Надежность судов и судового оборудования

6. Надежность судов и судового оборудования

6.1. Содержание  и  значение  надежности.

            Непрерывное усложнение судовых технических средств при не­изменной надежности комплектующих элементов, узлов и изделий неизбежно ведет к снижению надежности судовых систем, уст­ройств и судов в целом. Выход из строя основного оборудования в силу специфических условий эксплуатации судов создает ава­рийную обстановку, а иногда вызывает аварии с тяжелыми по­следствиями, включая человеческие жертвы. Морские транспорт­ные суда длительное время находятся вдали от береговых баз и не могут рассчитывать на своевременную помощь судоремонт­ных предприятий. Поэтому при недостаточном уровне надежности су­дового оборудования для обеспечения непрерывного работоспо­собного состояния судна предусматривают резервирование (дуб­лирование) агрегатов, что еще более усложняет судовую уста­новку.

            Непрерывное увеличение количества судов, их размеров и ско­рости ведет к росту интенсивности движения и требует повыше­ния безопасности плавания, что в значительной степени зависит от надежности всех судовых технических средств. В этом состоят технические предпосылки возникновения проблемы надежности.

            Важность проблемы повышения надежности подтверждается также экономическими соображениями. Недостаточный уровень надежности — это дополнительные затраты, вызванные авариями и простоями судов, снижением их скорости и увеличением времени грузовых операций, а также дополнительные расходы на ремонт и ТО оборудования. Увеличение межремонтного периода судов, сокращение численности судовых экипажей (без увеличения на­пряженности труда) не могут быть успешно реализованы без су­щественного повышения надежности всех технических средств. В этом состоят экономические предпосылки проблемы надежности.

            Таким образом, проблема обеспечения необходимого уровня надежности судового оборудования относится к числу проблем первостепенной важности.

            Технический прогресс выдвинул проблему надежности на пер­вое место и зависит от успешного ее решения [9]. Однако недо­статочно понимать значение надежности для повышения технико-экономической эффективности создания и использования техниче­ских средств. Необходимо уметь количественно оценивать уровень надежности, определять количественную зависимость надежности от режимов использования и условий эксплуатации.

            Любая отрасль человеческих знаний, чтобы стать самостоя­тельной наукой, должна овладеть математическим аппаратом. Для теории надежности основу математического аппарата составляют теория вероятностей и математическая статистика. Теория надеж­ности является инструментом для решения многих практических задач, и в частности задач оптимальной ТЭ. В качестве примера рассмотрим схему использования теории надежности для решения практических задач ТЭ судового оборудования.

Рекомендуемые материалы

            1. Зная зависимость показателей надежности от режимов ра­боты и условий эксплуатации, можно рассчитать характеристики надежности   для различных возможных режимов плавания  (экс­плуатации судов), следовательно, можно заранее принять меры, обеспечивающие достаточно высокий уровень надежности даже в самых неблагоприятных условиях эксплуатации.

            2. Используя показатели безотказности и ремонтопригодности изделий, можно определить оптимальную периодичность работ по ТО, что позволит повысить уровень надежности при минимальных затратах.

            3. Зная показатели долговечности, безотказности элементов и условия пополнения запасов, можно рассчитать оптимальное ко­личество СЗЧ, что позволит избежать затоваривания и простоя оборудования   (судов)   из-за   нехватки   каких-либо  деталей   или узлов.

            Используя эксплуатационные данные о надежности судового оборудования, специалисты морской индустрии квалифицированно оцени­вают техническое состояние судов, планируют ремонт конкретных видов техники, а научно-исследовательские и проектно-конструкторские организации морского транспорта разраба­тывают системы и методы ТО судов, обеспечивают использование на судах наиболее надежного оборудования [2, 3, 10].

6.2. Основные понятия. Номенклатура  показателей надежности.

            Одним из проявлений научно-технического прогресса является установление единой терминологии в каждой отрасли науки, тех­ники, культуры. Единые термины в любой области знаний позво­ляют четко классифицировать предметы, явления, события; исклю­чают разное понимание и толкование одного и того же явления, процесса, позволяют использовать математический аппарат и сов­ременную вычислительную технику для обработки результатов эксплуатации, исследований.

            Термины и определения основных понятий и показателей на­дежности приведены в руководящих документах. Целесообразно привести дополнительные разъяснения некоторых основных понятий и ис­ходных положений теории и практики надежности.

            Любой объект, с точки зрения соответствия предъявляемым к нему требованиям, в каждый момент может находиться в одном из следующих состояний: исправном, работоспособном, неис­правном, неработоспособном, предельном. Понятие исправность шире, чем по­нятие работоспособность. Работоспособный объект в отличие от исправного удовлетворяет лишь тем требованиям нормативно-тех­нической документации, которые обеспечивают его нор­мальное функционирование с параметрами, установленными в НТД, т. е. с установленными значениями мощности, скорости, на­пряжения, точности регулирования, производительности, сопротив­ления изоляции и т. д.

