CC BY
22Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies, 2019, 12(7), 861-883
yflK 629.78
Design for Reliability Highly Responsible Systems on the Example of a Moving Rod
Yury P. Pokhabov*
JSC "NPO PM SDB" 55 a Lenin Str., Zheleznogorsk, 662972, Russia
Received 06.08.2019, received in revised form 02.09.2019, accepted 17.09.2019
The article is devoted to one of the design technologies of highly responsible systems on the example of a rotating rod of a spacecraft. This technology allows take into account the specified requirements for reliability from the very first design solutions. An algorithm for constructing a generalized parametric model of the functioning of products is proposed, which is intended for carrying out the calculated and experimental verification of the output parameters offunctioning and their correlation with the given reliability indicators. The methodology of the design & technological reliability analysis is presented, which allows performing analytical verification of the functioning parameters in order to identify necessary and sufficient requirements for performing computational and experimental verification and manufacturing products with a given reliability. This design technology, based on parameterization and design & technological reliability analysis, makes it possible to achieve reliability of mechanical devices whp R=1, regardless of the type of mass production. At the same time, potential failures can be successfully eliminated or mitigated at the earliest stages of the life cycle (design and engineering), and the possible risks of the occurrence offailures are promptly evaluated.
Keywords: design, design for reliability (DFR), highly responsible systems, spacecraft, design & technology reliability analysis (DTRA).
Citation: Pokhabov Yu.P. Design for reliability highly responsible systems on the example of a moving rod, J. Sib. Fed. Univ. Eng. technol., 2019, 12(7), 861-883. DOI: 10.17516/1999-494X-0186.
© Siberian Federal University. All rights reserved
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License (CC BY-NC 4.0). Corresponding author E-mail address: pokhabov_yury@mail.ru
Проектирование высокоответственных систем с учетом надежности на примере поворотной штанги
Ю.П. Похабов
АО«НПО ПММКБ» Россия, 662972, Железногорск, ул. Ленина, 55а
Статья посвящена однойиз технологий проектирования высокоответственных систем на примере поворотной штанги космического аппарата, которая позволяет учитывать заданные требования к надежности с самых первых конструкторских решений. Предложен асываетм поатроеион оеадщеявая параматраенскнЫмодело функциывиаоеания изделий, которая предназначена для проведения расчетной и экспериментальной верификации выходных параметров функционирования и соотнесения их с заданными показателями надеыкеаохи. о^ри(^1^Снеи]^е^тцевоцк^^^1^трукторско-техеолвгичевсого тасоае надежности, позволяющего произвовнть паасметров фуннционирования
на предмет выявления необходимых и достаточных требований к проведению расчетно-эдcneпuмснmктъвеHовpцт)акдвuuеuзгвmoелсыат иедлоой с а<нЛыоuoоlвcтсе^еностью. Данная mеднoтoгuяяooсоmupoвaноя, ocнoвaннaяuaтapaмempuзaцeuаnялuсЫсоuu конструкторско-технологического анализа надежности, позволяет достигать безотказности механических ]этройста]выоорытот whp Ral ыоонависиыоств отыипн сератыго л^озводства. При втоыноыeнцuaыeоые отказы тигтmтыть о твоeйoмянв1paueны или емягеины на самых ранних стадиях жизненного цикла (проектировании и конструировании), а возможные риски свзнuднoвeнuя отказов - своевременно оценены.
Ключевые слова: проектирование, проектирование с учетом надежности, высокоответственные сиотемы, еоеивтесше екпарат, конптруктокске-ткхнологический анализ надежности (КТАН).
Введенве. Ссопоснссунцестреющет шщспцып космикескихполетопкееаические аппараты (кА) послсвыоеввнаявворбирс донжсшотделииься онсвкеты-носеноик к распрыть все свои складнык аumcвpyаеси(IIенееиuекнeчныxCвuнpeй, антлоны, шванго приборов). Отделение кА и раскрытие его складных конструкций производятся с помощью механических устройств одноразового срабатывания. Такие механизмы обеспечивают складывание конструкций в заданном объеме, удержание их в сложенном положении с требуемой прочностью и жесткостью, отделение оп опорного нвнованпн ис заданной команде, pкгоонлвв;mшслpоcкладывансe и фиксацию вквcкрьпк)мпвконсeнии, ак елвчае обделиино кмг cтoлвекиадпIнения и фкенекии разведение нaбeзoеaсиоо раесеокнио КА и посеuднeй втуыо1ш paкeны-uыеитвля. Пкиэоом отэбой их отказ способенпривести нгибелиаппаркта (Sinosat-2, Kодвxyн-CЫ и др), сункественному ограничению его функциональных возможностей (Telstar 14R, Ресурс-П № 3 и др.) либо снижению срока активного существования из-за незапланированного расхода топлива двигателей коррекции на спиновые маневры для создания динамических воздействий на заклинившие механизмы («ANIK Ег^^^к^еи дp.).Поетoмyoднopaзoвoeсpс(mтьIвсuие мсваничкскип устройств кА должно пI:юиcкесnoь cKгкотнянкосoыю нениже0,9995, с фaкпсmuлкс - whp R = 1.
В условиях единичного (мелкосерийного) типа производства, характерного для изготовления кА, из-за финансово-экономических ограничений невозможно подтвердить вероятностно- 862 -
статистическими методами теории надежности достоверность показателей безотказности вблизи единицы. Вследствие этого надежность срабатывания механических устройств на практике обеспечивают рациональным выбором выходных параметров физических процессов при функционировании путем соблюдения определенных требований выполнения проектно-конструкторских работ и установленных правил проведения аналитической, расчетной и экспериментальной верификации [1]. Причем не существует каких-либо методик, позволяющих не только соотнести выходные параметры функционирования с заданными показателями вероятности безотказной работы, но и выявить все необходимые и достаточные параметры функционирования, влияющие на надежность.
Это приводит к тому, что, как показывает статистика отказов механических устройств раскрытия на отечественных и зарубежных КА за период 2009-2016 гг., их средняя безотказность на практике не превышает значений 0,989-0,996 [2]. Из анализа причин отказов известно, что они могут быть вызваны внезапным исчезновением зазоров в кинематических парах (Кику-8, Союз ТМА-17М), редким сочетанием производственных факторов (Intelsat-19), технологическими дефектами (Канопус-СТ, Прогресс М-19М), попаданием в механизм раскрытия посторонних предметов (Skylab, Telstar 14, Telstar 14R), отказами приводов раскрытия (EchoStar-4), преждевременным раскрытием (Ресурс-П № 3), конструкторско-технологическими факторами (Маяк), холодной сваркой (Galileo) и т.д. Практически все приведенные примеры причин отказов относят их к категории редких. Причем среди причин отказов почти не встречаются отказы из-за нарушения условий прочности и запасов движущих моментов (сил), поскольку их обеспечение является основой расчетной и экспериментальной верификации механизмов [3].
Так как конечной целью любой разработки является обеспечение заданной надежности (никому не нужны внезапно отказывающие изделия), существует объективная необходимость в разработке новых методик анализа и оценки надежности высокоответственных систем (которые в принципе не должны отказывать). Для этого необходимо научиться выявлять редкие потенциальные отказы на максимально ранних стадиях выполнения проектно-конструкторских работ, когда ошибки еще можно исправить без привлечения значительных незапланированных ресурсов на их исправление (согласно правилу десятикратных затрат). Важно, чтобы такие методики были неотъемлемой частью технологии проектирования, направленной на своевременную оценку и выбор конструкторских решений для обеспечения заданных требований надежности.
Конструкторско-технологический анализ надежности. Идея проведения анализа надежности с учетом конструкторских и технологических факторов проектирования исходит из того, что, по данным различных источников, доля конструкторских и технологических ошибок в причинах отказов составляет до 85 % [2].
Согласно методике расчета надежности функционирования механических устройств раскрытия КА на этапе проектирования, изложенной в работе [3] и являющейся основой обеспе-чениянадежностимеханических устройствраскрытия is АО «ИСС» имени академика М.Ф. Ре-шетнева» «Н фсфмуладтирасотми надятнностивяапас (впредположенит,ито составляющие формулы независимы по надежности) имеет вид
Я = ДпрДф- (1)
гдо Я.пру 3° - нооежаоитлво црочновуп и функционированию.
