CC BY
21Решетневскуе чтения. 2018
УДК 629.78
НОВАЯ КОМПЛЕКСНАЯ МЕТОДИКА АНАЛИЗА И ОЦЕНКИ НАДЁЖНОСТИ
Ю. П. Похабов
ОАО «НПОПМ - Малое конструкторское бюро» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 55а
Е-mail: pokhabov_yury@mail.ru
Предлагается новая комплексная методика анализа и оценки надёжности в свете задач, стоящих перед ракетно-космической отраслью в области качества, надёжности и безопасности.
Ключевые слова: надёжность, конструкторско-технологический анализ надёжности, индивидуальная надёжность, космические аппараты.
NEW INTEGRATED METHOD OF ANALYSIS AND ASSESSMENT OF RELIABILITY
Yu. P. Pokhabov
JSC "NPO PM Small Design Bureau" 55а, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation Е-mail: pokhabov_yury@mail.ru
A new complex method of analysis and reliability assessment in the light of the challenges facing the rocket and space industry in the field of quality, reliability and safety is proposed.
Keywords: reliability, design and technology reliability analysis, individual reliability, spacecrafts.
Длительное время надёжность развивалась как прикладная математическая дисциплина, оторванная от решения реальных задач по созданию уникальных высоконадёжных изделий. Современные методы классической теории надёжности практически бесполезны для: 1) обеспечения надёжности одноразовых высокоответственных изделий единичного изготовления, 2) предупреждения ранних отказов, 3) получения исчерпывающей информации при принятии и обосновании конструкторских и технологических решений, 4) исключения человеческого фактора при производстве и эксплуатации изделий и т. д.
Создание и интегрирование двух методик, разработанных в последние годы, - конструкторско-технологического анализа надёжности (КТАН) [1-3] и оценки индивидуальной конструкционной надёжности [4] предоставляет возможность выявлять и предотвращать отказы уникальных высоконадёжных изделий на ранних стадиях производства, а также производить комплексную оценку надёжности с учётом индивидуальных особенностей как самих изделий, так и условий их производства.
КТАН разработан для анализа и оценки надёжности высокоответственных механических устройств раскрытия КА: антенн, панелей солнечных батарей, штанг приборов и пр. Методика анализа основана на представлении о том, что все отказы происходят из-за ошибок при принятии конструкторских, технологических и производственных решений, включая ошибки при оценке условий нагружения и воздействий при эксплуатации. В соответствии с таким представлением отказы не могут произойти, если все решения обоснованы, необходимые и достаточные требования в конструкторской документации установлены, вы-
полнены при изготовлении и эксплуатации, а их выполнение подтверждено средствами технического контроля.
Методика КТАН является универсальной как с позиций использования различных подходов к оценке надёжности (детерминированных или стохастических), так и для обеспечения любых заданных значений безотказности (вплоть до единицы).
Алгоритм проведения анализа предусматривает двухуровневую оценку надёжности [3]:
1) производят обоснование значений критичных параметров изделия, обеспечивающих выполнение заданных функций при эксплуатации, на основании чего осуществляют оценку теоретического уровня надёжности, которая может несколько отличаться от действительного (окончательного) значения надёжности (если в конструкторской и/или технологической документации будут отсутствовать какие-либо требования к изготовлению, они будут заданы некорректно для однозначного выполнения условий работоспособности или не выполнены при изготовлении);
2) для изделий с заданной безотказностью на уровне P > 0,999 осуществляют анализ конструкторской и технологической документации на соответствие полноты параметров, описывающих выполнение заданных функций, и требований, установленных для их реализации, на основании чего производят окончательную оценку надёжности.
Обоснование значений критичных параметров изделий в заданном допуске может осуществляться в детерминированной или стохастической постановке. В детерминированной постановке обоснование значений параметров работоспособности критичных элементов производят за счёт обеспечения конструктив-
но
Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов
ных запасов (резервирования, выбора нормированных коэффициентов безопасности, запасов прочности и движущих моментов, параметрической избыточности, силовых и температурных развязок, процедур получения гарантированных результатов, например, с применением минимаксных критериев или с использованием факторов инженерной психологии). Суть детерминированного подхода заключается в принятии необходимых конструкторских решений для исключения отказов. Реализация методики КТАН в детерминированной постановке самодостаточна для решения задач надёжности функционирования одноразовых систем (без существенной наработки до отказа), если не требуется производить оценку частоты отказов. Методика КТАН в детерминированной постановке опробована при решении задач надёжности раскрывающихся конструкций КА [3].