            Работоспособный объект может быть неисправным, однако его неисправность при этом не настолько существенна, чтобы нару­шать нормальное функционирование объекта (например, перего­рание сигнальной лампы контроля питания на щите при наличии вольтметра; деформация рукоятки управления, практически не влияющая на процесс управления, и т. п.).

            При делении объектов на восстанавливаемые и невосстанавливаемые, с одной стороны,   и   на   ремонтируемые и неремонтируемые - с другой, следует иметь в виду, что термин ремонтируе­мый   характеризует   приспособленность  объекта   к  проведению ремонта и ТО как внутреннее свойство объекта, определяемое его конструкцией, а термин восстанавливаемый характеризует воз­можность  и  целесообразность восстановления  работоспособности и исправности объекта в конкретной ситуации при эксплуатации. Объект   может   быть ремонтируемым, но не восстанавливаемым. Например, многие контрольно-измерительные приборы и элемен­ты автоматики по своей конструкции являются объектами ремон­тируемыми, но в условиях судна, как правило, не подлежат ре­монту, т. е.  восстановлению  работоспособности  после отказа,  и поэтому рассматриваются как невосстанавливаемые. В тоже время имеется немало объектов, которые однозначно можно отнести либо к восстанавливаемым и ремонтируемым, либо к невосстанавливаемым и неремонтируемым. Большинство судовых механизмов: дви­гатели, насосы, сепараторы и т. д. - являются объектами ремон­тируемыми и восстанавливаемыми, а такие изделия, как электри­ческие лампы, шарикоподшипники и т. п. - неремонтируемыми и невосстанавливаемыми.   Деление  объектов  на   ремонтируемые   и неремонтируемые является определяющим при выборе показате­лей для оценки их надежности.

            Совокупность свойств, обусловливающая пригодность продук­ции, объекта для удовлетворения определенных потребностей в соответствии с их назначением, называется качеством. Надеж­ность является одним из составляющих свойств качества объекта. В свою очередь, надежность можно рассматривать как сложное свойство,   включающее  в   себя несколько частных свойств, в том числе безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохра­няемость.

            Безотказность является основным составляющим свойством на­дежности, так как именно она обеспечивает выполнение объектом своих функций. Этим свойством объект может обладать в период его использования (работы) и в период ожидания, хранения, транспортирования.

            Для восстанавливаемых объектов одним из основных свойств является ремонтопригодность, которая может быть качественно оценена следующими характеристиками:

            -возможность быстрого доступа к месту повреждения;

            -доступность деталей и узлов для осмотра и ремонта;

            -наличие средств для определения места и причины отказа, повреждения (сигнализация о неисправности, контрольные точки за­меров, маркировка, возможность деления узлов, схем на участки и т. д.);

            -простота монтажа;

            -возможность и удобство регулировки отдельных параметров, изменяющихся в процессе эксплуатации;

            -возможность ремонта и обслуживания с минимальными затра­тами времени, дефицитных материалов, моющих средств и т. д.

            -Все указанные выше характеристики ремонтопригодности мо­гут быть оценены количественно затратами времени и трудоемко­стью работ по отысканию и устранению отказов (повреждений), по проведению ТО и ремонта.

            Надежность - это свойство объекта выполнять заданные функ­ции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатаци­онных показателей (параметров) в заданных пределах, соответ­ствующих заданным режимам и условиям использования, ТО, ре­монта, хранения и транспортирования. Надежность - комплексное свойство, которое в зависимости от назначения, конструктивных особенностей и условий эксплуатации может включать безотказ­ность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость в от­дельности, либо определенные сочетания этих свойств как для объ­екта в целом, так и для его частей. Так, для неремонтируемых объектов надежность включает безотказность, долговечность и со­храняемость, а для объектов восстанавливаемых и ремонтируе­мых часто определяющим свойством является ремонтопригод­ность, хотя для них характерно наличие всех четырех составляю­щих свойств надежности.

            Следующая группа понятий, относящихся к надежности, содер­жит такие события, как повреждение и отказ, которые находятся между собой в таком же соотношении, как исправность и работо­способность. Повреждение может быть существенным (значитель­ным) и являться причиной нарушения работоспособности, т. е. от­каза, или несущественным, при котором нарушается исправность объекта, но сохраняется его работоспособность. Некоторые отка­зы объектов не связаны с их повреждениями. Например, непра­вильные действия обслуживающего персонала могут привести к                                                                                                          несрабатыванию некоторых органов управления установкой, и в результате нарушается ее работоспособность, возникает отказ, хо­тя никаких повреждений при этом не было.

            Необходимо различать отказы изделий, объектов и отказы со­ставных частей (узлов, блоков, деталей). Одно и то же событие - повреждение может являться отказом для составной части и не вызывать отказа объекта в целом.

