CC BY
54
УДК 62—192:006.015.7
СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К ОЦЕНКЕ НАДЕЖНОСТИ ИЗДЕЛИЯ НА РАННИХ ЭТАПАХ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА
ИЗДЕЛИЯ
Д.И. Благовещенский, А.С. Сафонов, М.В. Ушаков
Рассматриваются подходы к оценке надежности. Проведено сравнение методик АВПКО, анализа конструкции изделия и выделении «слабых звеньев». Выявлен ряд недостатков методики АВПКО и предложено приложение анализа конструкции изделия и выделении «слабых звеньев» для их компенсации.
Ключевые слова: метод АВПКО, надежность, прогнозирование надежности, «слабые звенья», экспертные методы.
Задача определения характеристик надежности нового разрабатываемого изделия встает перед изготовителем уже на этапе его проектирования. При этом существенной проблемой является недостаток статистической и рекламационной информации об эксплуатации изделия, а также трудность обнаружения изделий-аналогов.
Описанные в стандарте [1] методики по оценке надежности дают общие рекомендации для максимально широкого рядя изделий, представляющих собой электротехническую, механическую, гидравлическую, электронную и вычислительную технику, программное обеспечение. Рекомендуемые стандартом исходными данными для прогнозирования надежности изделия являются:
статистические данные о эксплуатации изделий-аналогов и их элементов в похожих условиях и режимах работы, либо в отличных условиях при наличии методов пересчета к заданным;
характеристики «деградационных» процессов в элементах изделия и материалах их изготовления:
расчетные и (или) экспериментальные оценки параметров нагру-женности составных частей и элементов конструкции.
Существенным препятствием для получения исходных данных может быть конфиденциальность информации о изделиях-аналогах, наличие коммерческой тайны и нежелание передавать такую информацию конкурентам.
Следует отметить возможность наличия нескольких противоречивых источников данных, что требует проведение оценки их достоверности, определение весомости и значимости.
Приложение предложенных в стандарте [1] методик к конкретному изделию требует значительной их доработки, разработки шкал оценок и т. д. В стандартах предусмотрена разработка типовых методик прогнозирования надежности для изделий одного класса, однако на практике применение таких методик будет сильно ограничено.
Для ранних этапов жизненного цикла характерна нехватка статистических данных, а потому возникает необходимость прибегать к экспертным методам. Соответственно поднимаются вопросы о достоверности и точности результатов оценки применяемых методик.
В одной из последних работах в этой области [2] рассматривается стандартизированная методика: «Анализ видов последствий и критичности отказов» (АВПКО) [3], и предлагается ряд рекомендаций для повышения точности экспертной оценки. Цель стандартизированного метода АВПКО - определение возможных отказов изделия и подготовка оснований для разработки мероприятий, направленных на устранение и предотвращение отказов. Данная методика предполагает оценку отказов изделия на основании расчета числа критичности С, определяющегося как произведение трех коэффициентов, являющихся экспертной оценкой по десятибалльной шкале:
С1 = В1 • В21 • В21, (1) где В] - оценка вероятности наступления отказа; В2 - оценка последствий отказа; В3 - оценка вероятности выявления отказа до поставки потребителю.
Рекомендации по повышению точности метода в статье [2] включают в себя предложение производить экспертную оценку коэффициентов с использованием логической модели системы (дерево неисправностей) с учетом системного подхода. Предложено определять качество оценки надежности при определении коэффициента В] как функцию нескольких переменных, учитывающих число уровней дерева неисправностей точность оценки надежности и полноту оценки.
Для уточнения коэффициента В2 предлагается использовать блок-схему принятия решений, разработанную в [3]. Алгоритм простановки балла базируется на ответах на специально подобранные вопросы.
В статьях [4, 5] предлагается еще один подход к оценке и прогнозировании надежности основывающийся на анализе конструктивных элементов изделия и выделении среди них «слабых звеньев». Этот подход основывается на поэтапном определении и оценке возможных отказов, далее — элементов изделия, в которых возникает тот или иной отказ, и, наконец, причин и условий появления отказа в соответствующем элементе изделия. При этом на каждом из этапов осуществляется ранжирование исследуемых отказов, элементов и причин.
В результате всех этапов оценки формируется таблица, содержащая список отказов, соответствующих им деталей и причин возникновения, а также их оценки с точки зрения вероятности проявления и значимости последствий отказов. Таким образом будет получено три иерархически связанных группы «отказ»-« деталь»-«причина отказа».
Значимость для каждой конкретной причины отказа будет отражаться с помощью результирующей оценки, которая определится как
НаЪсщ = Ищ ■ ИЬц ■ Исцд, (2)
где ИаЪсцд - результирующая оценка рассматриваемого элемента анализа;
Иа1 - нормированный ранг ¿-го отказа, к которому приводит рассматриваемая причина отказа; ИЪц - нормированный ранг 1-ой детали, на которую воздействует рассматриваемая причина ¿-го отказа; Исцд - нормированный ранг рассматриваемой с-й причины ¿-го отказа в 1-ой детали.
