Способ контроля параметрической безотказности изделий по параметрам состояния
METHOD OF CONTROLLING PARAMETRIC FAIL-SAFETY OF ARTICLES BY STATE PARAMETERS

Изобретение относится к способам контрольных испытаний ракетно-космической техники на безотказность, в частности расчетно-экспериментальным способам оценивания и контроля безотказности изделий при стабильных параметрах состояния в процессе проведения определительных испытаний и может быть использовано для контроля показателей безотказности предъявляемым требованиям сложных, дорогостоящих, небракуемых технических систем ракетно-космической техники при ограниченных средствах и времени проведения испытаний.
Способность данного технического решения заключается в обеспечении контроля параметрической безотказности любых сложных систем, обеспечивая возможность принимать положительное решение о соответствии показателей безотказности предъявляемым требованиям, даже при наличии параметрических отказов, а также повышении достоверности ее контроля и сокращения объема и времени проведения испытаний изделий.
При создании современных изделий основное внимание уделяется обеспечению требуемой эффективности. Определяющим свойством эффективности является надежность, включающая безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость [2]. Для обеспечения заданных требований к показателям надежности необходимо спланировать и провести цикл испытаний. Безотказность является определяющим и, обычно, лимитирует объем и период испытаний. Основным показателем безотказности является вероятность безотказной работы (ВБР) за установленный период работы системы [2].
В виду стохастической природы проявления ВБР ее возможно можно определить только по результатам натурных испытаний на основе вероятностно-статистического подхода. Однако для достоверного подтверждения требований к ВБР изделий необходимо спланировать и провести большое количество испытаний, что при современных технико-экономических ограничениях обеспечить практически не удается. Поэтому ВБР современных сложных изделий обычно определяются расчетно-экспериментальными методами на основе наземных испытаний элементов и подсистем в соответствии с их иерархической структурой, а также по информации о параметрах состояния систем.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу и выбранным в качестве прототипа является способ контроля параметрической надежности изделий (патент RU 2003173, опубл. 15.11.1993, Бюл. №41 -42) [3].
И
И
И
В изобретении, который принят за прототип решается задача по сокращению необходимого для обеспечения заданной достоверности объема испытаний при статистическом контроле параметрической надежности за счет привлечения дополнительной информации об относительной надежности образцов исходной выборки и проведения испытаний направленной выборки из менее надежных образцов. Для чего на стадии предварительных исследований определяют вид функции распределения наработки до отказа и ее характеристики рассеивания (среднеквадратическое отклонение или коэффициент вариации); до испытаний выявляют, измеряют и фиксируют значения информативных параметров у всех N образцов исходной выборки; отбирают в контролируемую выборку n менее надежных образцов; определяют коэффициент увеличения продолжительности испытаний К; определяют продолжительность проведения испытаний n образцов t; проводят в течение t испытания n образцов; при отсутствии параметрических отказов d=0 принимают решение о соответствии надежности образцов предъявляемым требованиям.
Способ-прототип имеет следующие недостатки:
1) проводят измерения информативных параметров всех N образцов, что не уменьшает объем и время проведения испытаний;
2) невозможность проведения измерений информативных параметров состояния, которые находятся в труднодоступных местах изделия или те, которые измерить возможно только в процессе функционирования системы или ее после выключения: остаточные геометрические размеры, массовые, прочностные, физико-химические, температурные и другие характеристики;
3) ограниченность использования способа для уникальных сложных технических систем, т.е. систем, которые изготовлены в единичном экземпляре;
4) при наличии параметрического отказа принимается отравительное решение о соответствии изделия предъявляемым требованиям по надежности, однако, при выходе параметров состояния за допустимые пределы (особенно кратковременно) в подавляющем большинстве случаев не приводит к отказу изделия;
И
ЦЗ
З
З
И
З
5) увеличивают время проведения испытаний до t, которое может превышать заданное время функционирования изделия или выполнения целевой задачи Т=t, однако, большинство изделий, например, однократного срабатывания не могут функционировать более установленного времени t, а способ-прототип определяет проводить испытания в течение t>t, что невозможно и существенно ограничивает его использование;
6) не позволяет получить количественное значение параметрической надежности изделия для обоснованного ее контроля, т.е. сравнения с требуемым (заданным) значением и принятие соответствующего решения.
В предлагаемом изобретении устраняются отмеченные недостатки: контроль параметрической безотказности изделия производят на основе измерения информативных параметров состояния в течение заданного времени функционирования одного опытного образца и определения точечного и интервального значения параметрической безотказности и ее погрешности при заданной достоверности и сравнения с требуемым. Данный эффект позволит обеспечить достоверное подтверждение требований к параметрической безотказности изделия при разных формах задания требований, а также при возможных параметрических отказах, т.е. при выходе информативного параметра состояния, в процессе испытания изделия, за допустимые пределы.
Техническая задача изобретения заключается в сокращении объема и времени проведения испытаний изделий при повышении достоверности контроля параметрической безотказности, а также обеспечении возможности исключения необоснованной браковки совокупности изделий и принятия положительного решения о соответствии ВБР требованиям по безотказности даже при наличии параметрических отказов.