            Качественное определение надежности не позволяет измерить надежность. Между тем для решения практических задач обеспе­чения и повышения надежности необходимо иметь возможность количественно оценить уровень надежности конкретных объектов. Только количественная оценка надежности позволяет задавать конкретные требования и нормы надежности вновь разрабатывае­мых изделий; производить расчет надежности при проектировании; сравнивать по надежности различные элементы (объекты) и на этой основе выбирать лучшие, наиболее надежные изделия, про­ектные и конструкторские решения; рассчитывать сроки службы и ресурсы элементов и определять необходимое количество запас­ных частей; определять периодичность ТО и планировать ремонт.

            Отказ и восстановление - два противоположных случайных со­бытия, которые могут быть охарактеризованы соответствующими случайными величинами. В качестве случайных величин можно рассматривать наработку до отказа (между отказами), длитель­ность и трудоемкость восстановления, а также число отказов, воз­никших за фиксированный промежуток времени.

            Наиболее полной характеристикой любой случайной величины является закон распределения, т.е. соотношение, устанавливаю­щее связь между возможными значениями случайной величины и соответствующими им вероятностями. В теории надежности наи­более часто в качестве случайных величин рассматриваются время и количество отказов. Если, например, Т - время безотказной ра­боты объекта, то функцией распределения случайной величины Т называется функция вида:

Q(t) = Р {T< t},

            Где: Р {T< t}, вероятность того, что время Т до возникновения данного отказа будет меньше заданного промежутка времени t, т. е. Q(t) - вероятность отказа объекта за время t.

            Производная от функции Q(t) называется плотностью вероят­ности отказа, или плотностью распределения:

f(t) = Q’(t) = dQ / dt.

            График плотности распределения наиболее полно характеризу­ет закон распределения; большие значения f(t) соответствуют мо­ментам времени, в которых более часто возникают отказы.

            Каждый закон распределения случайных величин характери­зуется определенным соотношением основных параметров, из которых наибольший интерес представляют математическое ожида­ние как характеристика положения центра группирования слу­чайных величин и дисперсия как характеристика их рассеивания.

            Знание законов распределения случайных величин необходимо для правильного выбора математического аппарата при обработ­ке данных об отказах и ремонтах. Оно позволяет с большей точ­ностью определять и прогнозировать время безотказной работы объекта, необходимое количество запасных частей на заданный пе­риод эксплуатации и т.д.

            В ряде случаев необходимо и достаточно знать основные пара­метры законов распределения, которые используются для опреде­ления показателей надежности. Точечные значения основных ге­неральных характеристик могут быть оценены по опытным, выбо­рочным (эксплуатационным) данным с использованием формул математической статистики. Так, оценкой математического ожи­дания является статистическое среднее t¯:

t¯= 1 / n Σ t_i,

            где: t_i - значение рассматриваемой случайной величины;

                    п -  количество значений случайной величины в выборке.

            Для оценки надежности объектов используются показатели на­дежности, т. е. количественные характеристики одного или несколь­ких свойств, составляющих надежность объекта. Показатели на­дежности можно разделить на две группы: единичные и комплекс­ные. При этом единичный показатель надежности относится к од­ному из свойств надежности объекта (например, безотказности, долговечности, ремонтопригодности), а комплексный показатель надежности характеризует одновременно несколько свойств, со­ставляющих надежность объекта (например, коэффициент готов­ности - комплексный показатель, характеризующий одновремен­но безотказность и ремонтопригодность объекта).

            Рассмотрение номенклатуры и содержания показателей надеж­ности будем вести последовательно по основным составляющим свойствам надежности - безотказности, долговечности, ремонто­пригодности, используя термины и определения стандартов.

            Показатели безотказности. Пусть под наблюдением находятся п невосстанавливаемых объектов. В процессе работы (эксплуата­ции) отдельные объекты отказывают, и с течением времени рабо­тоспособных объектов становится все меньше. За величину, харак­теризующую степень надежности объекта в каждый данный момент, принимают отношение числа объектов, отказавших в едини­цу времени, к числу объектов, работоспособных к данному момен­ту времени. Этот показатель называется интенсивностью отказов λ (t).

            Согласно приведенному определению,

λ (t) = [N(t) – N(t+∆t)] / ∆tN(t),

            где: N(t) и N(t+∆t) - количест­во работоспособных объектов в моменты времени t и t+∆t  со­ответственно.

           

            Для многих невосстанавливаемых объектов по кривой изменения интенсивности отказов во времени можно обозначит три периода: Первый период «жизни» объекта с повышенным уровнем λ (t) называется периодом приработки, так как в это вре­мя значительная часть отказов является следствием скрытых де­фектов, некачественного монтажа, регулировки. Второй период с относительно постоянным значением λ (t)  называется периодом нормальной работы. Третий период - пе­риод износа и старения -  характеризуется прогрессирую­щим ростом интенсивности отказа.

