Исследование и разработка методических вопросов управления надежностью технических устройств на основе информации ограниченного объема

Управление надежностью технических систем — одна из сложных и многогранных научно-технических проблем, решению которой уделяется большое внимание в различных областях техники. В отечественных и зарубежных источниках приводится большое количество примеров, подтверждающих роль надежности технических устройств различного назначения в решении проблем эффективности, безопасности, безаварийности.

Отдельные вопросы, связанные с проблемой управления надежностью, достаточно глубоко проработаны, что позволило разработать ряд стандартов, методических указаний и других нормативных документов, носящих как отраслевой, так и межотраслевой характер.

Однако целый ряд вопросов, относящихся к проблеме надежности, еще требует глубокого изучения и проработки.

Эффективность решений, принимаемых в процессе управления во многом определяется объемом информации о состоянии объекта управления, имеющейся у исследователя. Однако, при значительном неуклонном росте общего потока информации, в конкретных ситуациях объем информации очень часто бывает незначительным. Такие ситуации достаточно часто возникают в задачах управления надежностью технических устройств. Это обусловлено рядом причин: научно-технический прогресс приводит к частой сменяемости объектов производства, следствием чего является выпуск изделий малыми серияминаличие общей тенденции к повышению надежности приводит к тому, что отказы объектов становятся все более редкими событияминадежность объектов проявляется, как правило, в процессе длительной эксплуатации, а потребность в проведении анализа возникает уже на ранних стадиях эксплуатации.

Неизбежной платой за попытку получить решение в условиях ограниченной информации является возможность принятия ошибочного решения.

Необходимость преодоления трудностей, связанных с указанными причинами, вызывала появление специальных методов решения некоторых проблем управления надежностью.

Естественная неудовлетворенность потребителей, эксплуатирующих одно или несколько технических устройств, показателями надежности вида «средняя наработка», «средний ресурс» приводила к включению в некоторые нормативно-технические документы показателей вида «гарантийная наработка», «минимальная наработка», «установленная наработка» и т. п. Однако определения этих показателей находились в противоречии с вероятностно-статистическими основами теории надежности, а также предлагаемыми методами их контроля. Поэтому у большинства специалистов попытки их внедрения вызывали серьезные возражения. Таким образом, одним из актуальных вопросов является разработка методического подхода к выбору показателей надежности для включения в нормативно-техническую документацию, учитывающего интересы потребителей небольшого количества объектов.

Наиболее достоверную информацию о надежности объектов содержат данные об их отказах в процессе испытаний и эксплуатации. Ограниченный объем таких данных привел к разработке статистических и физико-статистических методов оценки и прогнозирования надежности, здштывающих различного рода дополнительную (априорную) информацию, например, данные об аналогахо надежности элементов и блоков, входящих в устройствоо результатах испытаний и измерений при научных исследованиях, моделировании, макетировании, производстве. Эти методы, как правило, используют предположения о том, что исследуемые величины подчиняются некоторым известным законам распределения. Однако получение таких данных не всегда возможно. Поэтому еще одним из важнейших вопросов является переход от параметрических к непараметрическим методам статистического анализа.

Таким образом, целью настоящей работы является разработка методологии выбора и нормирования показателей, а также анализа, оценивания и контроля надежности при малых выборках на базе критериев и алгоритмов непараметрической статистики.

Учитывая то, что современный этап развития техники характеризуется непрерывным совершенствованием типов машин, оборудования, приборов и, в связи с этим, частой сменяемостью объектов производства, необходимость разработки вопросов, направленных на решение указанной выше проблемы, является весьма актуальной.

Работа состоит из 7 глав.

В первой главе рассматриваются общие принципы управления надежностью, особенности задач управления в условиях ограниченной инф<5рмации, формулируются задачи исследований.

Вторая глава посвящена разработке методического подхода к выбору вида показателей надежности для включения в нормативно-техническую документацию на основе моделей гарантированной эффективности.

Содержание третьей главы составляют вопросы, связанные с анализом точности методов оценивания надежности по малым цензури-рованным выборкам.