С учетом испцльзования конктруктивных тапаспш Короеуоы дли оп^днлгния надежности по прочности и функциюнкфктанию (1) можнн пиинОрезьвель к: Р^ыт-^ря^к
йпр = Р(0//п > /5), (2)
дФ = су(^цв > шс), (зд>
оти ЛИ 5, Мдв, 0=3 - овоттктссснвно тнсущая спвсобносте, дейсоьхюьцид зЕи^мт^^нт^кс^е! , момент движущих сил о моыеут вол сопнкиивкетия; т -в зацнс млоончкти конетчукционоын материалов; f - коэффициент безопасности; 4 - коэффициент оапаса твижуицете момента, о^ажмющит идею о необходимости разделекия средних значений движущего момента и моментов сил со-ороаивлннип для оовышеуия надвжносои.
Посионоцц р овквт- рфкинвнозннкперимснкульв-уо мьткдь отрддопотои нодежнасаи лескит нбюснозунто вооопарваврсиих к технолллинвсцоо унш-нвв Ьнотоуыо десонз-ицдюк п/осктные всшеииа и зслоывводк вавонсоур теунонсоиз узиоонануник), форме—с (1) на нгаое лдвонЫотыи иомниэдвоеоооаой ооаумонтацни Зяинвятаннтн н тклнолоаичлскру свиможкосоямпро-изводетвл):
Я 1=1 ^пр -УХи^кт. ВОН
иве йкт - квнслеуьсоукко-ноднллосуеескти ньдожняосп, осторти оомимо хОесосннызы зкеумлных енн^^оиЕыснЕ) конссвоицньееай луанооеьо о есвтсно двивкднаст томснтов уалорынвющяд пниводос иалсрур он1 коигс(укпотзким и аехнолоьнчоякнх феозоното олнзанныа, звсллп^миеегне;]::), н обеснеосдм-ем зазоров в кинематических парах, вибростойкостью соединений, стабильностью настроек мехаоизмов, достаточностью хода исполнительных устройств, режимами выполнения особо оовелсо-инныз тп-рациа и т.д.
Очноодот, что к язумца УК = 3 ф-имтсня (с) пртвсдвасФ - )1( иь пуп (пр = 1и К. = неы-ртжкнов потнимает виа
Ф=ЯКТ< 1. (5)
Выражение (5) вытекаетизформулы полной вероятности
Д09в-<?(в) о= Н (6)
где Я(ш) - функцит саказоогжггоости, (?СУ) = Р(г > с); Q(t) -функцияотказа, <Г (с) = Цт: < 0.
Нн оснноамис только фпрмуо (1)-(3)можносд^лоть выоод, что ноданоый уровеньбезот-в^^зикс^с^ти^о прзмктным параметрам проиоостио фунзапонированияобеспечен, т.е. И> И, но неоозмвжнонрлноставитьоДъевоизьыхдоказлоеоьсло того, что
<2(0 < 1-й. (7)
Из срмиставленияфврмул (5)-(7) следует
Дкт = 1-<2(0. (8)
Такимобразом, расчетно-экспериментальный метод определения проектной надежности [3, К]применигельнок высокоооветнывенныммехесическим и-тмайствам раскрытия по условиям прочности и запасам движущих моментов является недостаточным без учета конструкторско-технологических факторов. Поэтому для высокоответственных устройств необходимо применять технологии проектирования, позволяющие своевременно исключать или тмегтаеь оонструкциэнные ошибки, ссаэс^ныещжеыхти к пптен^оллнмш отказам, добиваясь эбхтахтхмие ксантие Якт ^ 1.
Экспертиза проектно-конструкторских и конструкторско-технологических разработок механизмов срабатывания ена нпрактике кметодом еконструкторско-технологического анализа надежности (КТАН) показывает, что разработки, прошедшие установленную в ракетно-космической отрасли процедуру расчетной и экспериментальной верификации, а в некоторых случаях даже летную квалификацию, продолжают содержать конструкторские и технологические ошибки в технической документации, не позволяющие надеяться на выполнении задан-ныхтребований надежностивышезначений 0,999 [2].
Для обоснования конструкторско-технологического подхода к анализу надежности рас-тсмотрим процесс проектирования (конструирования) как обобщенную модель параметрического функционирования изделия для обеспечения заданной надежности.
Модели для обоснования конструкторско-технологического анализа надежности. Концептуальная модель. Надежность по ГОСТ 27.002-2015 определяется как свойство объекта сохранять во времени способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования (или про-стоэксплуатации). Таким образом,когдамыговоримонадежности, тоимеем в виду:
• определенный перечень требуемых функций, обусловленных критериями, которые могут быть установлены;
• естественный ход времени работы объекта или наработки, когда должно быть обеспече-новыполнение требуемых функций;
•заданные режимыи условия эксплуатацим, в которык требуемые функции не могут бытьнарушены.
И з скнаоано го еледует, что нахежносое можнвпе>адлтав итькнкпроявление объектом требуем ых функций при определепныххаракткристкках времени, режимов и условий эксплуатации. Если под моделью согласно ГОСТ Р 54136-2010 понимать абстрактное описание реальности в любой форме (включая математическую, физическую, символическую, графическую или описательную), которая представляет определенный аспект этой реальности, то приведен-ноапредставление о надежности есть не что иное, как концептуальная модель.
Катко ртдельпотаоляетперейти к свррраьремодеоиоуеыюй тистемы в виде взаимосвя-зынных понятий: кадеж.носуъРЦр ^ тиерупмые функцхи РХ —>■ {времк ф, режимы и условия эксклуатации (т)} и отношений между ними:
(9)
Выражение (9) определяет согласованность элементов концептуальной модели между собой, но не дает представления о математических зависимостях, которые позволяют характеризовать надежностькакфизическое свойство объекта.
Понятийная модтъ. Понятийная модельнадежностиопределяет тепмшшпонятий, составляющих концетуальнуюмодеяь, исвязь меогду ними, что является информационной основой для разработки моделей по определению количественных показарелейиррежности.
Ключевойосновой понятийноймодели надежйовтислужло понятие «функция». Согласно ГОСТ I3 53ее4-н009 оод фунлцивЦпонимзют иоозвьае Цоно правило, вербальное) служебного теоннчения изделия, т.о. еооьо, что Вулжио Лелстс ьз<йеуио Ниосттеная частс)ици егопромоне-нии -дсиооьоьчтнет/ В Бтепшей содетсоой ннникнопедии Лмекция отределяетсяктеомноме-ние двно(груопыТоНъоотов,впотодемдзмееениеоЛннлоиз тихнеретноомесению другоос.ОМт-коннц,в разрабатываемой в настоящее время группе стандартов серие«Тистемыикемплексы космические» термин «функция» трактуется как реализация объектом выходного эффекта. Таким образом, под функцией понимаем:
• итри&лт объекта;
• резульоат гмоддодо тоздейнтвия цу рыхорй пе)0цоиса;
• вынтднпю хареоьеристоов объеинт пли уыпдлденаигл«жоОногоназначтния.
Ооьнусно Г0СО 22.0Ь2-2ШИтребуемыьОуниции о^ог^т быненсаречилеры критериями в
виде, например, задания для каждой функции набора параметров, характеризующих способ-нос этих параметров. В этом
сло'чнт наыеЬУуемые фу нации имеют вид / = = (1, я)}, чтоо уоеоео тортмелртчелоит
лнотирьет:вытд(ных пчр^]нлч-№ Хн—> и допустимых датиоззеярих измеяения можнопредставитьмножеством
/ = {Х|{ X}- (10)
До начала эксплуатации (при наработке t = 0) множество (10) представляет характеристику атрибута объекта, котарлю поинято нааывкть раблтолпоообноктою - состоянием объекас, в ноооцтй он ппособон обшалроть треХуечые фуакцбн. Очбвнднт, .ото с; оячооом оаработки пнл 10 > 0 рбКооиспособность оКлотоа то аоожна иоменятост, потооме в процаост онсилуатации мзожестео (10) ппичимиет вид, зависимый оп некаботко:
Мх]^! ((1)
Множестто (ОС) можне чурця доиа^нт:и:1>е;а:ю обтаете значвний выходных параме-
п^ооо т Ох
= сдхлд}. -онс
Множества (11) или (°2) ее;Т1> их что иное, как хщоакеористити претодяоцих сосоояоищ оби>-окав. т.е. эостедовэтнлено хментемые состояния сиптпоирдвующит иомебепео о^буемых фВооций f во времеолопря иги Дункциооировании - выполнения в объеяте (систбмеЯпроцес-са (процессов), соответствующего (стотвятствующих) цидонняну алгонитму и (или) пщояс-ление объектом заданных свойств (согласноощэеделению ае;]р](1 ина «функдионипавднио»по ГОСТ 22487-77). С учетом (12) требуемыефудкиии f мсжтр риссмдгриоааь так выполнение объектом своего служебного натнбчщото с вы хедными параматрамб .Ху (д) мотяуые не оыоодят за пределы допустимай оУбЩ-ти Д. Как известно (в соответствии с ГОСТ Р ИСО 9000-2015), процесс является совокупностью взаимосвязанных и (или) взаимодействующих видов деятель- 866 -
ности, использующих входы для, получения намеченнаго резулътата.Чжжмобщком, в процес-лч феднщионирования значения выходных параметров Хн (*:) оУесоовленырезультатом входных (внешних) воздействий :
^До]*^^]. (13)
Дещязимзое дпнпанхно1 изхонений выходных параметров всегда отражают по форме внешние виздейстния IВ и устанавливаются исходя из их предельных величин, но не во всех случаях строго соответствуют им. Это обусловливается неочевидными проявлениями поведения объ-ектоввИлизй границдиапазонов входных воздействий [V}, ^¿], например в случаях резонанса, флаттера, автоколебаний, последствий технологической наследственности и прочих явлений, которые обусловлены взаимным влиянием друг на друга режимов и условий эксплуатации. Для определения случаев, влияющих на ограничения или потерю работоспособности объектов при неблагоприятных сочетаниях режимов и условий эксплуатации, необходимо иметь деталь-ноепредставлениеосутиэтихпонятий.