            Зная форму кривой λ (t)  и характер отказов в каждый из ука­занных периодов, можно принимать активные меры для повыше­ния надежности объекта. Во-первых, необходимо установить такие режимы и длительность испытаний объектов, чтобы сократить ко­личество приработочных отказов и период приработки; во-вторых, рассчитать и организовать профилактическое обслуживание с за­меной объектов (элементов) в конце периода нормальной работы, чтобы избежать неожиданных и опасных отказов сложных уст­ройств.

            Вероятность безотказной работы Р(t) - вероят­ность того, что в пределах заданной наработки отказ объекта не возникает:

P (t) = exp [-∫λ (t) dt];

при λ (t) = λ =const     P(t) = e^{- λ t}.

            Пользуясь   принятой  выше  схемой  функционирования  невосстанавливаемого объекта, дадим статистическое определение этому показателю надежности. Ве­роятность безотказной работы - отношение числа N(t) объектов, исправно проработавших до мо­мента t, к общему количеству п объектов, первоначально постав­ленных  под  наблюдение:

P (t) = N(t) / n.

            Средняя   наработка   до  отказа Т₁- математическое ожидание наработки объекта до первого отказа.

            При экспоненциальном распределении времени до отказа, ког­да λ = const ,

T₁ = 1 / λ.

            Восстанавливаемый объект в течение всего срока службы мо­жет отказать много раз. После каждого отказа производится вос­становление работоспособности путем замены отказавших элемен­тов, регулировки, ремонта, и объект снова включается в работу.   Последовательность отказов восстанавливаемого объекта образу­ет поток отказов, который характеризуется ведущей функцией потока Ω (t), представляющей собой математическое ожидание, т. е. среднее значение количества отказов на момент времени t.    При этом время восстановления не учитывается, так как Т_b<T₀. Рассмотрим показатели безотказности восстанавливаемых объек­тов, пользуясь схемой их функционирования.

            Параметр потока отказов ω (t) - среднее количество отказов восстанавливаемого объекта в единицу времени, взятое для рассматриваемого момента времени t:

ω (t) = m(∆t)/N∆t,

            где: m(∆t) - количество отказов за промежуток времени ∆t;

                    N - общее   количество   объектов под наблюде­нием.

             Для большинства реальных потоков отказов

Ω (t) = ∫ ω (t) dt.

 

            При экспоненциальном распределении наработки между отка­зами

ω (t)= λ.

            Изменение функции ω(t) во времени аналогичен изменению функции λ(t). Имеется явно выраженный период приработки с увеличенным значением ω(t), период нормальной эксплуатации с ω (t)=const, но пе­риод износа и старения наступает значительно позднее, чем у λ (t). Это можно объяснить тем, что восстановление работоспособности после отказов часто осуществляется путем замены отказавших элементов на новые, а износовые отказы объекта в целом опреде­ляются сроком службы базовых деталей  (корпуса, станины).

            Наработка на отказ - отношение наработки восстанав­ливаемого объекта к математическому ожиданию числа его отка­зов в течение этой наработки:

T₀ = t / M (m).

            При экспоненциальном распределении наработки между отказами

T₀ = 1 / ω.

            Вероятность безотказной работы Р(t), как пока­затель надежности, может применяться и для восстанавливаемых объектов. Однако, в этом случае он характеризует безотказность объекта с учетом системы планового ТО либо рассматривается вероятность безотказной работы за период между очередными ТО.

            Перечисленные выше показатели безотказности характеризуют абсолютный уровень надежности конкретных объектов.

            Наряду с этим для определения наименее надежных элементов сложных объектов, для выделения наиболее часто встречающихся видов отказов применяются показатели относительной безотказности - коэффициенты отказов, которые показывают долю отказов элементов определенного типа в общем потоке отка­зов объекта (системы, сложного изделия) либо долю отказов оп­ределенного вида (характера) в общем количестве отказов объекта:

            Выбор номенклатуры показателей надежности и, в частности, безотказности для конкретных объектов производится исходя из их функционального назначения, конструктивного исполнения, по­следствий отказов. Так, например, для объектов ответственного назначения, отказ которых может вызвать аварию судна или слож­ных агрегатов, сорвать выполнение задания, как правило, нормируется вероятность безотказной работы за время выполнения за­дания (рейса, якорной или швартовной операции и т. д.). Для объектов, отказ которых приводит к материальным потерям, нор­мируется средняя наработка до отказа или наработка на отказ (соответственно для невосстанавливаемых и восстанавливаемых объектов). Для комплектующих элементов основным показателем является интенсивность отказов или параметр пото­ка отказов.

            Показатели долговечности. Показатели долговечности могут быть разбиты на две группы - технические ресурсы и сроки службы.

