Виды, критерии и последствия отказа. Надежность технических систем и техногенный риск Качественный анализ опасностей

1.1 Вероятность безотказной работы

Вероятностью безотказной работы называется вероятность того, что при определенных условиях эксплуатации, в пределах заданной наработки не произойдет ни одного отказа.
Вероятность безотказной работы обозначается как P (l ) , которая определяется по формуле (1.1):

где N 0 - число элементов в начале испытания; r (l ) - число отказов элементов к моменту наработки. Следует отметить, что чем больше величина N 0 , тем с большей точностью можно рассчитать вероятность P (l).
В начале эксплуатации исправного локомотива P (0) = 1, так как при пробеге l = 0 вероятность того, что ни один элемент не откажет, принимает максимальное значение - 1. С ростом пробега l вероятность P (l ) будет уменьшаться. В процессе приближения срока эксплуатации к бесконечно большой величине вероятность безотказной работы будет стремиться к нулю P (l →∞) = 0. Таким образом в процессе наработки величина вероятности безотказной работы изменяется в пределах от 1 до 0. Характер изменения вероятности безотказной работы в функции пробега показан на рис. 1.1.

Рис.2.1. График изменения вероятности безотказной работы P(l) в зависимости от наработки

Основными достоинствами использования данного показателя при расчетах является два фактора: во-первых, вероятность безотказной работы охватывает все факторы, влияющие на надежность элементов, позволяя достаточно просто судить о его надежности, т.к. чем больше величина P (l ), тем выше надежность; во-вторых, вероятность безотказной работы может быть использована в расчетах надежности сложных систем, состоящих из более чем одного элемента.

1.2 Вероятность отказа

Вероятностью отказа называют вероятность того, что при определенных условиях эксплуатации, в предела х заданной наработки произойдет хотя бы один отказ.
Вероятность отказа обозначается как Q (l ), которая определяется по формуле (1.2):

В начале эксплуатации исправного локомотива Q (0) = 0, так как при пробеге l = 0 вероятность того, что хотя бы один элемент откажет, принимает минимальное значение - 0. С ростом пробега l вероятность отказа Q (l ) будет увеличиваться. В процессе приближения срока эксплуатации к бесконечно большой величине вероятность отказа будет стремиться к единице Q (l →∞ ) = 1. Таким образом в процессе наработки величина вероятности отказа изменяется в пределах от 0 до 1. Характер изменения вероятности отказа в функции пробега показан на рис. 1.2. Вероятность безотказной работы и вероятность отказа являются событиями противоположными и несовместимыми.

Рис.2.2. График изменения вероятности отказа Q(l) в зависимости от наработки

1.3 Частота отказов

Частота отказов - это отношение числа элементов в единицу времени или пробега отнесенного к первоначальному числу испытуемых элементов. Другими словами частота отказов является показателем, характеризующим скорость изменения вероятности отказов и вероятности безотказной работы по мере роста длительности работы.
Частота отказов обозначается как и определяется по формуле (1.3):

где - количество отказавших элементов за промежуток пробега .
Данный показатель позволяет судить по его величине о числе элементов, которые откажут на каком-то промежутке времени или пробега, также по его величине можно рассчитать количество требуемых запасных частей.
Характер изменения частоты отказов в функции пробега показан на рис. 1.3.

Рис. 1.3. График изменения частоты отказов в зависимости от наработки

1.4 Интенсивность отказов

Интенсивность отказов представляет собой условную плотность возникновения отказа объекта, определяемую для рассматриваемого момента времени или наработки при условии, что до этого момента отказ не возник. Иначе интенсивность отказов - это отношение числа отказавших элементов в единицу времени или пробега к числу исправно работающих элементов в данный отрезок времени.
Интенсивность отказов обозначается как и определяется по формуле (1.4):

где

Как правило, интенсивность отказов является неубывающей функцией времени. Интенсивность отказов обычно применяется для оценки склонности к отказам в различные моменты работы объектов.
На рис. 1.4. представлен теоретический характер изменения интенсивности отказов в функции пробега.

Рис. 1.4. График изменения интенсивности отказов в зависимости от наработки

На графике изменения интенсивности отказов, изображенном на рис. 1.4. можно выделить три основных этапа отражающих процесс экс-плуатации элемента или объекта в целом.
Первый этап, который также называется этапом приработки, характеризуется увеличением интенсивности отказов в начальный период эксплуатации. Причиной роста интенсивности отказов на данном этапе являются скрытые дефекты производственного характера.
Второй этап, или период нормальной работы, характеризуется стремлением интенсивности отказов к постоянному значению. В течение этого периода могут возникать случайные отказы, в связи с появлением внезапной концентрации нагрузки, превышающей предел прочности элемента.
Третий этап, так называемый период форсированного старения. Характеризуется возникновением износовых отказов. Дальнейшая эксплуатация элемента без его замены становится экономически не рациональной.

1.5 Средняя наработка до отказа

Средняя наработка до отказа - это средний пробег безотказной работы элемента до отказа.
Средняя наработка до отказа обозначается как L 1 и определяется по формуле (1.5):

где l i - наработка до отказа элемента; r i - число отказов.
Средняя наработка до отказа может быть использована для предварительного определения сроков ремонта или замены элемента.