Дефиниции «режим» и «условия» имеют близкие, но различные по смыслу значения. Под режимом эксплуатации можно понимать условия, которые присущи техническому объекту ьнезависимо от того, наблюдаются какие-либо внешние воздействия или эти воздействия отсутствуют. В то же время согласно ГОСТ 26883-86 под внешними воздействующими факторами понимается совокупное воздействие явлений, процессов или среды, внешних по отношению к изделию или его составным частям, которые вызывают или могут вызвать ограничение или потерю работоспособного состояния изделия в процессе эксплуатации. Таким образом, при функционировании следует различать внутренние условия, присущие объекту (локализованные в нем), и внешние условия, навязанные окружающими средой по границам интерфейсов.
Внутренние условия соответствуют исключительно режимам эксплуатации исследуемого объекта и являются следствием воздействия на него, как правило, антропогенных факторов до начала эксплуатации. Эти факторы порождаются людьми при проектировании, конструировании, выборе и использовании технологий, изготовлении, технической приемке и приемочных испытаниях; к их числу относятся, например, алгоритмы функционирования, структура и конструкция технического объекта, процедуры сборки, настройки и регулировки механизмов, состояние объекта после изготовления, факторы технологической наследственности и т.п. По всей видимости, именно совокупность внутренних условий (установленный порядок функционирования и конструкторско-технологическая наследственность) в общей теории надежности механических систем В.В. Болотина следует понимать под «пространством качества», которое включает свойства, присущие системе, заданные технологические, эксплуатационные и прочие требования [5].
Внешние условия соответствуют совокупному действию режимов эксплуатации внешних технических объектов (техногенным факторам) и факторов природной среды относительно интерфейсов исследуемого объекта. Если исходить из аналогий, то совокупность внешних режимов и условий эксплуатации на границах интерфейсов В.В. Болотин определяет как «пространство входных параметров», понимая под этим факторы внешней среды.
Приведенное понимание режимов и условий позволяет рассматривать, например, ракету-носитель с выводимым КА как техническую систему, в которой на космический аппарат дей-
ствуютвнешние воздействиясостороныракеты-носителяивнешней природной среды, например, в виде акустических волн, генерируемых обшивкой головного обтекателя в набегающем воздушном потоке, и это воздействие сочетается с режимами эксплуатации самого аппарата, например с частотами собственных колебаний его элементов конструкции, вызывая ограни-човиянаеыытеныо птавметрывибрниводностииз-ее еетонансов. Если рассматривать только фуркцяониттваноркосмичесдавоаппырита, то прыаецтницежимов и условий его эксплуатации могут служрть следующре явления:
• режимы (внутренние условия) - это ударные нагрузки при срабатывании пиротехнических устройств замков зачековки, процессы развертывания складных конструкций, вкркрее дррамрческре вцл фитыяцин и ытаочем положении, тепловыделение рррборои, жесткемеь конструкции (итытота собкевеярых колебаний);
с оркшниeyелeтияцЭтoвиЯаaрик тыонтрых дрлятткJIeй (режим их работы), динамиче-cкизвoздeИcвриаоpePялPстаepacцeпки сыупенейрскеты-носителя (режимы переходных процессов), ударные нагрузки при отделении от ракеты-носителя (режимы отделения), действие факторов космического пространства (природная среда космоса) после сброса головного обтекателя и пр.
Прр скcIIPтaтaцpивRyтpeRRвоиоReшRpeоcлoхрвиaкладываются друг на друга, уси-зитвя иеи осовтидя срцдрыIX воздействия V; в соответствии с физическими законами природы, что приводит к ограничениям на выполнение объектом требуемых функций, например:
• суммирование предварительно-напряженного состояния элементов конструкции с напряженно-деформированным состоянием от внешних нагрузок (в соответствии с принципом суперпозиции) приводит к снижению несущей способность конструкции;
• геометрическая нестабильность углепластиковых конструкций из-за технологической наследственности при совместном действии тепловых и радиационных потоков космического пространства приводит с течением времени к снижению точности орбитального позиционированиярабочихповерхностей конструкций;
• механическая вибрация при работе ракетных двигателей в сочетании с вибрационными перемещениями (подвижностью под действием вибрации номинально неподвижных деталей машин) приводит к самоотвинчиванию (ослаблению затяжки) резьбовых соединений;
• возрастание внутреннего давления в герметичных емкостях при падении внешнего давления и увеличении температуры окружающей среды приводит к снижению несущей способности силовой конструкции емкости и уменьшению ее ресурса по герметичности;
• при раскрытии складных конструкций в зависимости от аномально низкой или высокой температуры внешней среды резко меняются физико-механические свойства материалов конструкций, что приводит к существенным изменениям сопротивления движению в шарнирах, в результате может снизиться несущая способность конструкции (при малом сопротивлении вследствие высокой температуры) либо надежность раскрытия (при большом сопротивлении вследствие низкой температуры).
Таким оПЗриьом, пли птоаноелвеии допустимых границ выходных параметров .Н1 (И), о£>у-аловдиедющих тлшоннонио фуноций /, нвобнотима олссмаерихпть взоимодеаствие
внутренних и анешндн омлоанй в редультате пнодндах воздействий Об пнторее определяются режимам и н уаловиями эусп луотоцим т пртих нахожкаии. Д ля доационарнезх соохас тиче ских п пнплссов ринамаятн ые и моксим альныит мегинтитге^^с; эф^т™ на оходные воздействия можно вофтзите т следующем тиде:
М = а =н а^тту ^(т) ел еш (тл) п но(«4 (14)
р = в = аг§тахт Л }т) <а Рф (т) = 1} (р^ ^
ее ычдтом оыражений (М)-]^) сооаоонгение [13) можно запиутть как
[хуДи] = [03^], (16)
прт нтоы рые Иункции НО с удеомм еежимит и ]смлеж^гив! лкаплуатации пренимают вид
и,соооеетотвтнно, облесте дощхетимын счоченийвыходных пщэаювтров Е)х (12)
Н^рад^^ТО^ }. (18)
Сселнсно прлдитавленпоН еобяосйноо модели надежность (И) оуеетом (14)р-(18) пяжно еылазить сленующим образом:
Ю1 т (Х^ал.Т, П. (19)
Мт^тнь ли): петые целе6 )оазнотепных оимдлиентжн Дле опрвделенея пе^дно выеодных пыратетнат ((¿Оо) о оырпжепилд (17)и(1Д]) испольенют модтль лдиннтва целей разнтхипеых эте-моено в рри функцронинод анаи оНпердов. Кок госоесвео, любоЛ о алжный т^рс]ди^1ф(нс объект со-суоот из ризяиндеео по пуиаотл (принциол дейесодя) оомпо тентов (алементов, уллов, полсистом, систем, технологий, сырья различного происхождения, алгоритмов, программных компонентов и т.д.), которые реализуются одновременно при достижении цели своего служебного назначения. Если каждый из компонентов может применяться отдельно (независимо), а одновременное нп инеолосоооние тт едаимодейемвие лц сыоыооетоооез но оСщой пфичтыны, то ноделв Луидщю-нлртвания иаоогв оЛиикта мотиот быте преисовмлена воктир-стооОиом весаодтых илоометрот Xг нритилдыл элемеитов,модопыоыфма и оначсиий аыеырыд спос тфны выоетль отказ объ-
ектапособственнойпричине,присущейприродесоответствующегофизическогоявления,
М:фб;][)а:(ЛРГ)^т^^Г^Илбз)В1а))^;)...1^) (20)
где М, О Т 1лТ(:, 1/В], ТиВВТ;,,,:а - соответственно, вещественные, пространственные, временные, тепловые, электрические, механические и иные выходные параметры критичных элементов технического объекта, место которых обозначено многоточием.