            Технический ресурс - наработка объекта от начала экс­плуатации или ее возобновления после капитального ремонта до наступления предельного состояния.

            Срок службы — календарная продолжительность эксплуа­тации объекта от начала эксплуатации или ее возобновления после капитального ремонта до наступления предельного состояния. В таблице 3 приведена классификация показателей долговечности в зависимости от метода определения и характера предельного со­стояния.

Классификация показателей долговечности

Таблица 3.

            Средний ресурс (срок службы) - математическое ожидание ре­сурса (срока службы). Зная значения ресурса отдельных объек­тов, можно определить средний ресурс.

            Гамма- процентный ресурс - наработка, в течение которой объект не достигает предельного состояния с заданной вероятно­стью γ (гамма) процентов, или гамма-процентный - это такой ресурс, который имеют или превышают в среднем обусловленное число  γ (гамма) процентов объектов. Гамма-процентный ресурс определяется из уравнения:

1 – F_pc(t) = γ / 100,

            где: F_pc(t) - функция распределения ресурса.

            Если  γ = 90%, то соответствующий ресурс называется девяно­стопроцентным; при γ = 50% гамма-процентный ресурс называется медианным. Существенным преимуществом гамма-процентных по­казателей является возможность их оценки и проверки при значи­тельно меньшем объеме статистических данных.

            Назначенный ресурс - суммарная наработка объекта, при ко­торой эксплуатация должна быть прекращена независимо от его состояния. Пользуясь таблицей 3, можно составить наименование любого показателя долговечности. Например, средний ресурс до списания – средний ресурс объекта от начала эксплуатации до его списания, обусловленного предельным состоянием. Выбор показателей долговечности для конкретных объектов осуществляется с учетом режимов работы, схемы эксплуатационного цикла, а также возможности проверки показателей по данным испытаний или эксплуатации. Например, для объектов, работающих в продолжительном режиме (охлаждающие насосы, вентиляторы и т.п.), используются ресурсы до капитального ремонта и до списания; для объектов кратковременного режима (брашпили, шпили, шлюпочные лебедки и т.п.) более целесообразно оценивать сроки службы до капитального ремонта и до списания, а также ресурс до списания.

            По мере развития методов безразборной и непрерывной диагностики применение назначенных ресурсов будет сокращаться.

            Показатели ремонтопригодности. Показатели ремонтопригодности могут быть условно разделены на показатели восстановления работоспособности после отказов и показатели ТО и ремонта.

            Процесс восстановления работоспособности характеризуется случайной величиной времени восстановления Т_bi, т.е. времени, необходимого для отыскания и устранения одного отказа. С ним связаны показатели ремонтопригодности.

            Вероятность восстановления в заданное время– вероятность того, что время восстановления работоспособности объекта не превысит заданного времени t_b:

V(tb) = P{ Tbi< tb}.

            Более наглядными и распространенными показателями ремонтопригодности являются: среднее время восстановления ¯Т_в – математическое ожидание времени восстановления работоспособности, средняя трудоемкость восстановления ¯Н_в – математическое ожидание трудоемкости восстановления работоспособности.

            Наряду с этим применяются показатели ремонтопригодности, характеризующие ТО и ремонт:

            - среднее время одного ТО данного вида;

            - среднее время одного ремонта (среднего, капитального);

            - средняя трудоемкость одного ТО данного вида;

            - средняя трудоемкость одного ремонта;

            - средняя стоимость одного ремонта.

            Комплексные показатели надежности. Рассмотренные выше  единичные показатели надежности, давая количественную оценку уровню отдельных свойств, не позволяют, однако, производить сравнение надежности объектов комплексно по всем свойствам. У одних объектов могут оказаться выше показатели безотказности, но ниже показатели долговечности и ремонтопригодности, или наоборот. В связи с этим возникает необходимость введения таких показателей, которые учитывали бы совместное влияние нескольких составляющих свойств надежности. В настоящее время применяются комплексные показатели надежности, учитывающие совместное влияние безотказности и ремонтопригодности.

            Коэффициент готовности – вероятность того, что объект окажется работоспособным в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых использование объекта по назначению не предусмотрено:

k_г = T₀ / (T₀ + ¯T_в).

            Коэффициент технического использования – отношение времени пребывания объекта в работоспособном состоянии t_р за некоторый период эксплуатации к сумме времени работоспособного состояния и простоев, обусловленных ТО tто и ремонтами t_в + t_рем за тот же период эксплуатации:

k_ти = t_p / t_p + tв + t_то + t_рем).

            Коэффициенты k_г и k_ти применяются для оценки надежности агрегатов, машин, механизмов, устройств и судов в целом. Наряду с ними большое практическое значение имеют такие комплексные показатели, как средняя суммарная стоимость ТО за определенный период эксплуатации; средняя суммарная стоимость ремонтов, а также другие удельные показатели, например трудоемкость или стоимость ТО, приходящаяся на условную единицу наработки (например, 1000 часов), на один цилиндр и т.д.