1.6 Среднее значение параметра потока отказов

Среднее значение параметра потока отказов характеризует среднюю плотность вероятности возникновения отказа объекта, определяемая для рассматриваемого момента времени.
Среднее значение параметра потока отказов обозначается как W ср и определяется по формуле (1.6):

1.7 Пример расчета показателей безотказности

Исходные данные.
В течение пробега от 0 до 600 тыс. км., в локомотивном депо произведен сбор информации по отказам ТЭД. При этом количество исправных ТЭД в начале периода эксплуатации составляло N0 = 180 шт. Суммарное количество отказавших ТЭД за анализируемый период составило ∑r(600000) = 60. Интервал пробега принять равным 100 тыс. км. При этом количество отказавших ТЭД по каждому участку составило: 2, 12, 16, 10, 14, 6.

Требуется.
Необходимо рассчитать показатели безотказности и построить их зависимости изменения во времени.

Сначала необходимо заполнить таблицу исходных данных так, как это показано в табл. 1.1.

Таблица 1.1.

Исходные данные к расчету

, тыс. км	0 - 100	100 - 200	200 - 300	300 - 400	400 - 500	500 - 600
	2	12	16	10	14	6
	2	14	30	40	54	60

Первоначально по уравнению (1.1) определим для каждого участка пробега величину вероятности безотказной работы. Так, для участка от 0 до 100 и от 100 до 200 тыс. км. пробега вероятность безотказной работы составит:

Произведем расчет частоты отказов по уравнению (1.3).

Тогда интенсивность отказов на участке 0-100 тыс.км. будет равна:

Аналогичным образом определим величину интенсивности отказов для интервала 100-200 тыс. км.

По уравнениям (1.5 и 1.6) определим среднюю наработку до отказа и среднее значение параметра потока отказов.

Систематизируем полученные результаты расчета и представим их в виде таблицы (табл. 1.2.).

Таблица 1.2.

Результаты расчета показателей безотказности

, тыс.км.	0 - 100	100 - 200	200 - 300	300 - 400	400 - 500	500 - 600
	2	12	16	10	14	6
	2	14	30	40	54	60
P(l)	0,989	0,922	0,833	0,778	0,7	0,667
Q(l)	0,011	0,078	0,167	0,222	0,3	0,333
10 -7 , 1/км	1,111	6,667	8,889	5,556	7,778	3,333
10 -7 , 1/км	1,117	6,977	10,127	6,897	10,526	4,878

Приведем характер изменения вероятности безотказной работы ТЭД в зависимости от пробега (рис. 1.5.). Необходимо отметить, что первой точкой на графике, т.е. при пробеге равном 0, величина вероятности безотказной работы примет максимальное значение - 1.

Рис. 1.5. График изменения вероятности безотказной работы в зависимости от наработки

Приведем характер изменения вероятности отказа ТЭД в зависимости от пробега (рис. 1.6.). Необходимо отметить, что первой точкой на графике, т.е. при пробеге равном 0, величина вероятности отказа примет минимальное значение - 0.

Рис. 1.6. График изменения вероятности отказа в зависимости от наработки

Приведем характер изменения частоты отказов ТЭД в зависимости от пробега (рис. 1.7.).

Рис. 1.7. График изменения частоты отказов в зависимости от наработки

На рис. 1.8. представлена зависимость изменения интенсивности отказов от наработки.

Рис. 1.8. График изменения интенсивности отказов в зависимости от наработки

2.1 Экспоненциальный закон распределения случайных величин

Экспоненциальный закон достаточно точно описывает надежность узлов при внезапных отказах, имеющих случайный характер. Попытки применить его для других типов и случаев отказов, особенно постепенных, вызванных износом и изменением физико-химических свойств элементов показали его недостаточную приемлемость.

Исходные данные.
В результате испытания десяти топливных насосов высокого давления получены наработки их до отказа: 400, 440, 500, 600, 670, 700, 800, 1200, 1600, 1800 ч. Предполагая, что наработка до отказа топливных насосов подчиняется экспоненциальному закону распределения.

Требуется.
Оценить величину интенсивности отказов, а также рассчитать вероятность безотказной работы за первые 500 ч. и вероятность отказа в промежутке времени между 800 и 900 ч. работы дизеля.

Во-первых, определим величину средней наработки топливных насосов до отказа по уравнению:

Затем рассчитываем величину интенсивности отказов:

Величина вероятности безотказной работы топливных насосов при наработке 500 ч составит:

Вероятность отказа в промежутке между 800 и 900 ч. работы насосов составит:

2.2 Закон распределения Вэйбулла-Гнеденко

Закон распределения Вейбулла-Гнеденко получил широкое распространение и используется применительно к системам, состоящим из рядов элементов, соединенных последовательно с точки зрения обеспечения безотказности системы. Например, системы, обслуживающие дизель-генераторную установку: смазки, охлаждения, питания топливом, воздухом и т.д.