Таким образом, вектор-столбец (20) - представление технического объекта с позиций выходных параметров его критичных элементов, каждый из которых может иметь различную природуфизическихявлений.
Модель фиктивных элементное. Если одни и те же критичные элементы в процессе функ-циони|)0)вония могут 0gH0^paiMeieiE0 иле последовательно находиться ч наылиЕосоЕ прнеельнын э^ссеояо^иа^х: (н^пя)иь^оо, поЕсонйчивясти, пречноЕтьп ус ловиям оаищсствлениь яао^ЭЕЮП^и чес ктй подвижтоети, ^онсц^э'ктиахно-вп'э^упеюлсл^ичнгыеиэ^ 0:1:'С)^н^чениямит^п.Х1^е^0б;^0Д]^ь^0Е^сшльз0-фиктивныхялементо
Фикоивным тсеьл!>ш:1бэьеьо{;нь', ыоосмотривоемый лтшт в сдннмиз
лтеющтй ншпькдинстд с^с^с^-^с^с^^СЯ^сли иса;ьдо^ее»лвФв:Фао1^баЕ^меть и другой оод ооэсяеоо> тэ вводес-о щ^тш Х)икяллньвео элЕмчнн, нуавдящижн в другов п^дель-ном состоянии.Число фиктивных илечениов соотвнтсеоуеп щлереЕтнеш еооовэн-ьиньч!, езионЕш рыв мпиел нвхсдиться рлеллный эл^тю1зьг ефи еереееде его из лдаооп сиосиоояния из у^сое. Предо стаоллние реального енЕмента iviopíhct e(biTii нведене к виду
{ВС,-} = {Xc,Xf, ....Xj1)- Vh = (¡ñCO j = сошТ б Г^, (21)
где h - числопредельныхсостояний,вкоторых можто неаддпсержпйй критичный элемент.
Фиктивные элементы (21),которые мо^т ианодатьйл в разных предельных состояниях, двяжныфепъ ычтедэд паисоетавиенис вероог>-сьялбця(ЭОЬ и впртмотоеиы илрансе и рлпльня1-ми эисмьдоеми, кьсярою нбзвдяоси ли1ет1> в оаеном приденкном с«^с;тоя^ии. (X с;ч«^т'оее (б0)-(К)) лснтор-столбец сэсходвыч тсрат[еР1)а^ Хр кртсныноктиементбе можно предсолсигь в еВи бщен-номлдде:
пощ н( (00!, ое2.....eo¿)T v¿ нь ЗйГ). (22)
Вектор-столбец (22) характепитевт функциональность оеъектл, котттсая согласно ГОСТ 28806-90 (применительно к техническим объектам) понимается как совокупность свойств, определяемых наличием и конкретными особенностямц набора функций, способных удовлетворять заданныеилипт^азумесяемые пбтребпоьти.
Для выполнения требуемыхфускцай / должнабыбьоббвпвчвна ввзможность кавкдомй из параметров функционирования кцитичных элементах в (2Х) нойбдиаиня т нопуститом диапазоне, соответствующем предельно0° востоянию, выдтненноив ib выботах (2, 3]. СО уэттом(16) предельныесостояния критичныхэлементовопределяютсяформулой
_ (Ит о a¿
^^^реи, - = (Пи' (23)
Паедельнытя значения векодтыи паавметсои . квыахдуовх элемвнтоь (2 3) ньходятв по мощью модблбй етказов, иенользвющое раеличныые схвме1 соотношений входев-сыивылх процессов, максимаахнйсохскетсхсующиа представлениям и знаниям о физических законах функционирования объекта.
Модели отказов. Схема «параметр-допуск» описывает универсальную физическую модель отказов,догдаслучавлыеизменвння выходлых птрометрав мокуп (Зыоь охдавиывлы за-двлным деустсдоннам додуском X¿ Е [a¿ , p¿ ]. В зсом сл^ае отказ апределееэся па формуле
vx¡ = [(К[ < СХ[) \/ (К0[ > р[)].
При использовании модели отказов по схеме «параметр-допуск» между собой соотносят параметры с одинаковой размерностью величин, которые могут быть измерены и рассчитаны
на основе физических законов природы. Выполнение требуемых функций при функционировании ио созме«параметр-допуси» оееспечиваесся п сл^еае, ер-и
ъ <Xi(f) < в. (24)
Неравеиство (24) ^o^hío тоосн вырелсть v есз°ттмнрарн рдде наноортрльнт реоулттата оходнсго восдтИлтвиу V¿ на ыыхорн пооцесса еак ваооякноонк och^rie^ícc^T'if.^^H]?!^ >иЕС(е.ткапг^ег:ь:^ого события j0¿ и
Р;=Р[[<ВД<вД (25)
Есон выход ннй тарвмьвр X¿ .всстмадривалтcon it дтохастичеокой павтвиооке, кигдт1 значения ллуыхйоыу ткддчио среапируютая пн сщнелюстнуамтт у^гае^оон^и0 рилдзд нарфолее ясроятных ei нотнысноон зр сргмрни саоитид с пхооностью ]В>аопридиеенуя фС напримоу os сл^'ча^ нор-оильноно аеспррддиееит CC"^.ac^ca, усонтнноет n nay о едррон, то сыаысие ние бнжеуксианоти nj-и Вухкцчонирнувнац (НТр Уудет иметь еид
P = Пкн) + Р(Ув) -1 СМ
здеса Гн = (тх. - со)/^; Yb = (ßi - Сх^Мс
F(yH)), FP}— е- табулыротаыные роницкс аормллтниас цпопдеееннния; =x., Sx. о матемаьио чрссое ожидание ic среднееквадратическоеотклонение иарамет]х оО..
Физический смысл установления границ изменения выходных парамитрав X¿ в стохасти-че с кой постановке заключается в разнесении математических ожиданий этих параметров с па-ртмктрпмивходаых воздействие на веаичин^ибисптчивающую достижение требуемой надеж-воити. Усвитнси плотносми ртещзвдулоноя ксц]::0Ь^Г4"^^ можно рассматривать как область пересечения плотностей распределения входных и выходных параметров, площадь которой стремится к ничтожно малой величине (близкой к нулю). В детерминированной постановке это достигается установлением соответствующих значений коэффициентов fca. = !«/оз и Bß. = ßj/l/, что следует из соотношений (14)-(15) при сужении области допустимых значений выходных пара-метроВ1 В прочностл такнесвэффициенты известны как коэффициенты безопасности и запасы прочности.
С ревеом дваеторонреоо дорвскт на воцоятностьдостиженее выооднып параметров (один из которых по определению равен единице) выражения(25)-(26) можнопредставитьввиде
Рс < Pi < 0. (27)
Чаще всего модель отказов по схеме «параметр-допуск» на практике есть смысл рассматривать как частный случай модели отказов по схеме «нагрузка-сопротивление», предпола-нгая, что двойное неравенство (24) может распадаться на односторонние неравенства, например, если нижняя и верхняя границы выходного параметра определяются разными по своей сути физическими явлениями. Так при развороте однозвенной штанги КА нижняя граница движущего момента на приводе находятся сопротивлением повороту штанги (надежностью раскрытия), а верхняя - прочностью штанги в момент фиксации в рабочем положении (когда избыточная кинетическая энергия движущейся штанги переходит в потенциальную энергию ее деформации). В первом случае под нагрузкой понимаем момент сил сопротивления пово-
роту,о под сопротивлением -двиз^сций момент на пртводе. Во втором случае под нагрузкой понимаем двин^щий мвмент по приводо» а иод сопротивлднием - прочнтстынтанги на изгиб.
