PETy - skrypt(1).pdf - Podstawy Eksploatacji Technicznej - eres68

mgr inż. Tomasz Rutkowski

tel.: 660-83-90; Nowa Technologia pok. 215c, ul. Narbutta 85

2005 sem. zimowy

TEORIA NIEZAWODNOŚCI I BEZPIECZEŃSTWA

STUDIA ZAOCZNE INŻYNIERSKIE

PRESKRYPT DO WYKŁADU

Na prawach rękopisu

Autor uprzejmie prosi o zgłaszenie uwag, komentarzy i poprawek

dotyczących przedstawionego dalej tekstu.

mgr inż. Tomasz Rutkowski

tel.: 660-83-90; Nowa Technologia pok. 215c, ul. Narbutta 85

2005 sem. zimowy

Spis treści

WPROWADZENIE ……………………………………………………………………….3

POJĘCIA PODSTAWOWE ……………………………………………………………...7

Podstawowe pojęcia z zakresu probabilistyki – pobieżne

przypomnienie …………………………………………………………………..10

PODSTAWOWE CHARAKTERYSTYKI NIEZAWODNOŚCI OBIEKTÓW

NIENAPRAWIALNYCH ……………………………………………………………….14

EMPIRYCZNE OSZACOWANIE WSKAŹNIKÓW NIEZAWODNOŚCI ……...20

MODELOWANIE CZASU ZDATNOŚCI OBIEKTU PRZY UŻYCIU

ROZKŁADÓW TEORETYCZNYCH………………………………………...………..21

OBIEKTY ZŁOŻONE…………………………………………………………………...29

PODSTAWOWE STRUKTURY NIEZAWODNOŚCIOWE…………………………32

NADMIARY………………………………………………………………………………46

ANALIZOWANIE NIEZAWODNOŚCI METODĄ DRZEWA USZKODZEŃ…….54

ANALIZA RODZAJÓW I SKUTKÓW USZKODZEŃ ……………………………...61

OBIEKTY ODNAWIALNE……………………………………………………………..64

PROCES ODNOWY ……………………………………………………………...65

FUNKCJA ODNOWY… ………………………………………………………….66

ANALIZOWANIE NIEZAWODNOŚCI OBIEKTÓW ODNAWIALNYCH ……….67

ZASTOSOWANIE PROCESÓW MARKOWA DO OCENY NIEZAWODNOŚCI

OBIEKTÓW………………………………………………………………………………68

LITERATURA …………………………………………………………………………...84

mgr inż. Tomasz Rutkowski

tel.: 660-83-90; Nowa Technologia pok. 215c, ul. Narbutta 85

2005 sem. zimowy

WPROWADZENIE

Gwałtowny wzrost liczby obiektów technicznych w bezpośrednim otoczeniu

człowieka i coraz większy stopień uzależnienia się człowieka od szeroko pojętej techniki

sprawiły, że szczególnie istotne stały się zagadnienia związane ze zwiększaniem

skuteczności działania różnego rodzaju urządzeń. Każde z nich powinno pracować

bezawaryjnie, a jego ewentualne uszkodzenie nie powinno powodować następstw groźnych

dla użytkownika i otoczenia. Z wielu przykładami, w których prawidłowe funkcjonowanie

urządzenia ma bezpośredni wpływ na nasze życie spotykamy się codziennie.

Dyscyplina naukowa, zajmująca się opracowywaniem metod i sposobów

postępowania w trakcie projektowania, wytwarzania, odbioru, transportowania i

przechowywania oraz eksploatowania obiektów, mająca na celu zapewnienie skutecznego i

bezpiecznego ich zastosowania, nazwana została teorią niezawodności i bezpieczeństwa.

Teoria niezawodności zajmuje się wykrywaniem praw rządzących występowaniem

uszkodzeń, metodami ich prognozowania, opracowaniem sposobów podwyższania

niezawodności obiektów. Większość zagadnień teorii niezawodności wymaga zastosowania

metod matematycznych - w szczególności rachunku prawdopodobieństwa i statystyki

matematycznej. Wynika to nie ze specyficznych zainteresowań oderwanych od

rzeczywistości „teoretyków”, ale z samej istoty problemów. Niezależnie od tego jak

starannie dąży się do zachowania stałości procesu przemysłowego, jednorodności

stosowanych materiałów i niezmienności technologii wytwarzania, nie jest możliwe

uniknięcie pewnych wahań, których efektem będzie rozrzut wartości poszczególnych cech, z

pozoru jednakowych wyrobów. Wyroby te eksploatowane są w różnorodnych warunkach i

poddane oddziaływaniom o charakterze przypadkowym. Czas poprawnej pracy

poszczególnych wyrobów ma znaczny rozrzut i nie można precyzyjnie określić jaką wartość

przyjmie w odniesieniu do jednego, dowolnie wybranego. Jeżeli rozpatrywać będzie się

pewną zbiorowość wyrobów tego samego rodzaju, to posługując się narzędziami statystyki

matematycznej można, z wystarczającą dokładnością, przewidzieć jaki procent z nich nie

uszkodzi się w danym przedziale czasu. Wzrost stopnia złożoności urządzeń, wynikający ze

zwiększania liczby funkcji jaką mają one do spełnienia, powoduje zmniejszenie

prawdopodobieństwa ich jednoczesnego działania. Zadaniem teorii niezawodności jest

opracowanie zasad konstruowania urządzeń złożonych w taki sposób, aby były one zdolne

do działania, nawet po uszkodzeniu pewnej liczby ich elementów. Zazwyczaj straty

spowodowane zawodnością urządzeń nie ograniczają się jedynie do kosztów naprawy

samego urządzenia, ale również obejmują koszty usuwania następstw uszkodzenia w

otoczeniu, jak również „koszty utraconych szans”.

