элементов

Интенсивность отказов системы с k исправными элементами из n и средняя наработка на отказ могут быть определены следующим образом:

,(4.5.33)

где h = {1-e -(1-b )l t },

q = e (r a -r- a ) l t

.(4.5.34)

Пример 4.5.13. Требуется определить вероятность безотказной работы системы с двумя исправными элементами из трех, если l =0,0005 ч - 1 ; a =0,3; t =200 ч.

С помощью выражения для R kn находим, что вероятность безотказной работы системы, в которой происходили множественные отказы, составляет 0,95772. Отметим, что для системы с независимыми отказами эта вероятность равна 0,97455.

Система с параллельно-последовательным соединением элементов соответствует системе, состоящей из одинаковых элементов, для которых характерны независимые отказы, и ряда ветвей, содержащих воображаемые элементы, для которых характерны множественные отказы. Вероятность безотказной работы модифицированной системы с параллельно-последовательным (смешанным) соединением элементов можно определить с помощью формулы R ps ={1 - (1-) n } R 2 , где m - число одинаковых элементов в ответвлении, n - число одинаковых ответвлений.

При постоянных интенсивностях отказов l 1 и l 2 это выражение принимает вид

R рs (t) = e - bl t . (4.5.39)

(здесь А=(1- a ) l ). Зависимость безотказной работы системы R b (t) для различных параметров a показана на рис. 4.5.21. При малых значениях l t вероятность безотказной работы системы с элементами, соединенными по мостиковой схеме, убывает с увеличением параметра a .

Рис. 4.5.21. Зависимость вероятности безотказной работы системы, элементы которой соединены по мостиковой схеме, от параметра a

Интенсивность отказов рассматриваемой системы и средняя наработка на отказ могут быть определены следующим образом:
l + .(4.5.41)

Пример 4.5.14. Требуется вычислить вероятность безотказной работы в течение 200 ч для системы с одинаковыми элементами, соединенными по мостиковой схеме, если l =0,0005 ч - 1 и a =0,3.

Используя выражение для R b (t), находим, что вероятность безотказной работы системы с соединением элементов по мостиковой схеме составляет примерно 0,96; для системы с независимыми отказами (т.е. при a =0) эта вероятность равна 0,984.

Модель надежности системы с множественными отказами

Для анализа надежности системы, состоящей из двух неодинаковых элементов, для которых характерны множественные отказы, рассмотрим такую модель, при построении которой были сделаны следующие допущения и приняты следующие обозначения:

Допущения (1) множественные отказы и отказы других типов статистически независимы; (2) множественные отказы связаны с выходом из строя не менее двух элементов; (3) при отказе одного из нагруженных резервированных элементов отказавший элемент восстанавливается, при отказе обоих элементов восстанавливается вся система; (4) интенсивность множественных отказов и интенсивность восстановлений постоянны.

Обозначения
P 0 (t) - вероятность того, что в момент времени t оба элемента функционируют;
P 1 (t) - вероятность того, что в момент времени t элемент 1 вышел из строя, а элемент 2 функционирует;
P 2 (t) - вероятность того, что в момент времени t эл мент 2 вышел из строя, а элемент 1 функционирует;
P 3 (t) - вероятность того, что в момент времени t элементы 1 и 2 вышли из строя;
P 4 (t) - вероятность того, что в момент времени t имеются специалисты и запасные элементы для восстановления обоих элементов;
a - постоянный коэффициент, характеризующий наличие специалистов и запасных элементов;
b - постоянная интенсивность множественных отказов;
t - время.

Рассмотрим три возможных случая восстановления элементов при их одновременном отказе:

Случай 1. Запасные элементы, ремонтный инструмент и квалифицированные специалисты имеются для восстановления обоих элементов, т. е. элементы могут быть восстановлены одновременно .

Случай 2. Запасные элементы, ремонтный инструмент и квалифицированные специалисты имеются только для восстановления одного элемента, т. е. может быть восстановлен только один элемент.

Случай 3 . Запасные элементы, ремонтный инструмент и квалифицированные специалисты отсутствуют, и, кроме того, может существовать очередь на ремонтное обслуживание.

Математическая модель системы, изображенной на рис. 4.5.22, представляет собой следующую систему дифференциальных уравнений первого порядка:

P" 0 (t) = - ,
P" 1 (t) = -(l 2 + m 1 )P 1 (t)+P 3 (t)

Рис. 4.5.22. Модель готовности системы в случае множественных отказов

Приравнивая в полученных уравнениях производные по времени нулю, для установившегося режима получаем

- ,
-(l 2 + m 1 )P 1 +P 3 m 2 +P 0 l 1 = 0,

-(l 1 + m 2 )P 2 +P 0 l 2 +P 3 m 1 = 0,

P 2 = ,

P 3 = ,

P 4 = .

Стационарный коэффициент готовности может быть вычислен по формуле