Безотказеое функдионировеиии по соаме «нагреКзи^а-тИ0^и0дт1бл^]н^е» обеспзоиваетсо о соучао, едлоо
^ПО С> с^ (28)
Неравенстдо (с8) поаиолоеиис(р5) можно такжеветрарнепв безразмерном виде:
= РХОО ><«н]. ге»
^с^лпи выходно Л п^иггазмлгт'»? Х] сосемстуиваетоя в утохаоеичеокой хосиововке приноумаль-номраспределенииГаусса усеченном слева,то выражение(29)таково:
Рс = Пко). (30)
С учотом дауосодоонего допуокз уа теротоеоопт тостиженда оыотдных параметров вы( раекения (29)е-(ИС)мзжно предгтавчть I! свое (27).
Вслуччях, хогда ноовоможно одредодизо усзихсооис параметщео, пхиеокящие к отказам, из-со ноочеввановть щуиспнни-ооедооеепныл взачмосвяоев пуно^^ссоуз, который щюисходчт пеи функционировании внутри системы, применяют моделе отказсв по гземе «нгнныл тща:».
Бееанеазное В>Лнсо,:Ц1вориу^в;в]т:е^ по ехемт «черный ящик» ^ь.1]оапва^е:'с;с[ итковечииельнвв бозоаомтаном видо, сса^»^ 1в;са]]]озлтноссе :ь совершения неучойнек с;о(5а>1тие»:, теовгоии^-н тожетизме-рсться числом ос« 0 до 1. Прехем с уоеоом зтмелабим щпадоденнпо в нОСТ Р теуа9ке-2000, данное чисоо можсо ттрежатз лао отиосательную чсстст, а! ур-аи яобоюдеоий, тао ве соппояь лверанносто в том, что неквтороа соЛотгио отонеоПдст. Фектидесаое значение вероотесеаиеот вершрния зобы,ео1н всегда ммнише едиви.с«. Н,лет пелучения приемв«моге зфоднхладежности испольсиюо ыгзогтидоанииг (сиревтфное ивд руокещооальноИ) мытни^ты инемендов.
Надежность ип ритме «нанним ящик» еиродевяюп отнссызельно вхашс«изгс» создеНоосин У наи ресулттат наЗлюдени0 с еодоятноттыа оеоп»оаттлсноу еЕсел7^т»^ле>:хс:Е>1е) еоаодов случайных ео(аыти0 Р;. Вычиоченив лорояенооти Р[ моткет быеь доумятпесобпмл^зависи-
мвеои «а1, пеипод ьт ртнееЛпых велирон:
1) еоывп случайной теличинсд .лввлеЕвеоюгсос^ псудсйные тгбеезит, напримз« ертбавывания устройстваднократпого чтамененая (пирооек], то оироятноотвсобытий определяют по формуле
/о * п/ЛД (31)
где ог -числонеотказавшихэлементос; а -числоэлементов,поставленныхна эксперимент;
2) ести случайной величиной являетия случайный процесс, который опрвделяется вре-месем дн взкадо 0» ибщет ^«зиугчзю; - наовНавовт до дткавзС, ■но теаоеонотаь еобытий лнходят по фироуие
) = I ф0н) сЛт, (32)
, = | ф0н) <¿10,
г
где; ср(0 - плотность распределениявременидо отказаза время Д
С учетом двустороннего допуска на вероятность достижения выходных параметров выражения (31)-(32) можно представить в виде (27).
При возникновении случайных событий спорадического характера в виде неучтенных (непредвиденных) воздействий (чаще всего антропогенного характера) применяют модель отказов по схеме «события-проверки». Например, неустановка стопорения резьбового соединения -это событие, которое при вибрациях, вызванных работой двигателей ракеты-носителя, может привести к самоотвинчиванию крепежных гаек и возникновению отказов механизмов КА: разрушению резьбового соединения или к нарушению регулировок механизма и вследствие этого к нештатному срабатыванию (раскрытию под головным обтекателем) или несрабатыванию при штатном раскрытии.Предупреждение отказов (событий) в приведен ном примере обусловливается только осущевтваенпом тоитволн (проверок) соответствующих мест стопорения резьбовых соединений. Типичные примеры причин отказовпо схеме «события-проверки» -зацепление раскрывающихся элементов за смежные коеструкции, пспаеаоие в механизмы раскрытия посторонних иездмытов (киея), ариСеке нерушения етхнологии зловедения сборочных ртПоп и т.п.
Иевствазное Оконовионоровбнид по схеме «вчСытияапповдрни» можетбы-о вы»ажено в Снзесоурьевыч виде с памонеою Нуовдие, выданный ес двдроиемсисноп ысножеетве СО, 10 ib при-иимающеьр ониаиние и том жн мыюжсопво (свмволрм 0 нВозовчавося мостови высме-иканио, а символом i - адтидхсс). Модель отсаеео по сиемс ««собеиеия-пронерки» онражоет принывд ыпо-рецкпностд предвесс^ние ообыелв, njcai э«за ывеоеа пы предухеежмлсиюотзялое пороаеяюо-сяметодам апгебвы ловоеие!. Длп отяноия»«! оокв«ло ев яхеме «событня-ыфоверки» иссельзуауря ввцоажи нио
Пфименяя модель единства целей разнотипных компонентов (20) с учетом моделей фиктивныхэлементов(21) и ранличные схимы опказов в завиримости от пйолэтнвлннив <с физической природе явлений (24)-(33), происходящ их при выполнен и и тр ебуемых функ-ци^, можно постьоить область до пустимых знтчений выходных параметров Dx (18). Эта область безедзлочным ибрааок кожес соиоонол из выхлдоых псраметфоо o лиде фхтичо-скиителичтн Xi(t) с зомнектми икмонения [с^, ре (й40 к (28) ине ÔBTjuaTiei^jrnEbex; зогласоаан-ных пвиеааееэеэ в вире ввроятноотоо собднтис Pi с границами нзмеяэони Ц l] (25)-(26) и (29)-(32),либо[1, 1] - в случаесозданияусловийдля выполденея требремых Мункцийпри сшвфад-чтои щтоявлонии откоеот (о«). Отсюда следуен, что феьрчтсапо модали оаказов (схемы «<пт8ояотр-уопцсо» б «н8груззс-сопротитлонис»Т могут быть сведеиы к стооаохи-четитае -то^^талчоло откосд з (сномвь «черный ттцик» и «события-проиерти»), а дтохаооичеепие модели овкиоша, с вооее оорредо, - о ритечеатин молелв« етвазоо прт ^^л^^е^о получения необходимых и достаточных знаний об основах физических процессов при выполнении требуемых функций.
МоЛтмь paoooma оад»жностР) С с8кном Т9)-(3.) обоест8 дэпусаимых значе«ии вркоднрк параметров Dx (0183 чХразиоанк щюкфоистном вынодных иораметрох ааекже пространствами катеслта и оханвых rneaDOopo м в сзде <п и Р;. Очевидно, что переход выходных параметров
1 событие, способное вызвать отказ, не произошло, .0 событие, способное вызвать отказ, произошло.
(33)
- РбЗ -
за пределыграниц области их дощ^стимых значений приводит к отказу, отсюдаследуетформу-ла чадежности,изовстнад и з рабоды[С]:
Формула (34) является детализированным отображением представления о надежности (9) и (19), пригоднойдля получения ее количественной оценки. Причем! если область допусти-мыхзначений Ох образована выходными параметрами, приведенными к согласованному безразмерному виду, который определяется вероятностью совершения требуемыхсобытий при функционировании,тограницыэтойобласти могутбыть сведенык интервалу Ох Е [0,1]. Тог-дапди еоследсеттельномэйндинепиигритичных экгмайоге(2Г),нсли онингзависимы в смысле дадежности,вместо(34)можноиспользоватьширокоизвестнуюформулу
Обобщенная параметрическая модель функционирования. Из рассмотренных моделей вытекает обобщенная параметрическая модель функционирования технических объектов, позволяющая представить выходные характеристики в виде:
• функциональности (совокупности свойств, определяемых наличием и набором возможностей выполнять требуемые функции) с учетом моделей единства целей разнотипных компонентовификтивныхэлементов ввиде(22);
• работоспособности (состояния, в котором объект способен выполнять требуемые функции) с учетом понятийной модели в виде (18);
• надежности (свойства сохранять во времени выполнение требуемых функций в заданных режимах и условиях эксплуатации) с учетом модели расчета надежности в виде (34) или (35) - в случае представления параметров в согласованном безразмерном виде черезвероятностисовершения требуемыхсобытийпри функционировании.
Реализация обобщенной параметрической модели функционирования на практике осуществляется с помощью методики КТАН, состоящей из последовательного набора методов анализа и оценки надежности, которые используют непосредственно при проектировании или конструировании. Применение кТАН позволяет производить обоснование конструкторских решенийсучетом заданнойнадежности.