Prace zmierzające do zapewnienia odpowiedniej niezawodności urządzenia muszą

być podejmowane już na etapie projektowania i konstruowania. Należy odpowiednio określić

zadania jakie stawia się przed projektowanym urządzeniem, rozpoznać obciążenia i inne

oddziaływania środowiska, dobrać stosowne materiały, rozpoznać procesy powstawania

uszkodzeń, przeanalizować scenariusze potencjalnych uszkodzeń i ich możliwe następstwa.

Opracowane powinny zostać odpowiednie procedury badań odbiorczych, zasady

postępowania z obiektem w czasie jego eksploatowania obejmujące tzw. profilaktykę

techniczną, zasady diagnozowania. Niezawodność jako dyscyplina naukowa obejmuje wiele

koncepcji, wskaźników, narzędzi matematycznych, jak również metody pomiaru i

prognozowania wartości wykorzystywanych wskaźników.

mgr inż. Tomasz Rutkowski

tel.: 660-83-90; Nowa Technologia pok. 215c, ul. Narbutta 85

2005 sem. zimowy

Teoria niezawodności rozwinęła się stosunkowo późno w porównaniu z innymi

obszarami wiedzy inżynierskiej. Sam termin niezawodność, w technicznym znaczeniu tego

słowa, liczy sobie zaledwie kilkadziesiąt lat - został po raz pierwszy użyty jako pojęcie

techniczne po I Wojnie Światowej. Określono nim liczbę uszkodzeń przypadającą na godzinę

lotu, a wskaźnik ten wykorzystywano do porównywania własności samolotów jedno i

wielosilnikowych (Arnljot Hoyland, Marvin Rausand).

Trudno jest w sposób jednoznaczny wskazać pierwsze prace z zakresu

niezawodności. Post factum zaliczyć można do nich badania poświęcone trwałości łożysk dla

taboru kolejowego prowadzone już pod koniec XIX wieku. Początkowo przedmiotem

zainteresowania były systemy mechaniczne i zagadnienia związane z wydłużeniem czasu ich

działania. Istotnym czynnikiem rozwoju badań o charakterze niezawodnościowym był

gwałtowny rozwój elektrotechniki i wprowadzanie nadmiarów, w postaci np. równoległych

uzwojeń w transformatorach, do konstruowanych urządzeń. Za początki wykorzystywania

danych o charakterze statystycznym uważa się gromadzenie danych o częstości uszkodzeń

elementów samolotów, a w szczególności silników lotniczych. Posłużyły one do

doskonalenia tych elementów i określenia kierunków ich rozwoju. Ogólnie rzecz ujmując

przed latami czterdziestymi XX wieku zagadnienia związane z niezawodnością i

bezpieczeństwem obiektów technicznych były rozpatrywane w sposób intuicyjny, na ogół na

podstawie subiektywnego „doświadczenia i nosa inżynierskiego”. Metody służące

zagwarantowaniu niezawodności były bardziej wytworem sztuki niż wiedzy o charakterze

naukowym. Wzrost zainteresowania społeczeństw zagadnieniami niezawodności miał

miejsce po pojawieniu się doniesień o wielkich katastrofach z udziałem wytworów techniki

takich, jak np. zatonięcie Titanica. Pierwsi inżynierowie zajmujący się niezawodnością doszli

do wniosku, że obiekt jest tak trwały jak długo działa najsłabszy jego element. Łańcuch gdy

będzie rosła siła, z którą jest rozciągany pęknie wtedy, gdy rozerwane zostanie najsłabsze

jego ogniwo. Problem sprowadzono zatem do odnalezienia, a następnie wzmocnienia,

„najsłabszego ogniwa” Tę teorię ogłosił w 1926 r. Peirce. Na początku lat trzydziestych

Walter Shewhart, Harold F. Dodge i Harry G. Roming stworzyli teoretyczne podstawy

wykorzystania metod statystycznych do kontroli jakości wyrobów produkowanych masowo.

Szersze ich zastosowanie można jednak zaobserwować dopiero po wybuchu II Wojny

Światowej i przestawieniu gospodarek wielu krajów na wielkoseryjną produkcję

zbrojeniową.