Исходные данные.
Время простоя тепловозов в неплановых ремонтах по вине вспомогательного оборудования подчиняется закону распределения Вейбулла-Гнеденко с параметрами b=2 и a=46.

Требуется.
Необходимо определить вероятность выхода тепловозов из неплановых ремонтов после 24 ч. простоя и время простоя, в течение которого работоспособность будет восстановлена с вероятностью 0,95.

Найдем вероятность восстановления работоспособности локомотива после простоя его в депо в течение суток по уравнению:

Для определения времени восстановления работоспособности локомотива с заданной величиной доверительной вероятности также используем выражение:

2.3 Закон распределения Рэлея

Закон распределения Рэлея используется в основном для анализа работы элементов, имеющих ярко выраженный эффект старения (элементы электрооборудования, различного рода уплотнения, шайбы, прокладки, изготовленные из резиновых или синтетических материалов).

Исходные данные.
Известно, что наработки контакторов до отказа по параметрам старения изоляции катушек можно описать функцией распределения Рэлея с параметром S = 260 тыс.км.

Требуется.
Для величины наработки 120 тыс.км. необходимо определить вероятность безотказной работы, интенсивность отказов и среднюю наработку до первого отказа катушки электромагнитного контактора.

3.1 Основное соединение элементов

Система, состоящая из нескольких независимых элементов, связанных функционально таким образом, что отказ любого из них вызывает отказ системы, отображается расчетной структурной схемой безотказной работы с последовательно соединенными событиями безотказной работы элементов.

Исходные данные.
Нерезервированная система состоит из 5 элементов. Интенсивности их отказов соответственно равны 0,00007; 0,00005; 0,00004; 0,00006; 0,00004 ч-1

Требуется.
Необходимо определить показатели надежности системы: интенсивность отказов, среднее время наработки до отказа, вероятность безотказной работы, частота отказов. Показатели надежности P(l) и a(l) получить в интервале от 0 до 1000 часов с шагом в 100 часов.

Вычислим интенсивность отказа и среднюю наработку до отказа по следующим уравнениям:

Значения вероятности безотказной работы и частоты отказов получим, используя уравнения приведенные к виду:

Результаты расчета P(l) и a(l) на интервале от 0 до 1000 часов работы представим в виде табл. 3.1.

Таблица 3.1.

Результаты расчета вероятности безотказной работы и частоты отказов системы на интервале времени от 0 до 1000 ч.

l , час	P(l)	a(l) , час -1
0	1	0,00026
100	0,974355	0,000253
200	0,949329	0,000247
300	0,924964	0,00024
400	0,901225	0,000234
500	0,878095	0,000228
600	0,855559	0,000222
700	0,833601	0,000217
800	0,812207	0,000211
900	0,791362	0,000206
1000	0,771052	0,0002

Графическая иллюстрация P(l) и a(l) на участке до средней наработки до отказа представлена на рис. 3.1, 3.2.

Рис. 3.1. Вероятность безотказной работы системы.

Рис. 3.2. Частота отказов системы.

3.2 Резервное соединение элементов

Исходные данные.
На рис. 3.3 и 3.4 показаны две структурные схемы соединения элементов: общего (рис. 3.3) и поэлементного резервирования (рис. 3.4). Вероятности безотказной работы элементов соответственно равны P1(l) = P ’1(l) = 0,95; P2(l) = P’2(l) = 0,9; P3(l) = P ’3(l) = 0,85.

Рис. 3.3. Схема системы с общим резервированием.

Рис. 3.4. Схема системы с поэлементным резервированием.

Вероятность безотказной работы блока из трех элементов без резервирования рассчитаем по выражению:

Вероятность безотказной работы той же системы при общем резервировании (рис. 3.3) составит:

Вероятности безотказной работы каждого из трех блоков при поэлементном резервировании (рис. 3.4) будут равны:

Вероятность безотказной работы системы при поэлементном резервировании составит:

Таким образом, поэлементное резервирование дает более существенное увеличение надежности (вероятность безотказной работы возросла с 0,925 до 0,965, т.е. на 4%).

Исходные данные.
На рис. 3.5 представлена система с комбинированным соединением элементов. При этом вероятности безотказной работы элементов имеют следующие значения: P1=0,8; Р2=0,9; Р3=0,95; Р4=0,97.

Требуется.
Необходимо определить надежность системы. Также необходимо определить надежность этой же системы при условии, что резервные элементы отсутствуют.

Рис.3.5. Схема системы при комбинированном функционировании элементов.

Для расчета в исходной системе необходимо выделить основные блоки. В представленной системе их три (рис. 3.6). Далее рассчитаем надежность каждого блока в отдельности, а затем найдем надежность всей системы.

Рис. 3.6. Сблокированная схема.

Надежность системы без резервирования составит:

Таким образом, система без резервирования является на 28% менее надежной, чем система с резервированием.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Подобные документы

Причины техногенных аварий. Аварии на гидротехнических сооружениях, на транспорте. Краткая характеристика крупных аварий и катастроф. Спасательные и неотложные аварийно-восстановительные работы при ликвидации крупных аварий и катастроф.