6.3. Оценка надежности по данным эксплуатации.

            Существует два способа опытной оценки количественных характеристик надежности [9]: по результатам специальных испытаний на надежность и по результатам наблюдений за работой объекта в реальных условиях эксплуатации. Эти оба способа имеют свои достоинства и недостатки.

            Проведение испытаний на надежность связано с большими трудностями имитации внешних условий и режимов работы, с большой стоимостью организации и проведения испытаний, а часто и с невозможностью их проведения по различным причинам. Однако при таких испытаниях удается получить наиболее полные и разносторонние данные о надежности изделий.

            При втором способе стоимость работ по оценке надежности значительно ниже, чем при первом, не требуется имитации усло­вий эксплуатации и режимов работы, не требуется пересчета по­казателей надежности с лабораторных условий на эксплуатацион­ные. Показатели надежности, полученные на основе эксплуата­ционной информации, имеют порою решающее значение, особенно для сложных объектов с большим сроком службы, для которых пока нет проверенных способов определять показатели надежно­сти другим путем.

            При оценке показателей надежности судового оборудования по данным эксплуатации необходимо учитывать следующие осо­бенности:

            -количество судов и судовых технических средств, с которых по­ступает информация о надежности в процессе эксплуатации, мо­жет изменяться;

            -по судовым эксплуатационным документам для большей части оборудования можно установить лишь общее количество отказов за определенный период эксплуатации, но не промежутки времени между отказами;

            -отказы судового оборудования могут возникать как во время работы, так и в нерабочие периоды эксплуатации (под воздейст­вием внешних климатических и механических нагрузок).

            Стремление получить оценку надежности в возможно корот­кий срок приводит к тому, что определение показателей произво­дится при ограниченном, а порою незначительном количестве ис­ходной информации. В этих условиях следует помнить основное свойство статистических оценок: чем меньшее количество данных использовано при определении показателя, тем ниже точность оценки при заданном уровне достоверности. Точность выборочных оценок показателей надежности определяется с помощью довери­тельных интервалов.

            В предыдущих параграфах были рассмотрены общие расчет­ные формулы для определения показателей надежности. Однако при оценке надежности реальных объектов по эксплуатационным данным эти формулы получают дальнейшую конкретизацию.

            Рассмотрим, как можно использовать эксплуатационные дан­ные об отказах для определения параметра потока отказов судо­вого оборудования, его изменения в процессе эксплуатации и его зависимости от режимов работы и внешних условий.

            Общая формула с учетом изменяющегося в процессе эксплуа­тации количества наблюдаемых объектов и нерегулярного полу­чения информации с судов может быть представлена в следующем виде:

ω_i(t) = Σm_ij / ∆t Σn_ij,

            где: m_ij и n_ij - количество отка­зов и количество объектов рассмат­риваемого типа в i-м промежутке времени длитель­ностью ∆t на j-м судне;

            Рассчитав ω_i за ряд последо­вательных    интервалов    времени (например, кварталов), получим ступенчатый график (гистограмму) изменения параметра потока отказов в процессе эксплуатации.

            Чтобы установить зависимость безотказности объекта от ре­жимов работы и условий эксплуатации, необходимо определить установившееся значение ω_уст для каждой из групп отказов с уче­том доминирующих факторов их возникновения. Например, ω_p - для рабочих отказов, т. е. отказов, возникших под воздействием рабочих нагрузок, и ω_н  - для нерабочих отказов, вызванных воз­действием факторов окружающей среды - внешней вибрации, температуры, влажности и т. д.; в свою очередь, нерабочие отка­зы могут быть разбиты на тропические и умеренные в зависимо­сти от климатической зоны, в которой находилось судно при воз­никновении отказов. Для этих подгрупп определяют значения ω_н.тр и ω_нум. При расчетах следует иметь в виду, что для ω_р, как правило, ∆t принимается в часах работы (наработки), а для ω_н - в единицах времени эксплуатации  (квартал, месяц, час).

            Результаты такого раздельного анализа могут быть использо­ваны для сравнения надежности объектов, однотипных по назна­чению, но различных по исполнению и условиям эксплуатации. В качестве сравниваемого показателя целесообразно принять па­раметр общего потока отказов, приведенный к одинаковым усло­виям эксплуатации:

ω_об = ω_рk_и + ω_нтрk_тр + ω_нумk_ум,

            где: k_и - коэффициент использования объекта или доля времени работы объекта в общем времени эксплуатации;

                  k_тр, k_ум - соответственно коэффициенты времени эксплуатации объекта (судна) в зонах тропического и умеренного климата.