Далее приводятся основные этапы анализа и прогнозирования надежности двумя упомянутыми выше методами в сравнении. Стоит отметить, что рассматриваются только основные этапы методик, аналитические и экспертные. Общие методические этапы, включающие определение целей и средств анализа, поиск исходных данных, подбор и привлечение экспертов будут обладать схожими требованиями, и потому вынесены за рамки данного обзора.
На начальном этапе любой из методик определяются исходные данные и идентифицируется изделие, подлежащее исследованию. Определяются свойства и характеристики изделия, определяющие работоспособность.
К исходным данным, необходимым для применения методик, относится:
информация о конструкции и режимах функционирования изделия в т.ч. конструкторские документация, расчетные схемы и т.д.;
номинальные и экстремальные условия эксплуатации;
точностные характеристики элементов.
Кроме того, необходима информация о вероятности отказа или работоспособности изделия и его компонентов. Она должна быть определена, либо оценена экспертно, на основании исходных данных. Затем производится определение и анализ отказов изделия и причин их возникновения.
В методике АВПКО на втором этапе определяются основные отказы, возникающих в системе, причины, являющиеся исходными событиями для возникновения отказов. Собранные и проанализированные данные используются для построения логической модели изделия в виде дерева неисправностей с исходным событием «Отказ изделия».
Определяются вероятности отказов. В случае нехватки данных задача установления вероятности отказа полностью возлагается на экспертов. На основании вероятностей отказа производится оценка вероятности отказа по десятибалльной шкале В1. Уточнение методики АВПКО [3] добавляет оценку точности и полноты расчета, приводящую к соответствующей корректировке В1.
На следующем этапе производится оценка последствий отказов В2 по десятибалльной шкале. Оценка последствий отказов основывается на экспертных методах. В уточненной методике АВПКО [3] используется алгоритм принятия решений, основанный на анализе дерева неисправностей.
230
Далее оценивается вероятности обнаружения отказов В3. Она производятся на основании данных о методах контроля и измерений посредством экспертных методов.
На последнем этапе по формуле (1) определится критичность отказа.
В результате проведения методики АВПКО формируется информация об отказах системы, вероятности их возникновения, причинах, последствиях, способах обнаружения и критичности. При этом конкретные значения критичности приписывается каждому возможному отказу.
В анализе конструктивных цепей и «слабых звеньев» на втором этапе производится определение отказов изделия и оценка их значимости. Эксперты на основе функционального назначения изделия и его свойств, а так же конструкции и режимов работы проводят оценку отказов по их значимости. В результате первого этапа будет получен ранжированный список возможных отказов.
В качестве стандартизированного подхода к оценке значимости отказов на данном этапе возможно применить методику АВПКО, при повышении точности и достоверности экспертных оценок. В таком случае для получения оценки значимости отказы следует ранжировать по их критичности.
На третьем этапе для каждого из возможных отказов экспертами должны быть определены все детали и элементы, отказ которых приведет к потере работоспособности изделия в целом. При этом каждому отказу будет построена структурная схема надежности. Затем в рамках каждой из схем надежности эксперты должны оценить значимость каждого элемента. Для формирования оценок элементов разработаны универсальные шкалы оценок, учитывающие свойства элементов (размеры и форма элементов, погрешность изготовления, материал, режимы работы, условия окружающей среды). Значимость элемента определиться как комплексный показатель по этим шкалам.
Отказ каждой из деталей может быть обусловлен рядом причин связанных с условиями эксплуатации, воздействующими факторами, взаимодействием элементов.
Поэтому на четвертом этапе должны быть произведены определение и оценка причин каждого из элементов.
На последнем этапе по формуле (2) определиться результирующая оценка, которая будет использована для определения значимости каждой конкретной причины и элемента.
В результате проведения анализа конструктивных цепей и «слабых звеньев» формируется информация о значимости элементов изделия и причин отказов. Описанные этапы анализа приводятся в таблице, из которой видно главное отличие методов.
Одной из целей метода АВПКО является разработка оснований для управления надежностью изделия, однако методика концентрируется на отказах. Оценка критичности отказов может не в полной мере отражать кри-
тичность причин возникновения отказов. В наибольшей степени этот недостаток проявится при наличии различных отказов возникающих по одной причине и одинаковых отказов возникающих по различным причинам.