В четвертой главе приводятся материалы, посвященные применению непараметрических критериев для проверки однородности статистической информации малого объема, полученной из разных источников, с целью её объединения для получения более точных и достоверных оценок показателей надежности.

Пятая глава посвящена исследованию критериев, применяемых для статистического анализа начального и завершающего этапов эксплуатации, в частности, проверки гипотез о наличии периода приработки и приближении предельного состояния,.

В шестой главе рассматриваются вопросы, связанные с контролем надежности готовых изделий по мальм выборкам.

Седьмая глава посвящена вопросу нормирования гарантийных сроков.

3 приложениях приводится ряд таблиц, необходимых при проведении статистического анализа надежности по малым выборкам.

Автором решены следующие вопросы, вносящие новизну в исследование проблемы:

1. Разработан методический подход к выбору показателей надежности для включения в НТД, учитывающий интересы потребителей небольшого количества объектов, основанный на моделях гарантированного эффекта.

2. Проведено исследование точности методов оценивания по цензурированным выборкам, что позволило рекомендовать к применению при малых выборках метод последовательного перехода к новой системе координат.

3. Предложен новый критерий однородности двух выборок для альтернатив пересечения функций распределения.

4. Разработан алгоритм проверки однородности двух выборок при альтернативе общего вида, основанный на применении двух ранговых критериев.

5. Предложен новый автокорреляционный критерий, обладающий при малых выборках лучшими свойствами, чем известные критерии ранговой корреляции Спирмена и Кендалла.

6. Разработана система контроля надежности, основанная на применении рангового критерия однородности. то.

Практическая значимость работы состоит в том, что предложенные методы и критерии проработаны до уровня, обеспечивающего возможность их практического применения:• составлена таблица, позволяющая по классификационным признакам объекта на основе моделей гарантированного эффекта выбрать для него совокупность показателей надежностиполучены математические выражения, по которым определяются оптимальные варианты исполнения объектов для всех возможных совокупностей показателей надежности, выбранных по моделям гарантированного эффектаприведены таблицы коэффициентов для вычисления консервативных интервальных оценок показателей надежности, полученных методом последовательного перехода к новой системе координатприведены таблицы критических значений и рекомендации по их использованию для предложенных автором критериев обратных рангов, отношения рангов, автокорреляционного критерия обратных рангов, а также впервые приводятся аналогичные таблицы и рекомендации для критерия Сэвиджаприведены данные о мощности предложенных критериев при различных объемах выборок для ряда альтернативприведены таблицы, позволяющие при заданных рисках постав-шика и потребителя, объеме эталонной выборки, отношении приемочного уровня надежности к браковочному выбрать минимальный объем контролируемой выборки в случае использования при контроле рангового критерия однородности.

По направлению исследований автором выполнено более 90 научных работ, более 60 из них опубликовано.

Основные результаты проведенных исследований были опубликованы в следующих работах:

1. Буртаев Ю. Ф., Резинкина Э. А. О регламентации надежности // Электротехническая промышленность. Серия «Общеотраслевые вопросы». — 1974, № 11(427). — С.16−18.

2. Буртаев Ю. Ф. О регламентации сохраняемости //Электротехническая промышленность. Серия «Общеотраслевые вопросы». — 1974, 12(428). — С.19−20.

3. Буртаев Ю. Ф., Чуркина М. В. Контроль надежности в мелкосерийном производстве.//Электротехническая промышленность. Серия «Общеотраслевые вопросы». — 1977, № 7(458). — С.25−26.

4. Фомин В. Н., Буртаев Ю. Ф., Антонова Е. А. Планирование испытаний при контроле надежности с использованием критерия Вил-коксона //Надежность и контроль качества. — 1979, № 9. -C.3-II.

5. Фомин В. Н., Буртаев Ю. Ф. Выбор номенклатуры показателей надежности изделий мелкосерийного производства //Надежность и контроль качества. — 1980, № 6. — С.46−54.

6. Буртаев Ю. Ф. Оптимальные планы контроля надежности при использовании критерия Вилкоксона //Электротехническая промышленность. Серия «Общеотраслевые вопросы». — 1981, № 3(502).-С.15−17.

