Надежность технических средств безопасности

технические средства безопасности играют наиболее важную роль в повышении безопасности производств. Чаще всего это автоматические устройства. К ним относятся и системы контроля состояния среды. надежность — это свойство системы (устройства) выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям (эксплуатации, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортировки).

Средства безопасности обычно находятся в двух состояниях — в режиме ожидания и в режиме исполнения. Нарушение функционирования системы в режиме ожидания следует называть функциональным отказом, а надежность функциональной. Нарушение работоспособности защитного устройства в процессе устранения опасной ситуации следует называть технологическим (параметрическим) отказом, а надежность устройства — технологической (параметрической). Такой отказ может произойти по масштабному, силовому или временному факторам (параметрам) действия средств безопасности. Из общей надежности следует выделить эксплуатационную (прочностную) надежность. Она связана с эксплуатационными силовыми, износовыми и тепловыми воздействиями на средства безопасности.

Для характеристики и оценки надежности используются показатели безопасности для невосстанавливаемых систем и показатели ремонтопригодности — для восстанавливаемых.

К показателям безотказности относятся:

— вероятность безотказной работы Р(t) — вероятность того, что в заданном интервале времени t в системе (устройстве) не возникает отказа;

— интенсивность отказов l(t) — условная плотность распределения времени безотказной работы для момента времени t при условии, что до момента времени t отказ устройства не произошел;

— средняя наработка до отказа (среднее время безотказной работы) Т — математическое ожидание времени наработки до первого отказа.

Показатели ремонтопригодности характеризуют способность системы к устранению отказов путем проведения ремонтов и технического обслуживания. Здесь используются те же вероятностные показатели: вероятность восстановления S(t), интенсивность восстановления m(t), среднее время восстановления q. Комплексным показателем надежности восстанавливаемых систем является коэффициент оперативной готовности К_ог(t) — вероятность того, что система будет работоспособна в произвольный момент времени t и безотказно проработает время t. Применительно к средствам безопасности это вероятность того, что устройство будет работоспособно в дежурном режиме и безотказно ликвидирует опасную ситуацию в заданное время.

Анализ отказов средств безопасности свидетельствует о том, что в основном отказы являются внезапными и независимыми между собой, что обуславливает последовательную расчетную схему надежности. В потоке отказов и восстановлений отсутствуют последствия. Потоки являются ординарными, простейшими и стационарными. В этом случае вероятность безотказной работы описывается экспоненциальным распределением, являющимся частным случаем Пуассоновского распределения:

, (2.1)

где: Р(t) — параметр экспоненциального распределения (интенсивность отказов).

Принимая во внимание, что поток отказов является простейшим и стационарным, среднее время безотказности

. (2.2)

Поскольку отмеченные выше свойства потоков отказов характерны и для потоков восстановлений, то аналогичным образом можно записать:

, (2.3)

, (2.4)

Зависимости (2.1) — (2.4) применимы до первого отказа (восстановления), т.е. для невосстанавливаемых систем. Для восстанавливаемых систем безопасности, функционирующих в режиме ожидания и исполнения, следует использовать комплексные показатели надежности, в частности, комплексный коэффициент оперативной готовности

, (5)

где: К_г — коэффициент оперативной готовности, равный вероятности безотказности функционирования средств безопасности в режиме ожидания (К_г=Р(t _ф); Р(t _n) — вероятность устранения опасной ситуации с учетом всех параметров — масштабного, силового, временного.

Принимая во внимание, что устройства эксплуатируются длительное время, то режим ожидания можно характеризовать временем t ® ¥. Поскольку потоки отказов и восстановлений стационарны, то и вероятности состояний устройства S_i также стационарны. Устройство по функциональной надежности может находиться в состояниях, например, S₀, S₁, S₂, S₃ — соответственно состояния нормального функционирования, необходимости восстановления модулей ИН — индикатора опасной ситуации, КПУ — контрольно-пускового устройства, ИУ — исполнительного устройства при интенсивности отказов модулей и интенсивности их восстановления m₁, m₂, m₃. Этим состояниям соответствуют вероятности P₀, P₁, P₂, P₃.

Выражение вероятности нормального функционирования средства безопасности в дежурном режиме имеет вид

, (2.6)

Если система безопасности находится в режиме исполнения, т. е. устранения опасной ситуации, является восстанавливаемой с интенсивностями отказов l₁^¢, l₂^¢, l₃^¢ и восстановлений m₁^¢, m₂^¢, m₃^¢, соответственно, по масштабному силовому и временному параметрам, то выражение вероятности ликвидации опасной ситуации имеет вид

. (7)

Поскольку в настоящее время практически нет средств безопасности восстанавливаемых в процессе ликвидации опасных ситуаций, то вероятность безотказности по каждому из параметров и в целом по всем параметрам целесообразно определять статистической оценкой по результатам испытаний или по данным эксплуатации:

, (2.8)

, (2.9)

где: N_oi, N_o — соответственно общее число испытаний по отдельному и всем параметрам; n_i, n — число отказов по отдельному и всем параметрам.

Выражения комплексного показателя надежности средств безопасности (2.5) определяется с учетом выражений (2.6) и (2.9).

В общей массе отказов, кроме внезапных, имеются и постепенные отказы. Они проявляются в результате усталости, изнашивания, старения, коррозии деталей и других необратимых процессов. Время распределения безотказности устройств при постепенных отказах, чаще всего подчиняется нормальному закону.

На практике при конструировании устройств выделяют «слабое звено» (отдельный элемент) и для него в зависимости от характера нагрузки по основным критериям прочности определяют квантиль нормального распределения U_p, а по ней вероятность безотказной работы Р.

Расчетное условие для обеспечения вероятности 50% , а для обеспечения большой вероятности

, (2.10)

где: — соответственно средние значения величин Y и Y_lim; — среднее квадратическое отклонение двух случайных величин S_ylim и S_y; S_ylim, S_y — средние квадратические отклонения величин Y_lim, Y; U_p — квантиль нормированного нормального распределения функции от Р.

Исходя из условия (2.10) квантиль определяется по выражению

, (2.11)

Представляет существенный интерес связь между квантилью U_p как характеристикой вероятностного расчета и коэффициентом безопасности , рассчитанному по средним значениям. Разделив числитель и знаменатель дроби (2.11) на и, введя коэффициенты вариации имеем.

,

(2.12)

По вычисленному значению U_p определяется вероятность безотказной работы Р по таблицам нормального распределения.

В качестве принимаются средние значения, например, по критерию прочности, напряжения допустимые и расчетные s (прочности, текучести, выносливости) и другие параметры по критериям изнашивания и теплостойкости. Особенность расчетов эксплуатационной надежности по основным критериям приводится в специальной литературе.