реферат , добавлен 05.10.2006


Количественная оценка полного риска эксплуатации опасных производственных объектов с помощью математического ожидания ущерба. Формулы расчёта риска аварии, вероятности события, связанного с причинением вреда человеку и окружающей природной среде.

статья , добавлен 01.09.2013


Признаки, позволяющие отнести событие к чрезвычайной ситуации техногенного характера. Причины производственных аварий. Пожары, взрывы, угрозы взрывов. Аварии на коммунальных системах жизнеобеспечения, на очистных сооружениях. Внезапное обрушение зданий.

презентация , добавлен 09.03.2015


Классификация чрезвычайных ситуаций. Краткая характеристика аварий и катастроф, характерных для Республики Беларусь. Аварии на химически опасных, пожаро- и взрывоопасных объектах. Обзор стихийных бедствий. Возможные чрезвычайные ситуации для г. Минска.

реферат , добавлен 05.04.2015


История и виды аварий на гидродинамически опасных объектах, их причины и последствия. Затопление прибрежных территорий в результате разрушения гидротехнических сооружений (плотин и дамб). Меры по уменьшению последствий аварий на опасных объектах.

реферат , добавлен 30.12.2010


Основное понятие об авариях, примерный их перечень. Человеческий фактор как одна из причин аварий. Анализ аварий на шахте "Западная-Капитальная" (Ростовская обл., г. Новошахтинск), шахтах "Ак Булак комур", "Комсомольская", "Юбилейная", "Ульяновская".

реферат , добавлен 06.04.2010


Сущность техногенных аварий. Анализ количества чрезвычайных происшествий и аварий на коммунально-энергетических системах жизнеобеспечения в Республике Хакасия. Динамика аварий на коммунально-энергетических системах в городских муниципальных образованиях.

курсовая работа , добавлен 09.07.2011


Организационные основы осуществления мероприятий по предупреждению и ликвидации последствий аварий и катастроф природного и технического характера. Функционально-организационные структуры поисково-спасательной службы по делам гражданской обороны.

отчет по практике , добавлен 03.02.2013

Опасность технических систем. Отказ, вероятность отказа.

Определение опасности

Опасность - центральное понятие как сферы безопасности жизнедеяте­льности в техносфере, так и промышленной безопасности. Под опасностью понимаются явления, процессы, объекты, способные в определенных усло­виях наносить вред здоровью человека, ущерб окружающей природной сре­де и социально-экономической инфраструктуре, т. е. вызывать нежелатель­ные последствия непосредственно или косвенно. Другими словами, опасность - следствие действия некоторых негативных (вредных и опас­ных) факторов на определенный объект (предмет) воздействия. При несоот­ветствии характеристик воздействующих факторов характеристикам объ­екта (предмета) воздействия и появляется феномен опасности (например, ударная волна, аномальная температура, недостаток кислорода в воздухе, токсичные примеси в воздухе и т. п.).

Опасность - свойство, внутренне присущее сложной технической сис­теме. Она может реализоваться в виде прямого или косвенного ущерба для объекта (предмета) воздействия постепенно или внезапно и резко - в ре­зультате отказа системы. Скрытая (потенциальная) опасность для человека реализуется в форме травм, которые происходят при несчастных случаях, авариях, пожарах и пр., для технических систем - в форме разрушений, по­тери управляемости и т. д., для экологических систем - в виде загрязнений, утрате видового разнообразия и др.

Определяющие признаки - возможность непосредственного отрицате­льного воздействия на объект (предмет) воздействия; возможность наруше­ния нормального состояния элементов производственного процесса, в резу­льтате которого могут возникнуть аварии, взрывы, пожары, травмы. Наличие хотя бы одного из указанных признаков является достаточным для отнесения факторов к разделу опасных или вредных.

Количество признаков, характеризующих опасность, может быть увели­чено или уменьшено в зависимости от целей анализа.

Анализ реальных аварийных ситуаций, событий и факторов и человече­ская практика уже сегодня позволяют сформулировать ряд аксиом об опас­ности технических систем:

Аксиома 1. Любая техническая система потенциально опасна. Потенциа­льность опасности заключается вскрытом, неявном характере и проявляет­ся при определенных условиях. Ни один вид технической системы при ее функционировании не обеспечивает абсолютной безопасности.

Аксиома 2. Техногенные опасности существуют, если повседневные пото­ки вещества, энергии и информации в техносфере превышают пороговые значе­ния. Пороговые, или предельно допустимые, значения опасностей устанав­ливаются из условия сохранения функциональной и структурной целостности человека и природной среды. Соблюдение предельно допусти­мых значений потоков создает безопасные условия жизнедеятельности че­ловека в жизненном пространстве и исключает негативное влияние техно­сферы на природную среду.

Аксиома 3. Источниками техногенных опасностей являются элементы техносферы. Опасности возникают при наличии дефектов и иных неисправ­ностей в технических системах, при неправильном использовании техниче­ских систем. Технические неисправности и нарушения режимов использо­вания технических систем приводят, как правило, к возникновению травмоопасных ситуаций, а выделение отходов (выбросы в атмосферу, сто­ки в гидросферу, поступление твердых веществ на земную поверхность, энергетические излучения и поля) сопровождается формированием вред­ных воздействий на человека, природную среду и элементы техносферы.