7. Буртаев Ю. Ф. Об эффективности испытаний на безотказность технических устройств //Электротехническая промышленность. Серия «Общеотраслевые вопросы». — 1981,№ 5(504). — С.18−19.

8. Буртаев Ю. Ф., Алешин A.B. Выбор показателей надежности РЭА для включения в нормативно-техническую документацию. Учебное пособие.- М.: МИРЭА, 1983. — 28с.

9. Буртаев Ю. Ф. О стандартизации показателей надежности //Стандарты и качество. — 1988, № 9. — С.39−40.

10. Буртаев Ю. Ф. Планирование сравнительных испытаний на надежность //Надежность и контроль качества.-1990,№ 6. — C.3-II.

11. Буртаев Ю. Ф., Козлова A.H. О послеремонтной приработке автотракторных генераторов //Техника в сельском хозяйстве. -1991, № б. — С.22.

12. Буртаев Ю. Ф., Мочальнов A.B. Исследование мощности ранговых критериев проверки однородности при малых выборках: В сб. «Диагностика и прогнозирование надежности элементов ядерных энергетических установок» — Обнинск: 1992, № 8. С.72−77.

13. Буртаев Ю. Ф., Мочальнов A.B. Сравнение мощности непараметрических критериев однородности при малых выборках//Вероят-ностно-физические методы исследования надежности машин и аппаратуры: Тез.докл.Международн.конф.- Киев: 1992. — С.5−6.

14. Буртаев Ю. Ф., Мочальнов A.B. Свойства ранговых критериев однородности при малых выборках //Методы и средства оценки и повышения надежности приборов, устройств и систем: Тез.докл. Международн.конф.- Пенза: 1993. — С.30−31.

15. Буртаев Ю. Ф., Мочальнов A.B. Исследование свойств критерия обратных рангов при малых выборках //Надежность и контроль качества. — 1993, № 9. — С.37−46.

1С. Буртаев Ю. Ф., Гуреев C.B. Исследование точности методов оценивания по цензурированным выборкам //Методы и средства оценки и повышения надежности приборов, устройств и систем: Тез. докл.Международн.конф. — Пенза: 1993. — С.15−16.

17. Буртаев Ю. Ф. Использование ранговых критериев при планировании испытаний на надежность //Проблемы конверсии, разработки и испытаний приборных устройств: Тез.докл.Международн.конф.-Владимир: 1993. — С.129−130.

18. Буртаев Ю. Ф., Гуреев C.B., Мочальнов A.B. Исследование методов статистического анализа надежности в условиях ограниченной информации //Безопасность АЭС и подготовка персонала: Тез.докл. 3 Международн.конф. — Обнинск: 1993. — С.71.

19. Буртаев Ю. Ф., Гуреев C.B. Сравнение точности методов оценивания надежности по цензурированным выборкам //Надежность и контроль качества. — 1994, № 5. — С.33−37.

20. Буртаев Ю. Ф. Методические вопросы управления надежностью по информации ограниченного объема //Методы и средства оценки и повышения надежности приборов, устройств и систем: Тез.докл. Росс.конф. — Саратов 1994, ч.1. — С.88−89.

21. Буртаев Ю. Ф. 0 применении непараметрических методов при статистическом анализе надежности //Методы и средства оценки и повышения надежности и приборов, устройств и систем: Тез. докл. Росс.конф. — Саратов 1994, ч.2. — С.II.

22. Буртаев Ю. Ф. 0 некоторых свойствах критериев, зависящих от обратных рангов: В сб." Диагностика и прогнозирование надеж ности ядерных энергетических установок". — Обнинск: 1994, 19. С.63−67.

23. Буртаев Ю. Ф. Двухвыборочный ранговый критерий однородности для альтернатив с пересечением функций распределения // Надежность и контроль качества. — 1995, № 2. — С.30−38.

24. Буртаев Ю. Ф. 0 возможности непараметрического контроля средней наработки до отказа: В сб." Диагностика и прогнозирование надежности элементов ядерных энергетических установок". -Обнинск: 1995, № 10. — С.40−42.