Основные этапы методов оценки надежности
Уточненная методика АВПКО Анализ конструктивных цепей и «слабых звеньев»
1 2
1) Определение задач, функций и свойств изделия (идентификация изделия) 1) Определение задач, функций и свойств изделия (идентификация изделия)
2) Построение структурной схемы надежности изделия определение основных отказов, возникающих в системе, причины, являющиеся исходными событиями для возникновения отказов (древовидная диаграмма потери работоспособности, диаграмма сродства) 2) Определение отказов изделия 2.1) Определение отказов изделия на основе функционального назначения изделия и его свойств 2.2) Экспертная оценка отказа изделия щ
3) Построение логической модели (дерева неисправностей) 3.1) определение основных компонентов рассматриваемого изделия; 3.2) установление логических связей между элементами системы; 3.3) определение головного (исходного) события, являющегося предметом анализа «Отказ изделия» 3.4) выделение отказов изделия, являющихся причинами возникновения головного события; 3.5) определение причин отказов, выделенных ранее. 3) Определение элементов, отказ которых приводит к отказу изделия 3.1) Выделение конструктивных цепочек, элементы в которых участвуют в конкретном отказе элемента, построение структурной схемы надежности изделия для каждого из отказов; 3.2) Экспертная оценка элемента изделия Nbji
4) Оценка вероятности отказов 4.1) Оценка вероятности отказов В] 4.2) Оценка точности и полноты расчета. Корректировка В] 4) Определение причин отказов 4.1) Определение причин отказов на основании влияющих факторов 4.2) Экспертная оценка причины отказа элемента NCjq
5) Оценка последствий отказов В2 5) Определение результирующей оценки NabCjiq 5.1) Определение результирующей оценки причин отказов SNabc^q 5.2) Определение результирующей оценки элементов SNabii
Окончание
1 2
6) Оценка вероятности обнаружения отказов В3 6) Принятие решения об управлении надежностью изделия. Основание: оценки значимости причин отказов, оценки значимости элементов изделия
7) Расчет показателя критичности отказов С
8) Принятие решения об управлении надежностью изделия. Основание: оценки критичности отказов
Анализ конструктивных цепей и «слабых звеньев» в первую очередь рассматривает причины отказов и элементы, в которых они происходят. В нем предусмотрена процедура учета отказов возникающих по одной причине и выделяются элементы «слабые звенья», оказывающие наибольшее влияние на работоспособность изделия.
Задача методики АВПКО — экспертная оценка критичности отказов, тогда как анализ конструктивных цепей и «слабых звеньев» направлен на локализацию наиболее нагруженных элементов и причин отказов. Основным преимуществом метода является ориентация на места возникновений отказов. В результате анализа будут выявлены элементы лимитирующие надежность изделия, что станет основой для создания рекомендаций по доработке изделия. Принятие решений по модернизации того или иного элемента будет базироваться уже не только на критичности отказов изделия в целом, но учитывать взаимозависимость причин и условий отказов элементов.
Методики могут использоваться совместно для повышения точности и достоверности анализа надежности изделия и облегчения принятия управляющих решений при выборе мероприятий по повышению надежности.
Список литературы
1. ГОСТ Р 27.301-2011. Надежность в технике. Управление надежностью. Техника анализа безотказности. Основные положения.
2. Елисеева Т.А. Повышение качества экспертной оценки при проведении анализа видов, последствий и критичности отказов (АВПКО) технических систем // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 6. Ч. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2015. С. 342-349.
3. ГОСТ Р 27.310-95. Надежность в технике. Анализ видов, последствий и критичности отказов. Основные положения.
4. Воробьев И.А., Сафонов А.С., Ушаков М.В. Особенности процедуры прогнозирования надежности изделия на основе «физического» подхода с применением экспертных методов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 12. Ч. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2015. С. 113-118.
5. Плахотникова Е.В., Сафонов А.С., Ушаков М.В. Особенности применения экспертных методов для прогнозирования надежности изделия // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 7. Ч. 2. Тула: Изд-во ТулГУ, 2015. С. 83-89.
Благовещенский Дмитрий Иванович, канд. техн. наук, safonov-a-s@mail.ru Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Сафонов Александр Сергеевич, асп., safonov-a-s@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Ушаков Михаил Витальевич, д-р техн. наук, проф., safonov-a-s@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
MODERN APPROACHES FOR EVALUATION RELIABILITY OF PRODUCTS ON EARLY
STAGES LIFECYCLE
D.I. BlagoveschenskiyA.S. Safonov., M.V. Ushakov
Reviews the methods of predicting the reliability. It is compares the method FMECA and the method of analysis of product design and the allocation of the «weak links» It is describe a number of weaknesses FMECA techniques and suggest the ways to compensate for them by application analysis of product design and the allocation of the «weak links»
Key words: expert methods, FMECA, predicting of reliability, reliability, «the weak
links».
Blagoveschenskiy Dmitriy Ivanovich, candidate of technical science, safonov-a-s@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Safonov Alexandr Sergeevich, postgraduate, safonov-a-s@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Ushakov Mikhail Vitalyevich, doctor of technical science, professor, safonov-a-s@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