Аксиома 4. Техногенные опасности действуют в пространстве и во време­ни. Травмоопасные воздействия действуют, как правило, кратковременно и спонтанно в ограниченном пространстве. Они возникают при авариях и катастрофах, при взрывах и внезапных разрушениях зданий и сооруже­ний. Зоны влияния таких негативных воздействий, как правило, ограниче­ны, хотя возможно распространение их влияния и на значительные терри­тории, например, при аварии на ЧАЭС.

Для вредных воздействий характерно длительное или периодическое не­гативное влияние на человека, природную среду и элементы техносферы. Пространственные зоны вредных воздействий изменяются в широких пре­делах от рабочих и бытовых зон до размеров всего земного пространства. К последним относятся воздействия выбросов парниковых и озоноразруша- ющих газов, поступление радиоактивных веществ в атмосферу и т. п.

Аксиома 5. Техногенные опасности оказывают негативное воздействие на человека, природную среду и элементы техносферы одновременно. Человек и окружающая его техносфера, находясь в непрерывном материальном, энергетическом и информационном обмене, образуют постоянно действую­щую пространственную систему «человек - техносфера». Одновременно существует и система «техносфера - природная среда». Техногенные опас­ности не действуют избирательно, они негативно воздействуют на все со­ставляющие вышеупомянутых систем одновременно, если последние ока­зываются в зоне влияния опасностей.

Аксиома 6. Техногенные опасности ухудшают здоровье людей, приводят к травмам, материальным потерям и к деградации природной среды.

1.2 Определение надёжности. Отказ, вероятность отказа.

Работа любой технической системы может характеризоваться ее эффек­тивностью, под которой понимается совокупность свойств, определяющих способность системы успешно выполнять определенные за­дачи.

В соответствии с ГОСТ 27.002-89 под надежностью понимают свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех па­раметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортировки.

Надежность в общем случае - комплексное свойство, включающее та­кие понятия, как безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохра­няемость. Для конкретных объектов и условий их эксплуатации эти свойст­ва могут иметь различную относительную значимость.

Безотказность - свойство объекта непрерывно сохранять работоспособ­ность в течение некоторой наработки или в течение некоторого времени.

Отказ объекта - событие, заключающееся в том, что объект полностью или частично перестает выполнять заданные функции. При полной потере работоспособности возникает полный отказ, при частичной - частичный. Понятия полного и частичного отказов каждый раз должны быть четко сформулированы перед анализом надежности, поскольку от этого зависит количественная оценка надежности.

Причины возникновения отказов происходят из-за:

Конструктивных дефектов;

Технологических дефектов;

Эксплуатационных дефектов;

Постепенного старения (износа).

Наработка до отказа - вероятность того, что в пределах заданной нара­ботки отказ объекта не возникнет (при условии работоспособности в нача­льный момент времени).

Для режимов хранения и транспортировки может применяться анало­гично определяемый термин «вероятность возникновения отказа».

Средняя наработка до отказа - математическое ожидание случайной наработки объекта до первого отказа.

Средняя наработка между отказами - математическое ожидание слу­чайной наработки объекта между отказами.

Обычно этот показатель относится к установившемуся процессу эксплу­атации. В принципе средняя наработка между отказами объектов, состоя­щих из стареющих во времени элементов, зависит от номера предыдущего отказа. Однако с ростом номера отказа (т.е. с увеличением длительности эксплуатации) эта величина стремится к некоторой постоянной, или, как говорят, к своему стационарному значению.

Средняя наработка на отказ - отношение наработки восстанавливае­мого объекта за некоторый период времени к математическому ожиданию числа отказов в течение этой наработки.

Этим термином можно назвать кратко среднюю наработку до отказа и среднюю наработку между отказами, когда оба показателя совпадают.

Интенсивность отказов - условная плотность вероятности отказа невосстанавливаемого объекта, определяемая для рассматриваемого момен­та времени при условии, что до этого момента отказ не возник.

Параметр потока отказов - плотность вероятности возникновения отказа восстанавливаемого объекта, определяемая для рассматриваемого момента времени.

Параметр потока отказа может быть определен как отношение числа отказов объекта за определенный интервал времени к длительности этого интервала при ординарном потоке отказов.

Вероятностью безотказной работы Р(t) называется вероятность того, что при определённых условиях эксплуатации в заданном интервале времени или в пределах заданной наработки не произойдёт ни одного отказа:

Так как безотказная работа и отказ являются событиями несовместными и противоположными, то между ними справедливо следующее соотношение:

Так как Q (t) есть закон распределения случайной величины (отказов), то зависимость между возможными значениями непрерывной случайной вели­чины Т и вероятностями попадания в их окрестность называется её плотностью вероятности.