Метод построения параметрической модели функционирования. Декомпозиция. Анализ надежности механических устройств раскрытия начинается с разбивки конструкции на йконечное число составных частей методом декомпозиции так, чтобы каждая из составных частей подчинялась выполнению только одной из функциональных задач в рамках обеспечения раскрытия.
Цель декомпозиции - расчленить конструкцию механических устройств на конструктивные узлы, простейшие механизмы, функциональные группы и интерфейсы до уровня элементов, в которых реализуется режим точки единичного отказа. каждый из таких элементов является потенциально критичным, если в нем не предусмотрена требуемая степень структурного или функционального резервирования. Например, пироузел следует декомпозировать до уровня отдельных пирочек и электрического интерфейса между пирочекой и бортовым комплексом
ЯД = Р{Щт(0 6 Dx-, te[0,tK]}„
(34)
(35)
управления КА. Для механизма однозвенной поворотной штанги одной из точек единичного отказа является шарнирный узел (ШУ) поворота, место в конструкции штанги, где не предусматривается резервирования.
Анализ потенциальных отказов. Для каждой точки единичного отказа производится вербальное описание конструктивных элементов, характеризующих выполнение ими функций, которые соответствуют служебному назначению при изменении событий и смене состояний конструкции и механизмов в течение жизненного цикла. Например, ШУ поворотного механизма штанги в сложенном и рабочем положениях обеспечивает выполнение условий прочности, а при раскрытии - условий ее перемещения из сложенного положения в рабочее.
Далее выполняется вербальное описание отказов как гипотетических ситуаций, препятствующих выполнению рассматриваемых функций. Например, отказами ШУ могут быть структурное разрушение конструкционного материала или невозможность совершения относительных поворотов.
Анализ худшего сочетания факторов. Данный анализ по принципам проведения близок к широко используемому анализу худшего случая [6], который предназначен для исследования поведения объекта в наихудших условиях работы. Однако цель анализа худшего сочетания факторов заключается не в количественной оценке изменения значений выходных параметров объекта исследования, а в установлении комбинаций факторов худших входных воздействий (внешних режимов и условий) и режимов эксплуатации объекта (внутренних факторов), способных привести к отказам критичных элементов (нарушению выходных характеристик). Определение худших комбинаций производится как вербальное описание и служит исходными данными для выявления потенциальных причин отказов. В некоторых случаях худшим случаем может оказаться всего один воздействующий фактор, например внешняя нагрузка (квазистатическая, вибрационная, ударная, динамическая), или же комбинация факторов, когда к внешней нагрузке могут быть добавлены режимы эксплуатации объекта (например, статическая нагрузка, определяемая условиями выполнения сборочно-монтажных операций) и внешние (например, тепловые, электромагнитные) воздействия.
В частности, разрушение ШУ может быть вызвано сочетанием максимальной нагрузки и минимальной возможности конструктивного элемента сопротивляться ей (неудачный выбор конструкционного материала и/или назначение геометрических размеров и допусков поперечного сечения); а невозможность совершения относительных поворотов в шарнире поворотной конструкции может быть вызвана сразу несколькими различными причинами:
• запрессовкой шарнира как результата худшего сочетания радиальных зазоров после изготовления, толщины твердой смазки, механических нарушений условий трибосопря-жения и теплового воздействия внешней среды;
• заклиниванием из-за худшего сочетания осевых зазоров и тепловых перемещений элементов конструкции;
• торможением из-за худшего сочетания движущего момента на приводе и моментов сил сопротивления в шарнире при аномально низкой температуре;
• невключением привода раскрытия из-за отказа вследствие, например, производственного брака комплектующих его деталей и сборочных единиц;
• зацеплением поворотной конструкции из-за ошибок проектирования, в результате которых на пути движения неожиданно возникает какое-либо препятствие.
Парирование возможных причин отказов. Знание потенциальных причин отказов позволяет определить условия, которые способны сделать выявленные причины отказов невозможными. Поиск таких условий производится методом отрицательных суждений (антитезисов). Логическая схема анализа построена на том, что в качестве исходного используется предвзятое суждение, основанное на том, что отказ какого-либо критичного элемента уже «произошел». Если при конструировании предприняты и документально подтверждены необходимые и достаточные меры, которые позволяют устранить причину возможного отказа, то это служит доказательством того, что означенное отрицательное суждение ложно и, следовательно, условие безотказности обеспечено. Под условием безотказности понимается свойство конкретного критичного элемента, делающее причину отказа невозможной.
Таким образом, любая возможная причина отказа может парироваться приданием критичным элементам строго определенных свойств, которые должны быть реализованы в конструкторской документации и осуществлены при изготовлении.
Например, для парирования отказов ШУ поворотной конструкции необходимо:
• обеспечить необходимую несущую способность шарнира, исключающую отказы по условиям прочности;
• установить значения радиальных зазоров в шарнире, которые при худших сочетаниях толщины смазки, возможных механических нарушениях трибосопряжений и тепловых воздействиях не вызывают запрессовки шарнира;
• установить осевые зазоры в шарнире больше, чем возможные относительные тепловые деформации конструкции в заданных условиях внешних тепловых воздействий;
• создать требуемый запас движущего момента на приводе, который обеспечивает устой-чивоедвижениес заданнымипараметрамираскрытия;
• выбравь привод с требуемой вееоятноитью включения;
• доказать, час посоротная консррукция имеет траекторию движения, свободнуюотза-цеплений за смежные конструкции или с учетом неконтролируемых положений нежестких конструктивных элементов в невесомости.
Выволнтниепроце^ры пяридтвивлв возможныхпричинотказов позволяет составить вчктер-сеолбец (иа) етиоднынх пчрнамттров, которые довжны бопть ьризлщд монструкцим, чтя-бы искл-отите прпкишы пктипцисквныт оиоабоб. Двя ШУ чткоеотатД шбаивя зд^в:чо]:>^овРоз1Ь5о:ц ввномхитов, хрраиччривующвх сжро^^Ввв^пстктт'жп» ]в:е>1]тоеп:е1лттг]ь зтеткоые Оунпщец выглядит снсдую-щин обмазан:
и = (г, До, мда< /в!,0, о*): з[ -л
где Т - несущая способность шарнира; Д0 - радиальный зазор I! шарнире; Л8к - осевой зазор в шарнире; Мдв - движущий момцьт ц шарнире; б^ - надежность чключепия привода; (¡^ - веро-ятностьзацепленияповоротнойконструкции.
Чтобы обеспечить работоспособность шарнира, значения параметров, составляющих вектор-столбец (36), должны изменять свои значения в границах своих допустимых значений.
Для определения допустимых границ выходных параметров необходимо на основании моде-лейотказов(24)-(33) построить параметрическую модель исследуемого объекта.
Параметризация. Поскольиу пацтметры ЗЗТЗ выражают свойства объ-
екта, ихзнаоения оеяеделкюозя отношениими внутри объькта 44ежимами) с внешними объектами ]или (онсзтние режимы je озловвз). Про иотм етношения объектов (свойств) еоъь оезалетмг взаимояасположения,взяомтс вязейивзаимодейс твия как внутри объекта, так ивне пго [2].Вчастности, параметры вектор-столбца (36) могут определяться следующими отношениями:
• Т т взаимодействием шарнира свнешнимиобъектами исредой посредством нагрузок;
• Д0 - зкаиморасположениам ocxi и проушпиы шсинира в радиальном направлении, их взаимосвязичернз тлер^ас слозиу а нзаимодействием с внешней средой при тепловом воздействием среды или орипоиадасти а ни-иальный зазор абразивных частиц из окружающой ьреоы;
• .¿ls0 -о азаиморпсполвнением оси и проушины шарнира в осавом направлении и в-аимо-дяйтттием с вняшнуо средой при тепловат воздействии;
с Мде д взаимостазыт с; сощютисльноем я шатмиры и езаимодействием с температурой внешнейсреды,приводящейкувеличениюсопротивления;
• Rcl~ :^Зс!.имос;вярезерви-ующиоэлементов в приводе;
• Qsp - взадморасположением поворотноо кооатрузцци с внешними объектааи.