В стохастической постановке обоснование выбора значений параметров работоспособности критичных элементов производят методами индивидуальной конструкционной надёжности. Суть стохастического подхода - получение частотной оценки возможных отказов, что необходимо при длительной наработке до отказа, например, для обеспечения надёжности бортовых систем КА длительного функционирования на конец срока службы. Идея методики индивидуальной конструкционной надёжности основана на том, что при создании надёжных изделий изменчивость свойств материалов и критичных элементов конструкций должна быть минимальной. Причём такая изменчивость никак не связана с возможными разбросами реального или виртуального множества однотипных изделий вообще (как это принято в классической теории надёжности), а определяется индивидуальными особенностями конкретного производства -точностью измерений свойств и параметров в процессе создания данного уникального образца изделия. Методика индивидуальной конструкционной надёжности была разработана и опробована для проектирования стальных и железобетонных многопролётных и многоэтажных рам на сочетания случайных нагрузок марковского типа, а также применялась для оценки надёжности магистральных трубопроводов различного назначения, которые пребывают в одном предельном состоянии - по прочности [4]. Применение методики индивидуальной конструкционной надёжности к изделиям космической техники (способных находиться одновременно в нескольких предельных состояниях) становится возможным благодаря КТАН, который позволяет осуществлять полную параметризацию свойств конструкций в зависимости от заданной функциональности и наихудших сочетаний внешних условий и режимов эксплуатации [5]. Для каждого предельного состояния параметров производят сбор статистических данных, характеризующих данное конкретное производство, которые определяют фактическое состояние изделия в результате изготовления, строят допустимые области в пространстве нагрузок и воздействий, находят вероятности пребывания вектора нагрузок, воздействий и функциональных параметров изделия в допустимой области по всем элементам, системы в целом и всем возможным видам
её отказа, делают заключение о выполнении требований надёжности.
Применение комплексной методики анализа и оценки надёжности (в совокупности КТАН и индивидуальной конструкционной надёжности) даёт возможность поднять на новый уровень технологию проектирования, конструирования, изготовления и отладки уникальных изделий ракетно-космической техники, используя в параллель конструкторско-техноло-гические приёмы обеспечения безотказности (применение принципов и правил рационального проектирования, методик конструкторско-технологического анализа и обеспечения надёжности и т. п.) и методику высокоточного расчёта индивидуальной надёжности (на основе статистики, собранной в определённых технологических условиях). Это позволяет производить разработку изделий и оценку их надёжности на едином исходном материале - конструкторско-технологических решениях, неразрывно связанных с возможностями конкретного производства.
Библиографические ссылки
1. Похабов Ю. П., Ушаков И. А. О безаварийности функционирования уникальных высокоответственных систем // Методы менеджмента качества. 2014. № 11. С. 50-56.
2. Pokhabov Yu. P. About the philosophical aspect of reliability exemplified by unique mission-critical systems // Dependability. 2015. № 3. P. 22-27.
3. Похабов Ю. П. Теория и практика обеспечения надёжности механических устройств одноразового срабатывания. Красноярск, 2018. 340 с.
4. Тимашев С. А. Инфраструктуры. Т. 1: Надёжность и долговечность. Екатеринбург, 2016. 530 с.
5. Тимашев С. А., Похабов Ю. П. Проблемы комплексного анализа и оценки индивидуальной конструкционной надёжности космических аппаратов (на примере поворотных конструкций). Екатеринбург, 2018. 38 с.
References
1. Pokhabov Yu. P., Ushakov I.A. [About reliability of unique mission-critical system]. Methody me-nedzhmenta kachestva. 2014. No. 11. P. 50-56 (In Russ.).
2. Pokhabov Yu. P. About the philosophical aspect of reliability exemplified by unique mission-critical systems. Dependability. 2015. No. 3. P. 22-27.
3. Pokhabov Yu. P. Teoriya i praktika obespecheniya nadezhosti mekhanicheskikh ustroystv odnorazovogo sra-batyvaniya [Theory and practice of ensuring the reliability of mechanical devices of one-time operation]. Krasnoyarsk, 2018. 340 p.
4. Timashev S. A. Infrastruktury. T. 1: Nadezhost i dolgovechnost [Infrastructure. Vol. 1: Reliability and durability]. Yekaterinburg, 2016. 530 p.
5. Timashev S. A., Pokhabov Yu.P. Problemy kom-pleksnogo analiza i otsenki individualnoy nadezhosti kosmicheskikh apparatov (na primere povorotnykh kon-struktsiy) [Integrated Analysis and Assessment Problems of Individual Structural Reliability of Spacecraft (Case of Deployable Structures)]. Yekaterinburg, 2018. 38 р.
© Похабов Ю. П., 2018