            Эта же формула может быть использована также для определе­ния (прогнозирования) надежности судового оборудования при эксплуатации на различных линиях. Для этого достаточно подста­вить в формулу коэффициенты времени, соответствующие усло­виям эксплуатации на выбранных направлениях, линиях плава­ния.     Значения k_и изменяются в широких пределах: 0,005 - для шпи­лей и брашпилей; 0,06÷0,08 - для грузовых кранов и лебедок; 0,3÷0,4 - для механизмов ходового режима; 0,8÷1 - для распредустройств, освещения, некоторых вентиляторов.

            Время Т_вi и трудоемкость H_вi- восстановления после отказа зависят от многих факторов: вида (характера) отказа, конструк­тивных особенностей объекта, наличия приспособлений и специн­струмента, количества и квалификации персонала и т.д. Поэтому среднее время ¯Т_в и средняя трудоемкость Н_вi восстановления оп­ределяются как характеристики центра распределения случайных величин. Их положение между наименьшим и наибольшим зна­чениями, наблюдаемыми на практике, зависит от закона распреде­ления. Чаще других здесь применяются экспоненциальное и лога­рифмически нормальное распределения.

            Производя оценку показателей ремонтопригодности, не следу­ет смешивать их с комплексными показателями. Например, еще нередко периодичность и среднегодовую трудоемкость и стоимость ТО относят к показателям ремонтопригодности. В действительно­сти же периодичность обслуживания характеризует безотказность объекта и долговечность его элементов, а среднегодовая трудоем­кость ТО является комплексным показателем, характеризующим безотказность  (количество необходимых техобслуживаний)   и ре­монтопригодность (трудоемкость каждой операции). Также необ­ходимо учитывать существующую  практику замены  отказавших элементов (форсунок, поршней, топливных насосов и т. д.) на но­вые   или   отремонтированные   с последующим  ремонтом  снятых элементов. В этом случае время восстановления T_вi будет опреде­ляться только процессом замены, а трудоемкость восстановления Н_вi будет включать также ремонт снятых элементов.

6.4. Показатели надежности судов и судового оборудования.

            Объективная необходимость непрерывного повышения надеж­ности судов и судовых технических средств стимулирует изучение фактического уровня надежности оборудования, применяемого на судах, и использование полученных результатов для разработки организационных и технических мероприятий, направленных на устранение обнаруженных конструктивных недостатков, причин отказов, на совершенствование системы ТЭ. В настоящем пособии рассматриваются, в качестве примеров, лишь некоторые обоб­щенные показатели, характеризующие уровень надежности совре­менных технических средств судов.

            Безотказность. Наиболее подробно исследованы к настоящему времени показатели безотказности как основного свойства надеж­ности, обеспечивающего бесперебойную эксплуатацию судов.

            Главные малооборотные двигатели. Наиболее характерным показателем надежности главного двигателя явля­ется наработка на одну вынужденную остановку судна в море. Для современных теплоходов этот показатель изменяется от 330 до 645 ч при продол­жительности стоянки 70÷137 мин. Наименее надежными уз­лами главных двигателей являются цилиндро-поршневая груп­па (ЦПГ) (k₀ = 25%) и топливная аппаратура (k₀ = 30%). Вре­мя   безотказной   работы   многих   деталей  (поршни, цилиндровые втулки, подшипники и т. д.)  согласуется с законом гамма-распре­деления.

            Вспомогательные механизмы энергетической установки. В таблице 4 приведены значения среднего времени безотказной эксплуатации ¯Т_э некоторых вспомогательных меха­низмов.

Таблица 4.

Среднее время безотказной эксплуатации некоторых вспомогательных механизмов.

            Электрооборудование. В первые полтора-два года экс­плуатации наблюдается повышенная в 2 - 3 раза частота отказов (параметр потока отказов ω); после указанного периода приработ­ки значение ω стабилизируется вокруг установившегося значе­ния ω_уст. Эта закономерность характерна для всех видов электро­оборудования. Количество отказов за равные промежутки времени, как правило, согласуется с законом Пуассона. Из всех отказов электрооборудования отказы кабелей и арматуры сети освещения составляют (в процентах): 40 - 50, аппаратуры элек­троприводов 25 - 40, электродвигателей 5 - 8, электронагрева­тельных приборов 5 - 8, распределительных устройств 2 - 6, силовых кабелей 2 - 4, источников электроэнергии 1 - 2.