Отнтвсиинв соойоов (0т(5'ье:к:т^в;) могус -тйзьнпч:» вы°ажсно1 чсрсс Оизячесоис иаиииднаа ли(во
рброятнестнош покаяатзлн п заиисимтсхш от р-онсгаТ пеимы тнццессов, моцелируммциа от-лноот. ВСодоль оъкнеов но схемр зннаерупка-соарзтнслепие» езтляообрвзнв прииажять, если аущестерет визмзжности иаиооьзоваеа по«ометры, приводсщих котысазам, истодые могут богвь пвлучены инт«м нрвтедетия прзмых измлиений или вычислений. Исходя из этого схема «наьрузка-соеретиозение» врнменоемот дии опряоележия параметров Т, Д0, и Мдв. Модель отказпс iao свемп зжиивтый ящио»> исконъеуетвр согда, ко ада винъаможис, слождо или нецелесо-обртзне С5:п:jreoopcts;лаа^нги::. пирамапры, с|[;р:и»(1(е,1];ящие ти зззичо^йтгзм, нащсимпо олепзкнърс, паетупившего нн сИерги isairc иодррноИ извн( ]ра(:)0)гос;по)е;об]]и<]^с^)сь мояесс^с бемв маепрна оироятностнош поквза-TTCCJJJJIVB о гиркниир^мосы посзаощикомЗ Моделе онктзои ao схеме «со бытис-проаевкивцеае-сорбразно п]т:1з^1ал<г:н>^т^, оасеввткте.а откизие ]согуаОытт рснлюченыпузем озоаятиямер, делающих их тнвеаможныни, азпример^реткышв все возможные причины зацеплений, можно утверждать, чатоа (Я -ы р.
Мекет терелзМ] иыражрние (1Нр -за опипяния обласст дрпусеимын сноиении жыоздныо согитнерзл ноеъоттаоИ зляарси :fhi:c:^ü]c^ok Тасет зоиинано едедующгм обрезом)
/Ре- =
• row До >°
> д/
мдв > ма
й — Rlim Qst -»О
(37)
где Л/ - внешняя нагрузка на шарнир; Д - тепловые деформации конструкции вдольоси шарнира; Мс - момест слпрлтпвеесия в шарсире; тцт -заданнаянадежностьпривода.
- 8е7-
Составление множества (18), которое с учетом рассматриваемого примера может принять вид (37), завершает процесс параметризации (параметрического моделирования) функционирования механического устройства раскрытия.
Проведение инженерного анализа надежности и составление зависимостей (36)-(37) позволяет выбрать все необходимые и достаточные параметры, влияющие на надежность функционирования, что делает возможной оценку надежности и создает условия для смягчения или исключения отказов.
Метод оценки теоретической надежности по проектным параметрам изделия. Расчет надежности покаждому изпараметров, обетпечивающихтребуечые функции, можно проводить обычными методами расчета по детерминированным или случайным величинам. При ретердинированных расчетах надежности неопределенность параметров согласно схеме «нагрускалсвчротиьление» предстаоляемая интервалом с велхнвй и нижнее гренииами, с при весчетах по сетучайоым теливинам - в вида функрии »»сжредананит снтучьммым величие или процвссбв.
Для расчетов надежности механгчиского уртройсева раскрыеия,когда отказы не допу-скакчгся,расчетыиадежности целеснобрасно проводить детерминированнымиметодами, в результате чего л учееам (37)
И = Ц(т >
Л2 = Р(ДЦ > 0));
п3 = РРА5ц>й}, ез8)
и = ярок >
14$ = 1 - Л1 - ости1; И = 1 - Ос-
Каждур из составляющих ововвняющчхкераоненрчесввсчадежности (38) опредулаетсям учпломобесиочонпо консброкчивных ;^н^г^кеов:
ерезсолпроемнеем ероео /?-!> нрттносги с)г]эссетк°у°):^оео дублиооиания до выполнении рсловтя Д5 а: Яцт-,
• пр имонениом доммилтаениокаоеффиционтзе бгтоптенссви и -акасев 1в]эс:ч:1лс)с;тез до сии ворнонна рсроеко /Ы = Р (Т/ц > /'Л/);
• назнаненнсд пешазое двимищнх момантов до вызаснения »елтвия /Р]]]] = ДЗ!к >
• н^]аол1^^о^аннвк^к)^ац^ивн^к^ес^кой избыточноети в виде киловыхктемпвфытурных развязок, например до выполнения усаовдя й3 п рПА$т > А?) Щ-тем аосбораконструктив-но1У ачиирнкй, обеопечиоающих сооосошвния хаО)>-а> А/ (если лн ишрниров, об-ррзующихлдинуж оеввращлуик, ндснне имееа едраыпненнйпо перемещению вдоль онн);
• пооунонуим ощсантлрмаанилк рвзольтвиов с оаеьлнзекаоием, например:
- тинимлисных нриттриет те нвшолнения воитрря Л?2; н Я(ЯЯо В 0), когда соответствующие геометрические построения (3D-моделирование) и расчеты сделаны в запас путем мниимизлфив мгкт]ахсо1ыыо е<тзможннго риака;
-в фенторор кижтол»ной подзадогии ды еошолнетия увнолие Цн —> Ы с учетом критического анализа и минимизации последствия ошибок проектирования, способных при-вестикнесанкционированнымсобытиям.
Суммарная надежность с учетом ...Д6 определяется по формуле (35). При соответствующем выбореконструктивных запас ов дляопаеделения проеконо-конструкторских параметров межет быть аосеигнува кааежкеввь шЬр Д = 1. На практике это означает, что конструктор предоставил убедительные доказательства (провел все необходимые и достаточные расчеты и испытания) для обоснования выбора параметров изделия исходя из требований технического заданиянаразработку.
Однако, чтобы достичь предельной надежности на практике, необходимо убедиться, что при изготовлении и эксплуатации не будут совершены ошибки, способные нарушить обоснованность выбранных конструктором параметров, например из-за немотивированной замены конструкционных материалов, действий по умолчанию, нарушения технологий изготовления и т.д. Это становится возможным в том случае, если конструкторская документация, по которой произведена оценка теоретической надежности по проектно-конструкторским параметрам, будет без дополнительных толкований и разъяснений понятна не только лицам, которые непосредственно занимаются изготовлением и техническим контролем на производстве (не имеющим прямого отношения к конструкторскому замыслу), но и третьим лицам (экспертам).
Для реализации предельной надежности по завершению стадии выпуска рабочей конструкторской документации необходимо убедиться, что в ней установлены все необходимые и достаточные требования для обеспечения работоспособности и надежности, которые при изготовлении и эксплуатации должны быть выполнены, и подтверждение их выполнения предусмотрено средствами объективного технического контроля.
Метод анализа соответствия проектных параметров требованиям конструкторской и технологической документации. Данный метод основан на проверке релевантности параметров (38), выявленных в результате параметризации функционирования механического устройства раскрытия, с требованиями конструкторской и технологической документации в состоянии «как она есть».
Проверка релевантности параметров требованиям конструкторской документации проводится путем подтверждения того, что значения каждого из параметров при расчетах теоретической надежности выбраны в соответствие с нормативно-технической документацией, а в конструкторской документации предусмотрены достаточные требования для их подтверждения. Например, если используется конструкционный материал или конструктивное соединение с ненормированными характеристиками прочности, то в конструкторской документации должны быть указаны нормы прочности, включающие требования к назначению коэффициентов безопасности, экспериментальной отработке прочности, контролю и подтверждению прочности на этапах экспериментальной отработки, летной и штатной эксплуатации.
Для каждого параметра, обеспечивающего работоспособность и надежность, в конструкторской документации должны быть установлены требования для их достижения, подтверждения и контроля. Анализ проводят путем сличения контрольного списка параметров, на основании которых были сделаны расчеты надежности (38), с требованиями, которые установлены в конструкторской документации согласно видам документов по ГОСТ 2.102-2013 (чертежах деталей, сборочных чертежах, спецификациях чертежей, технических условиях, расчетах, программах и методиках и т.п.).
Проверка релевантности параметров требованиям технологической документации проводится путем сверки с требованиями конструкторской документации. Каждое из требований конструкторской документации должно быть без искажений и пропусков отражено в технологической документации. Особое внимание следует уделять случаям общей отсылки в чертежах к типовым технологическим процессам, когда там предусмотрены требования по детализации выполнения технологических операций, которые должны быть в обязательном порядке отражены в чертежах. В противном случае технолог может на свое усмотрение трактовать операции типового технологического процесса в технологической документации, полагая, что если конструктор не задал какое-либо из требований, то оно и неважно, тем самым может быть невольно нарушен конструкторский замысел, что способно привести к непредумышленному созданию условий для потенциальных отказов.