Частота отказов a(t) есть плотность вероятности времени работы изделия до первого отказа:

Интенсивностью отказов называется отношение числа отказавших изде­лий в единицу времени к среднему числу изделий, исправно работающих в данный отрезок времени. Вероятностная оценка этой характеристики находится из выражения:

Средней наработкой до первого отказа называется математическое ожидание М[t] времени работы изделия до отказа. Как математическое ожидание, Т ср вычисляется через частоту отказов (плотность распределения времени безотказной работы):

так как t > 0 и P(0) = 1, а P(∞) = 0, то

Зная один из показателей надёжности и закон распределения отказов, можно вычислить остальные характеристики надёжности с учётом следую­щих формул:

Опыт взаимодействия человека с техническими системами позволяет идентифицировать травмиру­ющие и вредные факторы, а также выработать ме­тоды оценки вероятности появления опасных ситуа­ций. Прежде всего, это накопление статистических данных об аварийности и травматизме (табл. 1), различные способы преобразования и обработки ста­тистических данных, повышающие их информатив­ность. Недостатком этого метода является его ог­раниченность, невозможность экспериментирования и неприменимость к оценке опасности новых тех­нических средств и технологий.

Значительное развитие и практическое примене­ние получила теория надежности. Надежность это свойство объекта сохранять во времени в уста­новленных пределах значения всех параметров, по­зволяющих выполнять требуемые функции. Для ко­личественной оценки надежности применяют веро­ятностные величины.

Таблица 1

Ши­рокое распространение получила диаграмма ветвя­щейся структуры, называемая «дерево событий». Рассмотрим процедуру построения дерева, его качественный и количественный анализ на приме­ре.

Будем считать, что для гибели человека от элек­трического тока необходимо и достаточно включе­ние его тела в цепь, обеспечивающую прохождение смертельного тока. Следовательно, чтобы произо­шел несчастный случай (событие А), необходимо од­новременное выполнение по крайней мере трех ус­ловий: наличие потенциала высокого напряжения на металлическом корпусе электроустановки (собы­тие Б), появление человека на заземленном прово­дящем основании (событие В), касание человека корпуса электроустановки (событие Г).

В свою очередь событие Б может быть следстви­ем любого из событий - предпосылок Д и Е, на­пример, нарушение изоляции или смещение неизо­лированного контакта и касание им корпуса. Собы­тие В может появиться как результат предпосылок Ж и З, когда человек становится на заземленное проводящее основание или касается телом зазем­ленных элементов помещения. Событие Г может явиться одной из трех предпосылок И, К и Л - ремонт, техобслуживание или работа установки.

Анализ дерева событий состоит в выявлении ус­ловий, минимально необходимых и достаточных для возникновения или невозникновения головного со­бытия. Модель может давать несколько минималь­ных сочетаний исходных событий, приводящих в совокупности к данному происшествию. В данном примере имеются двенадцать минимальных аварий­ных сочетаний: ДЖИ, ДЖК, ДЖЛ, ДЗИ, ДЗК, ДЗЛ, ЕЖИ, ЕЖК, ЕЖЛ,ЕЗИ, ЕЗК, ЕЗЛ и три минималь­ных секущих сочетания, исключающих возможность появления происшествия при одновременном отсут­ствии образующих их событий: ДЕ, ЖЗ, ИКЛ.

Аналитическое выражение условий появления исследуемого происшествия имеет вид А = (Д + Е) (Ж + 3)(И + К + Л). Подставив вместо буквенных символов вероятности соответствующих предпосы­лок, можно получить оценку риска гибели челове­ка от электрического тока в конкретных условиях.

Например, при равных вероятностях Р(Д) = Р(Е) = = ...Р(Л) = 0,1 вероятность гибели человека от элек­трического тока в рассматриваемом случае

Р(А)=(ОД+0,1)(0,1+ОД)(0,1+о,1+ОД)=0,012.

Таким образом, может быть рассчитана вероятность несчастного случая или аварии на производстве.

Анализ причин появления опасности для человека при его взаимодействии с техническими системами позволяет выделить причины - организационные и технические. Для устранения организационных причин совершенствуется технологический процесс, уточняются процедуры подготовки и контроля операторов. При этом техническая система рассматривается как замкнутая система, взаимодействующая с окружающей средой. В этом случае под окружающей средой понимается комплекс условий на каждом этапе жизненного цикла системы. В комплекс условий включаются все возможные факторы, воздействующие на систему, в том числе профессионализм конструкторов, технологические факторы производственного процесса изготовления, режимы эксплуатации (электрические, тепловые и др.). Объективной закономерностью является то, что при переходе от этапа к этапу в жизненном цикле технической системы количество воздействующих на систему факторов возрастает, увеличивается в связи с этим и степень жесткости влияния. Это ведет к уменьшению надежности и увеличению опасности в цепочке «человек - техническая система - окружающая среда», что делает задачу обеспечения безопасности технических систем чрезвычайно сложной.

На практике необходимый уровень безопасности технических средств и технологических процессов устанавливается системой государственных стандартов безопасности труда (ССБТ) с помощью соответствующих показателей. Стандарты формируют общие требования безопасности, а также требования безопасности к различным группам оборудования, производственных процессов, требования к средствам обеспечения безопасности труда.