И
ЦЗ
i
i
И
i
i
Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе контроля параметрической безотказности изделий по параметрам состояния, состоящем в определении вида функции распределения времени наработки до отказа или на отказ изделия, выявляют информативные параметры состояния, которые в большей степени влияют на безотказность изделия, устанавливают допустимые пределы параметров состояния, которые характеризуют нормальную работу изделия, проводят испытания одного (опытного) образца в нормальном эксплуатационном режиме в течение заданного времени выполнения целевой задачи t=Т, измеряют и фиксируют значения информативных параметров состояния X, которые практически некоррелированы, в равные промежутки времени t ∈ [0; t], i=1, …, n, предполагают нормальное распределение параметров состояния X=X(t), вычисляют значения точечных оценок (ТО) параметров состояния  и их среднеквадратические отклонения (СКО)  определяют погрешности оценок ТО и СКО  строят плотность вероятности распределения параметров состояния с параметрами распределения  вычисляют точечное значение параметрической безотказности изделия, определяют СКО полученного значения параметрической безотказности, вычисляют нижнюю доверительную границу параметрической безотказности при заданной достоверности у, полученные точечные и интервальные значения параметрической безотказности сравнивают с требуемыми и принимают решение о безотказности изделия.
Предлагаемый способ контроля параметрической безотказности изделий по параметрам состояния может быть реализован следующим образом.
1. Определяют вид функции распределения времени наработки до отказа или на отказ изделия.
2. Выявляют информативные параметры состояния {X}, которые в большей степени влияют на безотказность изделия.
min
max
3. Устанавливают допустимые пределы параметров состояния, которые характеризуют нормальную работу изделия X∈[X; X].
И
ЦЗ
4. Проводят испытания одного (опытного) образца в течение заданного времени выполнения целевой задачи t=Т.
i
i
И
5. Измеряют и фиксируют значения информативных параметров состояния X в равные промежутки времени t ∈ [0; t], i=1, …, n, которые практически некоррелированы.
i
i
6. Предполагают нормальное распределение параметров состояния Х=X(t).
7. Вычисляют значение точечных оценок (ТО) параметров состояния по зависимости:
8. Вычисляют значение среднеквадратического отклонения (СКО) по зависимости
9. Определяют погрешности оценок ТО и СКО по зависимостям
10. Строят плотность вероятности распределения параметров состояния с параметрами распределения  по зависимости
11. Вычисляют точечное значение параметрической безотказности изделия
12. Определяют дисперсию и СКО полученного значения параметрической безотказности
13. Вычисляют нижнюю доверительную границу параметрической безотказности при заданной достоверности γ [1]:
γ
где и - квантиль центрированного нормированного нормального распределения, выбираемого на основе таблиц при заданной γ.
14. Полученные точечные и интервальные значения параметрической безотказности  сравнивают с требуемыми и принимают решение о безотказности изделия:
соответствует требованиям, если
не соответствует требованиям, если
Промышленная применимость способа обусловлена возможностью производить контроль параметрической безотказности любых сложных, дорогостоящих, небракуемых изделий и реализовать его на штатных ЭВМ.
Сопоставление заявленного способа контроля параметрической безотказности изделий по параметрам состояния, существенно отличается от прототипа.
Общие признаки заявляемого способа и прототипа:
1. Определяют вид функции распределения времени наработки до отказа или на отказ изделия.
2. Выявляют информативные параметры состояния, которые в большей степени влияют на безотказность изделия.
3. Предполагаю нормальное распределение информативных параметров состояния с некоррелированными параметрами распределения.
4. Используют сведения о требуемом значении нижней доверительной границы параметрической безотказности изделия при требуемом значении достоверности.
Отличительные признаки предлагаемого решения.
1. Для контрольных испытаний на надежность отбирают только один опытный образец изделия.
2. Не проводят предварительных испытаний образца и не исследуют первоначальные значения параметров состояния.
3. Проводят испытание изделия в течение заданного периода выполнения целевой задачи.
4. Проводят измерения параметров состояния изделия в дискретные промежутки времени в процессе испытаний или после прекращения функционирования.
5. Вычисляют точечное значение параметрической безотказности изделия и ее СКО.
6. Вычисляют нижнюю доверительную границу параметрической безотказности изделия при требуемой достоверности.
7. Принимают решение о соответствии параметрической безотказности изделия предъявляемым требованиям даже при возможном наличии параметрических отказов d>0.
тp
Демонстрация работоспособности способа проведена при контроле параметрической безотказности изделия по информативному параметру состояния - рабочей температуры изделия Т°С, при исходных данных о параметрической безотказности, приведенных в способе-прототипе: нижняя доверительная граница параметрической безотказности R=0,9 при доверительной вероятности γ=0,9. Причем, в требованиях к изделию установлено, что для его нормальной работы необходимо, чтобы рабочая температура находилась в пределах Т ∈ [50; 60]°С.
И
ЦЗ
Опытный образец подвергли функциональным испытаниям и произвели замеры температуры в конце каждого цикла его работы. Результаты измерений рабочей температуры изделия в количестве n=30 в течение заданного времени выполнения целевой задачи t=Т показаны на фиг. 1 и табл. 1.
На основе предлагаемого способа получаются следующие значения параметрической безотказности изделия:
И
Результаты показывают, что по предлагаемому способу, при исходных данных табл. 1, фиг. 1 и требованиях к параметрической безотказности, можно сделать вывод о соответствии параметрической безотказности изделия требованиям. Однако по способу-прототипу, при тех же исходных данных о результатах измерений, принимается отрицательное решение о соответствии параметрической безотказности требованиям, так как имеются параметрические отказы изделия, отмеченные в табл.1 цветом и места выхода параметра состояния за верхнюю границу Т=60°С (см. фиг. 1), а также применимость способа-прототипа невозможно, т.к. для испытаний изготовлено только одно изделие (необходимо минимум два для выбора менее надежного), при планируемом увеличении времени испытаний t в 1,23 раза.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Волков Л.И. Безопасность и надежность систем. М.: Изд-во СИП РИА, 2003 - с. 123-124.
2. ГОСТ 27.002 - 2015 Надежность в технике. Термины и определения. - М.: Стандартинформ, 2016. - с. 10, 13-14.
3. RU №2003173, 1993.