По результатам анализа конструкторской и технологической документации производят оценку рисков возникновения отказов вследствие неустановления требований, что может привести к недопустимым производственным дефектам при изготовлении или к отсутствию контроля (ненадлежащему контролю) параметров критичных элементов.
Метод оценки рисков возникновения отказов вследствие неустановления требований в конструкторской и технологической документации. Любое неустановленное требование в конструкторской или технологической документации должно быть оценено исходя из доминирующего вклада в суммарный риск возникновения отказов. Ранжирование рисков производится исходя из оценки значимости вклада того или иного потенциального события в совокупный риск отказов, связанных с неустановлением соответствующих требований. Для количественной оценки значимости рисков могут быть использованы методы, изложенные в ГОСТ Р ИСО 11231-2013 (метод ранжирования рисков) или ГОСТ 27.310-95 (метод балльных оценок критичности отказов).
Практика проведения анализов надежности показывает, что оценка рисков возникновения отказов вследствие неустановления требований в конструкторской и технологической документации является лишь одной из проблем анализа надежности [2]. В действительности, как правило, не проводят параметризацию функционирования механических устройств раскрытия, как следствие, не всегда выполняются расчеты параметров, необходимые для определения полной теоретической надежности (38). В этой связи непроведение расчетов параметров оценивается как неустановление требований в конструкторской документации, что должно быть расценено как невыполнение, ненадлежащее выполнение или отсутствие документального подтверждения свойствкритичныхэлементов,влияющих на надежность. При доом проявление или тнпроявление заданхых сво аств критичных элементоврассматри-ваетсяегр событие.Мемврдностьяантршения каждоно из таких собеахрй Р(С0 определяется формулой
фрем = а^, (39)
где (XI - корректирующий коэффициент, определяемый экспертным путем в зависимости от результатов расчетов теоретическо3 недежипсти и анализа соотведсолря тлхеканыхпараме-тров требованиям конструкторской и технологической докутеетации; Я - расчетная величина вероятности безотказной работыдлякаждого /-говидаотказавформуле(38).
На практике для определения корректирующих коэффициентов с за основу может быть взят метод балльных оценок критичности отоазов по ГОСТ 27.310-95, уотаеавливающий взаимосвязь между ьиаами отказов по вероттнотти ит козникновения т значениям ожидаемой ве-рояянтсти:
уде (bj т ожедкомая вероятнвутв откозо т-ро олементк соглаени шкале балльных оценок критич-нлсти огтряол оо ГОСТ 2В.Т10-ра (ГЛэваяжунде У).
Двя вкчисления аДР с; учетгкм]в-^с;пе1з явзникннввнияотктзяз (39) слтдует применять формулу
Если требованияконструкторской и техмологической документации, необходимые для проявления i-х свойств, определены в полном объеме, то в формуле (35) значения надежности по соответствующему параметру функционировония принимают равными расчетно-экспериментальным значениям. В этом случае считается, что риск отказа из-за отсутствия требований в документации ничтожно яал, тогда Qj к 0, сооэветсэссннт, а^ « 1ив формуле (41) P(Cj) = Ri (этот стуоаУ дополняет ГОС"Г 27.31К-95). Евли условия, необходимые для проявления i-х свойств, определены не в полном объеме, то в формуле (35) значения надеж-носкт по сооиветствующемупйраметру Яункционирования принимают равными расчетно-эксперименеельныш значения м,о мкенчательная оцрнка нидежнмсо и при изводится по формуле (41) суотком (40). Еств влгаислзмия никазваалой Rj но какой-либо причине не проведены, то их зларвлмя о фирнуче ВУЧ) пьмнмктюс условно лкао^тн^сктма ^ т1, а риски отказов в формуле (41) из-тр ]я«т))^01:;^0]Е^;ан^0я;т(ь пяурметров Тпржазателей) учитывают при выборе корректирующих коэффициентов «¿.
Метод оценки надежности с учетом влияния на надежность мероприятий по предупреждению отказов. Если в результате проведения анализа и оценки надежности по формулам (35) или (41) расчетное значение показателя безотказности окажется ниже требуемого значения, необходимо пересмотреть конструкторско-технологические требования надежности с корректировкой границ диапазонов значений показателей или параметров, поменять структурную модель надежности, изменить принятые конструктивные и технологические решения, выполнить недостающие расчеты и т.п. После этого следует провести итерационный анализ надежности с оценкой расчетного значения безотказности вплоть до выполнения заданного условия надежности.
Результаты апробирования технологии. Представленная методика анализа надежности апробирована при разработке механизмов одноразового срабатывания различных типов как для КА, так и для механизмов гидроавтоматики однократного срабатывания технологического оборудования нефтяныхскважин [2].
В результате применения представленного анализа были выявлены конструкторские и технологические ошибки в технической документации; произведена оценка эффективности расчетно-экспериментальной отработки конструкции изделия; определена достаточность
ф; = 1 - <2ь
(40)
(41)
установленных тре бованийвконструкторскойдокументации;выяоленынедопустимыесоче-тания параметров конструкции из-за конструктивных ограничений, условий изготовления и контроля; сделаны выводы об отказоспособности изделий; произведена оценка выполнения заданных требовтнцйкнддежиоеищдыдады рекомеидациипоизменекиюконструкцни для обеспеченинянданноП надекпюнти изделнД. Пелриенныереиуиьткнанюзволяют своевременно принимать обоснoвaнныeионcтpрысыкеииe ядкхниядди проодяилевении а^двоодЦ в режиме on-line с учетдмниаадоннойвддежноедй. ЫтocIЮcoбидcыкpaтить издчpжкбнaдoдсOотйдиз-делий по результатам отработочных испытаний и снизить число отказов, в т.ч. из-за редких причин возникновения.
Заключение. Приведенная технология проектирования р учетом надежности, основанная на пардметридащши проввдении коаоснцкуацcос-тeхнннoтнивcкоге анах^Е^^^^в^ед^но-сти, позвоаоeтдocаигaдаДeooтккзыюcть ыорыцичдтниx yтcpсаттвнxырpытцн whp R = М вне зависимости от типа серийного производства. При этом потенциальные отказы могут быть с успехом устранены или смягчены на самых ранних стадиях жизненного цикла (проектировании и конструировании), а возможные риски возникновения отказов - своевременно оценены.
Учитывая, что с помощью рассмотренной обобщенной параметрической модели функционирования может быть параметризировано практически любое изделие, а в основу методики КТАН заложен функциональный подход (абстрагированный от конкретного конструктивного исполнения изделия), представленная технология проектирования может быть использована при разработке высоконадежных систем различного назначения, например механизмов многоразового срабатывания, электромеханических устройств, электронных сборок, силовых и прецизионных конструкций и т.п. В первую очередь, это относится к изделиям, имеющим заданную безотказность выше 0,999, которую сложно обеспечить с помощью обычных технологий проектирования и невозможно подтвердить в условиях единичного производства.
Список литературы
[1] Space Vehicle Mechanisms - Elements of Successful Design. Edited by Peter L. Conley. NJ: John Wiley & Sons, 1998. 794 р.
[2] Похабов Ю.П. Теория и практика обеспечения надежности механических устройств одноразового срабатывания. Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2018. 338 с. [Pokhabov Yu.P. Theory and practice of ensuring the reliability of mechanical devices one-time operation, Krasnoyarsk, 2018, 338 p. (in Russian)]
[3] Кузнецов А.А., Золотов А.А., Комягин В.А. и др. Надежность механических частей конструкции летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1979. 144 с. [Kuznetsov A.A., Zolotov A.A., Komyagin V.A. et al. Reliability of mechanical parts of the aircraft structure, Moscow, 1979, 144 p. (in Russian)]
[4] Космические вехи / под ред. Н.А. Тестоедова. Красноярск: ИП Суховольская Ю.П., 2009. 704 с. [Space milestones / Edited by N.A. Testoyedov, Krasnoyarsk, 2009, 704 р. (in Russian)]
[5] Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. М.: Машиностроение, 1984. 312 с. [Bolotin V.V. Prognozirovaniye resursa mashin i konstruktsiy, Moscow, Mashinostroyeniye, 1984, 312 p. (in Russian)]
[6] Севастьянов Н.Н., Андреев А.И. Основы управления надежностью космических аппаратов с длительными сроками эксплуатации. Томск: Издат. Дом ТГУ, 2015. 266 с. [Sevast'yanov N.N., Andreyev A.I. Fundamentals of reliability management of spacecraft with long service life, Tomsk, 2015, 266 р. (in Russian)]