Нормативные показатели безопасности во всех сферах труда разрабатываются в соответствии с санитарными нормами и вводятся посредством соответствующих государственных стандартов (ГОСТ). Так, например, внедрение новой техники увеличило интенсивность шума и вибрации и расширило диапазон частот в ультра и инфразвуковых частях спектра колебаний. Это вызвало необходимость разработки и включения в ГОСТ нормативов допустимых уровней ультра и инфразвука на производстве.

Соответствующие нормативы, гарантирующие безопасное взаимодействие человека с техническими системами и технологическими процессами, установлены для электромагнитных полей, электрического напряжения и тока, излучений оптического диапазона, ионизирующих излучений, химических, биологических и психофизических опасных и вредных факторов. При разработке технических средств и технологий применяются все возможные меры для снижения опасных и вредных факторов ниже предельно допустимого уровня. Для каждого технического средства разрабатываются правила эксплуатации, гарантирующие безопасность при их выполнении. Для каждой технологической операции также разрабатываются правила техники безопасности.
2 Качественный и количественный анализ опасностей

Качественный анализ опасностей

Качественные методы анализа опасностей включают:

Предварительный анализ опасностей;

Анализ последствий отказов;

Анализ опасностей с помощью "дерева причин";

Анализ опасностей методом потенциальных отклонений;

Анализ ошибок персонала;

Причинно-следственный анализ.

В результате анализа аварийной (потенциальной) опасности могут быть определены следующие показатели:

Индивидуальный риск;

Социальный риск;

Структура поражённых по степени тяжести;

Вид поражений;

Материальный ущерб и др.

Наиболее распространённым методом анализа безопасности является метод построения "деревьев отказов (ошибок)". В терминологии теории построения и анализа "деревьев отказов " выход из строя определённых элементов, например, нарушение герметичности резервуара со сжиженным углеводородным газом с последующим образованием облака топливовоздушной смеси и его взрывом, классифицируется как внешнее нежелательное событие (ВНС).

В строящихся деревьях, как правило, имеются ветви опасностей. Многоэтажный процесс ветвления "дерева" требует введения ограничений с целью определения его пределов. Логические операции принято обозначать соответствующими символами (см.табл.2).

Таблица 2 - Символы событий

Построение "дерева причин", "дерева отказов" является эффективной процедурой выявлении причин различных нежелательных событий (аварий, травм, пожаров, дорожно-транспортных происшествий) и экспертизой безопасности оборудования и процессов.

Рисунок 2

А - отказ средств борьбы со взрывом; Б - образование облака ТВС; В - разгерметизация каждой ёмкости; Г - инициация взрыва; Д- факел, печь; Е - автотранспорт; З - электродвигатель; Ж - огневые работы; И - удар предмета; К - разрушение резервуара; Л - разрушение трубопровода; М -разгерметизация арматуры; Н - температура; О - скорость ветра; П - состояние атмосферы.

ОПАСНОСТИ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

План лекции:

5.1. Основные понятия анализа опасностей. Отказ, вероятность отказа.

5.2. Качественный и количественный анализ опасностей.

5.3. Средства снижения травмоопасности и вредного воздействия технических систем.

5.4. Безопасность функционирования автоматизированных и роботизированных производств.

Объектом анализа опасностей является система «человек – машина - окружающая среда (ЧМС)», в которой в единый комплекс, предназначенный для определенных функций, объединены технические объекты, люди и окружающая среда, взаимодействующие друг с другом. Самым простым является локальное взаимодействие, которое осуществляется при контакте человека с техникой в домашних условиях, на работе и во время движения, а также взаимодействие между отдельными промышленными предприятиями. Взаимодействие может быть штатным и нештатным.

Нештатное взаимодействие объектов, входящих в систему ЧМС, может выражаться в виде чепе. Аппарат анализа опасностей построен на следующих определениях.

Чепе – нежелательное, незапланированное, непреднамеренное событие в системе ЧМС, нарушающее обычный ход вещей и происходящее в относительно короткий период времени.

Несчастный случай – чепе, заключающееся в повреждении организма человека.

Отказ – чепе, заключающееся в нарушении работоспособности компонента системы.

Инцидент – вид отказа, связанный с неправильными децствиями или поведением человека.

Катастрофы, аварии, несчастные случаи образуют группу чепе, которые называются чепе - несчастьями или н-чепе. Отказы и инциденты обычно предшествуют н-чепе, но могут иметь и самостоятельное значение.

Опасность – возможность н-чепе и тех чепе, которые к нему ведут.

Источник опасности – явление, откуда может проистекать опасность.

Опасная зона – пространство, где существует возможность наступления н-чепе.

Чепе - несчастья создают повреждения, которые могут поддаваться или не поддаваться количественной оценке, например, смертельные случаи, уменьшение продолжительности жизни, вред здоровью, материальный ущерб, ущерб окружающей среде, дезорганизация работы. Последствия или количество нанесенного вреда зависит от многих факторов, например, от числа людей, находившихся в опасной зоне, или количества и качества находившихся там материальных ценностей. Различные последствия и вред обозначают термином ущерб. Ущерб измеряют денежным эквивалентом или числом летальных исходов, или количеством травмированных людей и т.п. Между этими единицами измерения желательно найти эквивалент, чтобы ущерб можно было измерить в стоимостном выражении.