Za pierwsze modele służące prognozowaniu niezawodności uważa się te, które

opracowano w Niemczech w czasie prac nad latającą bombą V1. Upadła teoria najsłabszego

ogniwa, która dłuższy czas opóźniała prace zespołu konstrukcyjnego. Nie sposób było

wyszukać to najsłabsze ogniwo, następujące po sobie kolejne katastrofy wywoływane były

uszkodzeniami najrozmaitszych elementów. Prowadzący prace zespół doszedł do

przekonania, ze niezawodność obiektu nie jest determinowana tylko przez najgorszy z nich,

ale w jakiś sposób zależy od wszystkich elementów składowych. Matematyczne rozwiązanie

problemu opracował Eric Pieruschka. Z jego prac wynikało, że niezawodność

rozpatrywanego urządzenia jest dramatycznie mniejsza od niezawodności jego elementów

gdyż wyraża się iloczynem niezawodności wszystkich elementów składowych tzw. prawo

Lussnera. Pocisk V1 podaje się za przykład pierwszego w pełni przemyślanego opracowania

wymagań co do niezawodności całego systemu i jego elementów składowych i pomyślnego

zweryfikowania ich w praktyce.

mgr inż. Tomasz Rutkowski

tel.: 660-83-90; Nowa Technologia pok. 215c, ul. Narbutta 85

2005 sem. zimowy

W USA w latach czterdziestych działania zmierzające do podniesienia niezawodności

skoncentrowano na zagadnieniach związanych z jakością projektowania i wytwarzania. Dla

przykładu firma GM dzięki tego rodzaju działaniom czterokrotnie wydłużyła trwałość

silników lokomotyw spalinowych. W tym samym okresie zastosowano metody

probabilistyczne do określenia wielkości systemów przesyłu energii elektrycznej.

Po II Wojnie Światowej nastąpił dalszy rozwój teorii niezawodności, będący

wynikiem wprowadzenia do masowej produkcji wyrobów o złożonej budowie,

zawierających wielką liczbę elementów takich jak: odbiorniki telewizyjne, maszyny liczące

itp. Do tego rozwoju przyczyniła się również automatyzacja produkcji, wymagająca

niezawodnie i bezpiecznie działających systemów sterowania.

W latach pięćdziesiątych wzrost poziomu złożoności systemów elektronicznych, w

szczególności o charakterze militarnym, zaowocował pojawieniem się problemów z

utrzymaniem odpowiedniego poziomu ich gotowości i dramatycznym wzrostem kosztów

tego utrzymania. Na przykład podaje się, że w 1937 r. na amerykańskim niszczycielu było 60

lamp elektronicznych, w 1952 było ich już 3200. Z raportów docierających do Departamentu

Obrony wynikało, że wyposażenie, zawierające wspomniane lampy nadawało się do

wykorzystania jedynie przez 30% wymaganego czasu. Wojna Koreańska dostarczyła

kolejnych niezwykle interesujących obserwacji – na jeden dolar wydany na zainstalowanie

wyposażenia elektronicznego przypadało w ciągu roku dwa dolary wydane na utrzymanie

tego wyposażenia w stanie zdatności. Powoli do powszechnej świadomości dotarło, że lepiej

jest dążyć do stworzenia niezawodnego urządzenia niż czekać na wystąpienie uszkodzenia i

być zmuszonym do jego usuwania. W USA w latach pięćdziesiątych wprowadzono pierwsze

wymagania niezawodnościowe co do elementów wytwarzanych jako produkcja masowa tzw.

American Military Standard.

W epoce rewolucji elektronicznej i miniaturyzacji obwodów elektronicznych jakość

elementów stosowanych w produkcji urządzeń nabrała podstawowego znaczenia.

Opracowano odpowiednie techniki i normy ich wytwarzania i badań, które zastosowała

między innymi NASA. W 1954 roku zorganizowano pierwsze Międzynarodowe Sympozjum

Niezawodności i Obsługiwalności.

W latach sześćdziesiątych pojawiły się nowe techniki niezawodnościowe i poszerzył

się zakres ich zastosowań. Dokonano pierwszych analiz rodzajów uszkodzeń i ich wpływu na

własności systemu oraz na bezpieczeństwo osób i mienia. W szczególności techniki te

rozwinęły się w przemyśle lotniczym i kosmicznym. Analizowanie skutków

przewidywanych uszkodzeń odgrywało istotną rolę w szczególności w zagadnieniach

związanych z systemami przenoszenia broni atomowej. Analizy prowadzono wykorzystując

metody blokowych schematów niezawodności. W 1961 w Bell Telephone Laboratories

wprowadzono koncepcję drzewa uszkodzeń, jako metodę oceny bezpieczeństwa systemu

sterowania wyrzutniami pocisków Minuteman. Koncepcję tę rozwinięto na potrzeby firmy

Boeing. Metoda analizy rodzajów i skutków uszkodzeń (FMEA) wykorzystywana przez

MacDonnell Douglas została wprowadzona do wymagań prawnych nałożonych na

amerykański przemył lotniczy w końcu lat sześćdziesiątych. Podobne prace prowadzono we

Francji w ramach projektów Concorde i Airbus. Metody prognozowania niezawodności

zustały wykorzystane przez NASA w ramach programu Apollo. W przemysłach lotniczych

wielu krajów wprowadzono probabilistyczne miary niezawodności i bezpieczeństwa oparte

na klasyfikacji uszkodzeń.

PETy - skrypt(1).pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: