Безопасность и надежность технических систем
Покупка
Основная коллекция
Издательство:
Логос
Авторы:
Александровская Лидия Николаевна, Аронов Иосиф Зиновьевич, Круглов В. И., Кузнецов Андрей Георгиевич, Патраков Н. Н., Шолом Анатолий Михайлович
Год издания: 2020
Кол-во страниц: 376
Дополнительно
Доступ онлайн
440 ₽
В корзину
Даны основные понятия в области обеспечения безопасности и надежности технических систем и их наиболее важные показатели. Систематизированы методы обеспечения безопасности и надежности изделий на различных этапах их жизненного цикла: при разработке, производстве и эксплуатации. Основное внимание уделено методам качественного анализа и превентивным методам борьбы с отказами. Значительное место занимает системное изложение современной теории вероятностно-статистического анализа безопасности сложной технической продукции. В качестве базовой концепции принята методология «приемлемого риска». Применение методов вероятностного анализа безопасности проиллюстрировано на большом числе примеров. Предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Испытание летательных аппаратов». Может использоваться в учебном процессе по широкому кругу направлений (специальностей) техники и технологии, особенно при подготовке кадров, специализирующихся в области испытаний, проектирования и эксплуатации сложных технических систем. Представляет интерес для ученых и специалистов в области авиации, ракетостроения и космоса.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 16.03.01: Техническая физика
- 16.03.02: Высокотехнологические плазменные и энергетические установки
- 18.03.01: Химическая технология
- 19.03.01: Биотехнология
- 20.03.01: Техносферная безопасность
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
БЕЗОПАСНОСТЬ И НАДЕЖНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ Москва • «Логос» • 2020 Л.Н. Александровская, И.З. Аронов, В.И. Круглов, А.Г. Кузнецов, Н.Н. Патраков, А.М. Шолом
Безопасность и надежность технических систем / Л.Н. Александровская, И.З. Аронов, В.И. Круглов, А.Г. Кузнецов, Н.Н. Патраков, А.М. Шолом: Учебное пособие. — М.: Логос, 2020. — 376 с.: ил. Даны основные понятия в области обеспечения безопасности и надежности технических систем и их наиболее важные показатели. Систематизированы методы обеспечения безопасности и надежности изделий на различных этапах их жизненного цикла: при разработке, производстве и эксплуатации. Основное внимание уделено методам качественного анализа («дерево отказов», метод анализа характера и последствий потенциальных отказов), превентивным методам борьбы с отказами (принципы обеспечения бездефектного производства, обнаружение предотказного состояния и предотвращение отказов в эксплуатации). Значительное место в пособии занимает системное изложение современной теории вероятностно-статистического анализа безопасности сложной технической продукции. В качестве базовой концепции принята методология «приемлемого риска». Применение методов вероятностного анализа безопасности проиллюстрировано на большом числе примеров. Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся в высших учебных заведениях по техническим специальностям. Может использоваться при подготовке аспирантов, специализирующихся в области испытаний, проектирования и эксплуатации сложных технических систем. УДК 681 ББК 22.172 © «Логос», 2020 УДК 681 ББК 22.172 А46 Р е ц е н з е н т ы: доктор технических наук Грозовский Г.И. (ВНИИНМАШ), доктор технических наук Федоренко Г.И. (ВНИИС)
Введение ................................................................................................... Часть I. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ НАДЕЖНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ Глава 1. Краткий обзор формирования методов обеспечения надежности и безопасности техники ..................................................................... 1.1. Три этапа в развитии научно-технического направления «Надежность»............................................................................. 1.2. Краткий обзор формирования методов анализа безопасности.............................................................................. Глава 2. Социально-экономические проблемы обеспечения надежности и безопасности техники ..................................................................... 2.1. Социальные аспекты безопасности ......................................... 2.2. Экономические аспекты безопасности ................................... Глава 3. Основные понятия в области надежности и безопасности ...... 3.1. Состояния объектов при анализе надежности и безопасности .......................................................................... 3.2. Основные показатели надежности и безопасности ............... 3.3. Связь между понятиями надежности, эффективности и безопасности сложных технических систем ........................ Контрольные вопросы .............................................................. Часть II. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ Глава 4. Методы обеспечения потенциальной (проектной) надежности ... 4.1. Выбор запасов прочности ........................................................ 4.1.1. Модель «прочность—нагрузка» ...................................... 4.1.2. Примеры расчета безотказности с использованием модели «прочность—нагрузка» ...................................... 4.1.3. Переход от параметрических к непараметрическим моделям безотказности ................................................... 4.2. Выбор метода резервирования ................................................. 4.2.1. Пуассоновский процесс возникновения отказов ......... 4.2.2. Включение резервного оборудования замещением ..... 4.2.3. Параллельное соединение резервного оборудования системы............................................................................ 4.3. Качественный анализ надежности .......................................... 4.3.1. Общие положения .......................................................... 4.3.2. Построение «дерева отказов» ......................................... 4.4. Анализ зависимых отказов ....................................................... Глава 5. Методы обеспечения технологической надежности ................. 5.1. Статистические методы управления технологическими процессами ................................................................................ СОДЕРЖАНИЕ 7 9 9 12 14 14 19 21 21 26 38 43 44 44 44 50 53 56 56 59 63 66 66 70 84 91 91
5.2. Комплексная параллельная разработка допусков .................. 5.3. Индексы воспроизводимости технологических процессов ..... Глава 6. Методы обеспечения эксплуатационной надежности .............. 6.1. Классические методы обеспечения эксплуатационной безотказности ............................................................................ 6.1.1. Основные понятия .......................................................... 6.1.2. Определение коэффициента готовности систем различной конфигурации ............................................... 6.2. Обобщенная математическая модель эксплуатации .............. 6.3. Определение количества запасных частей .............................. 6.4. Два подхода к планированию технического обслуживания систем......................................................................................... 6.4.1. Проблема перехода к обслуживанию по фактическому состоянию........................................................................ 6.4.2. Планирование обслуживания по фактическому состоянию ........................................................................ Контрольные вопросы .............................................................. Часть III. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ Глава 7. Основные принципы обеспечения безопасности технических систем ................................................................................................. 7.1. Принципы обеспечения безопасности потенциально безопасных объектов................................................................. 7.2. Место и роль вероятностного анализа безопасности ............ 7.3. Основы регламентации (нормирования) риска ...................... 7.4. Использование теории риска для обоснования форм подтверждения соответствия .................................................... 7.5. Международные стандарты в области анализа и оценки безопасности.............................................................................. Глава 8. Вероятностный анализ безопасности........................................ 8.1. Формулировка основных задач вероятностного анализа безопасности (этап 1) ............................................................... 8.2. Анализ исходных событий (этап 2) ......................................... 8.3. Анализ аварийных последовательностей (этап 3) .................. 8.4. Анализ конечных состояний (этап 4) ...................................... 8.5. Расчет риска (этап 5) ................................................................ 8.6. Анализ результатов расчета риска (этап 6) ............................. Глава 9. Анализ видов, последствий и критичности отказов ................. 9.1. Общие положения анализа видов, последствий и критичности отказов .............................................................. 9.2. Анализ видов, последствий и критичности отказов объекта .... 9.3. Анализ видов, последствий и критичности отказов процесса ..................................................................................... 114 123 134 134 134 140 150 160 161 161 163 169 171 171 177 179 182 190 195 195 198 202 207 208 211 218 218 221 231
Глава 10. Мониторинг эксплуатационной безопасности ........................ 10.1. Роль статистического анализа безопасности на стадии эксплуатации объекта .............................................................. 10.2. Обоснование вероятностных показателей безопасности типа риск для стадии эксплуатации ....................................... 10.3. Методы вычисления точечных и интервальных оценок показателей рейтинга .............................................................. 10.4. Анализ безопасности технических систем по результатам выделения предвестников аварий........................................... 10.5. Статистический анализ безопасности парка однотипных объектов .................................................................................... 10.6. Разработка методов мониторинга безопасности технических систем на основе последовательного анализа ....................... 10.7. Анализ эффективности корректирующих мер на основе статистических решающих правил ......................................... 10.8. Оперативное управление безопасностью технических систем........................................................................................ Глава 11. Влияние надежности персонала на эксплуатационную безопасность ....................................................................................... 11.1. Общие положения.................................................................... 11.2. Качественный анализ надежности персонала ....................... 11.3. Количественный анализ надежности персонала ................... Глава 12. Экспертиза результатов вероятностного анализа безопасности ...................................................................................... 12.1. Организация экспертизы безопасности ................................. 12.2. Особенности экспертизы результатов вероятностного анализа безопасности .............................................................. 12.2.1. Общие положения........................................................ 12.2.2. Порядок проведения экспертизы результатов вероятностного анализа безопасности ....................... 12.2.3. Экспертиза эффективности эксплуатации объекта .... 12.3. Экспертиза результатов вероятностного анализа безопасности и управление безопасностью ............................ Контрольные вопросы ............................................................. Часть IV. ОЦЕНИВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ И ПОДТВЕРЖДЕНИЕ ТРЕБОВАНИЙ К НИМ Глава 13. Оценивание интенсивности отказов или среднего времени безотказной работы............................................................................ 13.1. Основные планы испытаний на надежность ......................... 13.2. Подтверждение требований к интенсивности отказов или среднему времени безотказной работы .................................. 13.3. Выбор плана испытаний на надежность ................................ 241 241 242 252 257 263 267 272 277 279 279 282 288 296 296 299 299 300 305 310 312 313 313 320 321
Глава 14. Выборочные методы контроля вероятности безотказной работы или уровня дефектности ........................................................ 14.1. Основные понятия выборочного контроля ........................... 14.2. Контроль методом однократной выборки ............................. 14.3. Контроль методом двухкратной выборки .............................. 14.4. Контроль методом последовательного анализа ..................... Глава 15. Параметрические методы в испытаниях на надежность и безопасность.................................................................................... 15.1. Непараметрический и параметрический толерантный интервалы ................................................................................. 15.2. Построение параметрического толерантного интервала для нормального закона распределения ................................ 15.3. Обобщение параметрического толерантного интервала на случай произвольного распределения ............................... Глава 16. Методы сокращения объемов испытаний при оценке надежности и безопасности ............................................................... 16.1. Краткая история байесовского подхода ................................. 16.2. Общие положения байесовской методологии ....................... 16.3. Процедура байесовского оценивания .................................... 16.4. Проверка статистической однородности априорных и экспериментальных данных .................................................... 16.5. Проблема байесовского оценивания ...................................... 16.6. Обобщение байесовского подхода для неоднородной объединяемой информации .................................................... Контрольные вопросы ............................................................. Библиографический список ...................................................................... 324 324 326 330 333 336 336 338 340 346 346 348 353 363 363 370 373 374
ВВЕДЕНИЕ Безопасность сложной продукции — один из важнейших факторов неценовой конкурентоспособности, определяющим инвестиционную привлекательность наукоемких технологий. Изучение причин большого числа техногенных катастроф показало, что помимо методологии обеспечения безотказности техники, разрабатываемой в теории надежности, необходимо также создание методологии снижения ущерба от потенциальных аварий, составляющей предмет теории безопасности. Теория безопасности как самостоятельная дисциплина начала формироваться относительно недавно. Следует отметить, что за рубежом ежегодно выходит большое количество книг, в том числе учебного характера, издаются несколько международных журналов («Risk Analysis», «IEEE on Reliability» и др.) по проблемам анализа безопасности, исследования риска аварий. В то же время, в России наблюдается дефицит информации по вопросам теории, методологических разработок, инженерных методов обеспечения безопасности. В настоящее время безопасность сложной техники является доминирующим фактором. Требования к безопасности изделия в целом трансформируются в требования к надежности составляющих его компонентов. Таким образом, методы теории надежности становятся поддерживающими технологиями и должны рассматриваться в тесной взаимосвязи с методами теории безопасности. Именно такое системное рассмотрение вопросов безотказности и безопасности является отличительной особенностью данного учебного пособия. С 1 июля 2003 г. вступил в силу Федеральный закон «О техническом регулировании». В соответствии с этим законом обязательные требования безопасности должны устанавливаться в технических регламентах — документах, принимаемых в качестве федерального закона, постановления Правительства Российской Федерации, а в отдельных случаях — указа Президента страны. Такой подход к заданию требований безопасности, несомненно, стимулирует развитие работ по анализу и оценке риска, так как согласно этому закону выбор форм и схем подтверждения соответствия продукции требованиям технического регламента должен осуществляться с учетом риска причинения вреда. Целью работы является системное изложение современной концепции приемлемого риска на основе вероятностных подходов, включающей в себя как методы обеспечения безотказности техники, так и методы управления риском аварий. 7
Следует отметить, что по сей день вероятностно-статистические методы обеспечения надежности и безопасности являются уделом специалистов, поэтому настоящее учебное пособие должно помочь в овладении вероятностной культурой мышления как студентам и аспирантам вузов, так и широкому кругу специалистов, занятых разработкой, производством и эксплуатацией современной сложной техники. Учебное пособие подготовлено в рамках Федеральной целевой программы «Федерально-региональная политика в науке и образовании».