25. Буртаев Ю. Ф. Методология проверки однородности статистической информации о надежности при альтернативе общего вида // Методы и средства повышения надежности приборов, устройств и систем: Тез.докл.Международн.конф. — Пенза 1995. — С.31−32.

26. Буртаев Ю. Ф. Ранговый критерий проверки гипотез с альтернативой тренда для анализа надежности при малых выборках //Надежность и контроль качества. — 1995, № 7. — С.13−19.

2?. Буртаев Ю. Ф. О возможности использования ранговых критериев однородности при сертификационных испытаниях //Заводская лаборатория. — 1995, № 7. — С.50−54.

28. Буртаев Ю. Ф. Методические вопросы анализа надежности оборудования ЯЭУ в условиях ограниченной информации //Безопасность АЭС и подготовка кадров: Тез.докл.Международн.конф. — Обнинск: 1995. — С.99−100.

29. Буртаев Ю. Ф., Острейковский В. А. Статистический анализ надежности объектов по ограниченной информации. — М.: Энергоатом-издат, 1995. — 240с.

На защиту автором выносятся следующие результаты:

1. Методический подход к выбору показателей надежности, основанный на моделях с гарантированным эффектом.

2. Результаты исследования и сравнения точности методов оценивания по малым цензурированным выборкам.

3. Алгоритм проверки однородности двух выборок при альтернативе общего вида.

4. Ранговый критерий однородности для альтернатив с пересечением функций распределения.

5. Ранговый автокорреляционный критерий для проверки наличия тренда на начальном и завершающем периодах эксплуатации.

6. Система контрольных испытаний на надежность, основанная на использовании ранговых критериев однородности.

7. Практические рекомендации по применению разработанных методов и критериев.

I. ЗАДАЧИ УПРАВЛЕНИЯ НАДЁЖНОСТЬЮ ПО ИНФОРМАЦИИ МАЛОГО ОБЪЕМА.

7.4. Выводы.

7.4.1. Анализ известных методических подходов к нормированию гарантийных сроков показал, что они не могут использоваться к изделиям, выпускаемым в небольшом количестве, и вновь разрабатываемым изделиям.

7.4.2. Использование разработанных в разделах 4 и 5 методических материалов по статистическому анализу малых выборок позволило разработать рекомендации по определению минимального значения гарантийного срока изделий, выпускаемых в небольшом количестве, на стадии проектирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В главе I была сформулирована проблема, решаемая в настоящей работе и состоящая в разработке методологии выбора и нормирования показателей, а также анализа, оценки и контроля надежности при малых выборках на базе критериев и алгоритмов непараметрической статистики. Там же были сформулированы задачи, подлежащие решению в рамках указанной проблемы.

В результате исследований автором получены следующие новые результаты.

1. При исследовании вопроса о выборе вида показателей надежности показано, что интересы потребителя могут быть удовлетворены путем использования моделей с гарантированным эффектом.

2. На основе моделей гарантированного эффекта произведен выбор вида показателей надежности объектов с различными классификационными признаками.

3. Получены формулы для вычисления коэффициента оптимальности, по величине которого может быть выбран наилучший вариант исполнения объекта.

4. Исследование точности оценивания надежности по цензурированием выборкам методами Нельсона, Джонсона и непараметрическим методом последовательного перехода к новой системе координат, проведенное с помощью статистических испытаний, показало, что при малых выборках последний имеет более высокую точность. На базе этих исследований разработаны рекомендации по вычислению интервальных оценок показателей надежности вида «средняя наработка» .

5. Исследование свойств различных ранговых критериев однородности при малых выборках позволило: сделать вывод, что в задачах статистического анализа надежности целесообразно использовать критерии, статистики которых представляют собой функции обратных ранговразработать не имеющий аналогов критерий для альтернатив с пересечением функций распределенияразработать алгоритм проверки однородности двух выборок при альтернативе общего вида, основанный на использовании двух ранговых критериев.

6. Исследование свойств различных автокорреляционных статистик позволило разработать критерий типа обратных рангов, обладающий при малых выборках лучшими свойствами, чем известные критерии ранговой корреляции Спирмена и Кендалла.