Анализ опасностей делает предсказуемыми перечисленные выше чепе и, следовательно, их можно предотвратить соответствующими мерами. К главным моментам анализа опасностей относится поиск ответов на следующие вопросы. Какие объекты являются опасными? Какие чепе можно предотвратить? Какие чепе нельзя устранить полностью и как часто они будут иметь место? Какие повреждения неустранимые чепе могут нанести людям, материальным объектам, окружающей среде?

Анализ опасностей описывает опасности качественно и количественно и заканчивается планированием предупредительных мероприятий. Он базируется на знании алгебры логики и событий, теории вероятностей, статистическом анализе, требует инженерных знаний и системного подхода.

Любой объект техносферы потенциально опасен. Всегда существует возможность происшествия: инцидента, аварии, катастрофы.

Инцидент – событие в результате которого возникает или может возникнуть несчастный случай.

Аварией обычно считается происшествие, в результате которого повреждена техника, без гибели людей.

Крупная авария , повлекшая за собой человеческие жертвы, значительный материальный ущерб, загрязнение среды, считается катастрофой.

Причины происшествия могут быть внутренними (отказы техники, ошибочные действия персонала) и внешними (транспортные аварии при перевозке опасных грузов, противоправные действия, природная среда и др.).

Опасность объекта техносферы – это его свойство, состоящее в возможности в процессе эксплуатации при определенных обстоятельствах причинять ущерб человеку, организации, окружающей природной среде .

Экономический ущерб , который может быть причинен объектом, называется потенциалом угрозы . Верхний предел потенциала угрозы обозначается как потенциал опасности технического объекта.

По потенциалу опасности промышленные объекты делятся на неопасные и опасные. Ущерб от потенциально опасных объектов наступает в случае аварий. В РФ опасные объекты подлежат регистрации в государственном реестре, обязаны заниматься декларированием безопасности и страхованием ответственности за ущерб третьим лицам.

Согласно федеральному закону «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» от 21.07.97 № 116-ФЗ различают 5 групп объектов по виду опасности :

1) опасные вещества (воспламеняющиеся, окисляющиеся, горючие, взрывчатые, токсичные);

2) давление (более 0,07 МПа), температура нагрева воды (более115°);

3) высота (грузоподъемные машины, эскалаторы, фуникулеры, канатные дороги);

4) расплавы черных и цветных металлов;

5) подземные условия (горные работы).

По природе образующихся в результате аварии опасных факторов выделяют 6 групп потенциально-опасных объектов:

1) ядерно и радиационно опасные;

2) химически опасные;

3) пожаровзрывоопасные;

4) биологически опасные;

5) гидродинамически опасные;

6) объекты жизнеобеспечения.

Различают следующие виды опасных техногенных явлений: транспортные аварии, пожары, взрывы, химические аварии, радиационные аварии, гидродинамические аварии, разрушения зданий.

Оценка риска аварии – процесс, используемый для определения вероятности (или частоты) и степени тяжести последствий реализации опасностей аварий для здоровья человека, имущества и (или) окружающей природной среды.

Оценка риска включает анализ вероятности (или частоты), анализ последствий и их сочетания.

Риск аварии – мера опасности, характеризующая возможность возникновения аварии на опасном производственном объекте и тяжесть ее последствий.

Основными количественными показателями риска аварии являются:

· технический риск – вероятность отказа технических устройств с последствиями определенного уровня (класса) за определенный период функционирования опасного производственного объекта (определяют методами теории надежности);

· индивидуальный риск – частота поражения отдельного человека в результате воздействия исследуемых факторов опасности аварий. Рекомендуется оценивать индивидуальный риск отдельно для персонала объекта и для населения прилегающей территории или, при необходимости, для более узких групп, например, для рабочих различных специальностей;

· потенциальный территориальный риск (или потенциальный риск) – частота реализации поражающих факторов аварии в рассматриваемой точке территории;

· коллективный риск – ожидаемое количество пораженных в результате возможных аварий за определенное время;

· социальный риск , или F/N-кривая (в зарубежных работах – кривая Фармера), – зависимость частоты возникновения событий (F), в которых пострадало на определенном уровне не менее N человек, от этого числа N. Характеризует тяжесть последствий (катастрофичность) реализации опасностей. Под N можно понимать и общее число пострадавших, и число смертельно травмированных или другой показатель тяжести последствий. Критерий приемлемого риска будет определяться не числом для отдельного события, а кривой, построенной для различных сценариев аварии с учетом их вероятности. В настоящее время общераспространенным подходом для определения приемлемости риска является использование двух кривых, когда, например, в логарифмических координатах определены F/N-кривые приемлемого и неприемлемого риска смертельного травмирования. Область между этими кривыми определяет промежуточную степень риска, вопрос о снижении которой следует решать, исходя из специфики производства и региональных условий;

· ущерб от аварии – потери (убытки) в производственной и непроизводственной сфере жизнедеятельности человека, вред окружающей природной среде, нанесенные в результате аварии на опасном производственном объекте и исчисляемые в денежном эквиваленте».