Часть 1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ НАДЕЖНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ Глава 1 Краткий обзор формирования методов обеспечения надежности и безопасности техники 1.1. Три этапа в развитии научно-технического направления «Надежность» «Надежность» как научно-техническое направление прошло в своем развитии ряд этапов. Для обеспечения надежности уже в начале XX в. пользовались запасом прочности. Однако такой подход часто приводил к увеличению габаритов и массы изделий и, соответственно, к дополнительному расходу материалов. Стремление уменьшить нежелательные эффекты стимулировало изучение реальных нагрузок на изделие в эксплуатации, несущей способности материалов и конструкций, процессов изменения их состояния вследствие старения, усталости и других факторов. Основой решения задач по надежности явилась теория вероятностей и математическая статистика. На их базе уже в 1930-е годы была установлена статистическая природа коэффициентов запаса прочности и сформулировано понятие отказа как превышение нагрузки над прочностью. В нашей стране программа электрификации дала толчок развитию идеи резервирования при параллельном использовании генераторов, трансформаторов и другого оборудования в процессе создания энергосистем, обеспечивающих бесперебойное снабжение электроэнергией все отрасли народного хозяйства. Особенно бурное развитие теории надежности началось с интенсивным развитием электроники и автоматики, авиации и ракетно-космической техники. Первый опыт использования математических моделей изменения надежности был проведен в процессе отработки ракет ФАУ-1 после того, как 10 ракет взорвались на старте, а несколько упали в пролив Ла-Манш. При оценке надежности бомбардировщиков В-52 впервые была обоснована необходимость учета их отказов, в том числе по вине ошибочных действий летчиков. 9
В 1951 г. проблема надежности получила признание конгресса США. Полуэмпирические подходы к обеспечению надежности перестали удовлетворять требованиям практики, связанным с необходимостью уменьшения массы и габаритов аппаратуры, сокращением сроков проектирования и внедрения образцов новой техники. В сложившихся условиях возникли предпосылки к созданию нового научно-технического направления — теории надежности. Развитие этого направления можно разделить на три этапа: 50-е годы — становление направления; 60-е годы — этап классической теории надежности; с 70-х годов по настоящее время — этап системных методов надежности. Первый этап в решении задач надежности — выяснение причин отказов оборудования. В декабре 1950 г. военно-воздушные силы США организовали группу для изучения проблемы по надежности радиоэлектронного оборудования и разработки мер, направленных на повышение надежности и сокращение эксплуатационных затрат. В конце 1952 г. Министерство обороны США образовало консультативную группу по надежности, в состав которой вошли представители правительственных организаций и промышленности. В 1957 г. эта группа опубликовала доклад со своими рекомендациями, многие из которых появились в военных стандартах на электронное оборудование и системы. Было установлено, что основной причиной отказов радиоэлектронной аппаратуры является низкая надежность элементов. Перед разработчиками встали вопросы: каковы основные причины ненадежности элементов и возможны ли пути их устранения? Существуют ли способы создания надежных систем из ненадежных элементов? Можно ли прогнозировать надежность проектируемой системы? Ответ на поставленные вопросы потребовал изучения влияния на отказы эксплуатационных факторов (температуры, среды, вибраций, электрической нагрузки и пр.). В результате был собран богатый статистический материал для оценки характеристик надежности элементов в зависимости от нагрузок. В свою очередь развитие методов аналитического расчета надежности изделий позволило прогнозировать их надежность. Уже на этом этапе происходит перераспределение значимости источников ненадежности. Центр тяжести перемещается на механическое и электромеханическое оборудование, конструкцию, стыки оборудования, на обеспечение работы в недостаточно известных условиях. В 1953 г. появились первые контракты, требовавшие экспериментального подтверждения надежности аппаратуры. С этого момента начался переход ко второму этапу.
Доступ онлайн
440 ₽
В корзину