7. В общем случае показателями надежности, выбранными по моделям с гарантированным эффектом, являются показатели видов «вероятность» и «квантиль», поэтому контроль их может быть проведен на основе планов, не связанных с предположением о виде закона распределения.

8. Для частных случаев, когда вследствие конструктивных особенностей объекта назначен показатель вида «средняя наработка», предложена система испытаний на надежность, основанная на применении ранговых критериев однородности, включающая испытания опытных образцов, установочной партии и изделий серийного производства.

9. Использование разработанных методических материалов в области статистического анализа малых выборок позволило предложить рекомендации по определению минимального значения гарантийного срока объектов, выпускаемых в небольшом количестве, на стадии их проектирования.

10. Для практического использования предложенных методов и критериев разработано их табличное обеспечение с пояснениями и рекомендациями.

Отдельные результаты, полученные в работе, были использованы при разработке ряда Государственных стандартов, отраслевых руководящих технических материалах, методиках и стандартах предприятия НИИ силовой электроники.

Показатели надежности, выбранные по моделям с гарантированным эффектом включены в государственные стандарты:

1. ГОСТ 18 142–80. Преобразователи электроэнергии статические из переменного тока в постоянный (выпрямители). Общие технические условия.

2. ГОСТ 24 376–80. Преобразователи электроэнергии статические из постоянного тока в переменный (инверторы). Общие технические условия.

3. г0СТ 24 374−80. Регуляторы тиристорные. Общие технические условия.

Методика выбора показателей надежности по моделям с гарантированным эффектом использована в следующих нормативных документах:

1. РТМ 16.800.598−78. Преобразователи электроэнергии статические. Выбор и нормирование показателей надежности.

2. СТП 0ЛС.682.004. Преобразователи статические полупроводниковые. Методика выбора номенклатуры показателей надежности для включения в нормативно-техническую документацию.

3. Методика 0JIC.6I9.022. Преобразователи статические полупроводниковые. Методика выбора норм надежности.

4. СТП 0JIC.682.006. Преобразователи статические полупроводниковые. Методика выбора экономически оптимальных значений показателей надежности.

Элементы методики проверки однородности двух выборок с помощью рантовых критериев использованы в РТМ 16.800.597−78. Преобразователи электроэнергии статические. Анализ надежности по данным эксплуатации.

Методика контроля надежности опытных образцов, установочной партии и серийных изделий, основанная на использовании ранговых критериев была внедрена в нормативных документах, согласованных с основным заказчиком:

1. СТП ДЖ.003−76. Преобразователи статические полупроводниковые.

Методика испытаний на надежность:

2. Методика 0JIC.47I.00I. Методика ускоренных испытаний на надежность выпрямительных агрегатов.

Перечисленные документы были разработаны впервые, поэтому результатом их внедрения было упорядочение деятельности в области выбора, нормирования и контроля показателей надежности статических преобразователей.

Отдельные результаты работы в части проверки однородности были использованы при сравнении качества ремонта на различных предприятиях Госкомсельхозтехники СССР по данным об ускоренных ресурсных испытаниях отремонтированных автотракторных генераторов. Результаты анализа были представлены руководству для принятия мер по совершенствованию технологии ремонта.

Разработанные методические материалы по статистическому анализу надежности на завершающем этапе эксплуатации были использованы при принятии решений о продлении срока эксплуатации. системы управления и защиты и системы контроля герметичности оболочек тепловыделяющих элементов реакторов ЭГП-6 Билибинской АЭС.

Результаты исследований точности методов оценивания по цензурированным выборкам и свойств ранговых критериев однородности были использованы при разработке программы анализа надежности оборудования и систем ядерных энергетических установок «ГРАНА» .

Частично материалы исследований использовались в трех учебных пособиях Московского института радиотехники, электроники и автоматики и двух учебных пособиях Обнинского института атомной энергетики.

Применение разработанных материалов на практике даст возможность более обоснованно решать задачи управления надежностью на этапах задания цели управления и получения информации для оценки ситуации в условиях поставки небольшого количества объектов, а также при наличии информации в виде малой выборки наработок до отказа или между отказами.