            Средства автоматизации. Многочисленные исследова­ния показали, что время безотказной эксплуатации систем и средств автоматизации распределено по экспоненциальному за­кону. Учитывая различия в сложности и конструктивном испол­нении элементов и схем автоматики, различный уровень качества исходных материалов и исполнения, не представляется возможным дать обобщенную оценку безотказности систем и средств автома­тизации. Можно лишь привести примеры по конкретным системам. Так, время безотказной эксплуатации ¯Т_э систем ДАУ и САУ судов типа «Новгород» составляет (в часах): для системы ДАУ главного двигателя - 690, системы централизованного контроля - 540, ДАУ вспомогательных двигателей - 4600, САУ насосов главного двигателя - 2200, САУ компрессоров - 17 280, САУ и контроля се­параторов - 2420, ДАУ клапанами топливной и балластной си­стем - 4600, САУ вспомогательного котла - 6280, системы авто­регулирования температуры охлаждающей забортной воды - 2200, САУ рулем - 6050.

            Гребные винты и валопроводы. Гребные винты, как правило, являются объектами, не восстанавливаемыми в судовых условиях. Поэтому показатель безотказности (средняя наработка до отказа) совпадает с показателем долговечности - ресурсом до капитального ремонта или до замены (списания). По данным об­следования 360 торговых судов и большого количества военных кораблей США, для 50% судов капитальный ремонт гребных вин­тов, изготовленных из марганцовистой бронзы, потребовался че­рез 10 лет эксплуатации и ранее, а 35% винтов были заменены в первые 5 лет. Отказы гребных валов происходят, как правило, вследствие развития явлений усталости. Согласно результатам об­следований одновальных морских судов США, более 30% всех ва­лов имели срок службы до 3 лет и лишь 13% - от 9 до 12 лет.

            Долговечность. Определение показателей долговечности судо­вых технических средств опытным путем представляет наиболее сложную задачу, так как для многих судовых систем, машин и механизмов срок службы составляет 10 и более лет, в течение ко­торых происходят существенные изменения в конструкции и тех­нологии изготовления новых изделий аналогичного назначения. Поэтому для таких агрегатов и механизмов сроки службы уста­навливают исходя из схемы ТЭ судна с учетом опыта эксплуата­ции аналогичных изделий предыдущих выпусков. Нормированные показатели при проектировании обеспечиваются соответствующи­ми расчетами прочности.

            В большинстве случаев срок службы основных агрегатов и ме­ханизмов принимается равным нормативному сроку службы суд­на  (20 - 25 лет) либо сроку службы до большого ремонта судна.

            В то же время для ряда элементов судна срок службы устанав­ливается, основываясь на средней скорости (интенсивности) изно­са или коррозии, предельно допустимом износе.

            Средний срок службы судовых трубопроводов составляет от 5,7 до 9 лет; меньшие значения — для стальных оцинкованных и медных труб в общесудовых и санитарных системах. Исключение составляют стальные трубы с резиновыми покрытиями и полихлор­виниловые трубы, расчетный срок службы которых значительно выше. Средний срок службы, лет, до капиталь­ного ремонта некоторых судовых механизмов и устройств состав­ляет: люковые закрытия и их приводы – 8, донно-забортная   арматура – 8, грузовые стрелы и блоки – 6 -10, гребные   винты – 6 – 10, насосы – 8, вентиляторы – 10, рулевые   машины 9, краны, лебедки  грузовые – 10 – 14, испарители – 4, опреснители,  водонагреватели,   маслоохладители – 8.

            Ремонтопригодность. Характерным показателем ремонтопри­годности СЭУ и, в частности, главного двигателя является сред­нее время простоя судна при вынужденной остановке в море, рав­ное 1÷2,5 ч, которое может рассматриваться как среднее время восстановления ¯Т_в.

            При оценке надежности двигателей широко применяется в ка­честве показателя ремонтопригодности трудоемкость одного ТО основных узлов дизеля.

            Для некоторых вспомогательных механизмов устранение отка­зов деталей и узлов совмещается по времени с ТО (переборкой) всего механизма. Трудоемкость одной переборки H_т01, как пока­затель ремонтопригодности, составляет (в чел.-ч): 10 - 30 для цен­тробежных насосов, 36 - 60 для компрессоров пускового воздуха, 14 - 29 для центробежных сепараторов, 29 - 33 для поршневых на­сосов.

            Для электрооборудования судна в целом ¯Т_в = 3,9 ч, ¯Н_в = 5,6 чел.-ч. При этом наименьшие значения ¯Т_в = 2,4 ч и ¯Н_в =3 чел.-ч характерны для аппаратуры коммутации, защиты и управления, а наибольшие ¯Т_в =16 ч и¯Н_в = 22 чел.-ч - для элек­тродвигателей. Среднее время восстановления аппаратуры авто­матики составляет 0,5 - 2 ч.

            Комплексные показатели надежности. Наиболее характерными комплексными показателями надежности судна в целом являются: коэффициент технического использования k_т._и, удельная трудоем­кость ТО H_то и ремонта h_р за год, удельная стоимость ТО С_то и ремонта С_р за год эксплуатации (таблица 5). Их значения учитыва­ют безотказность, ремонтопригодность и долговечность сложных систем, агрегатов и их элементов. Оценка технико-экономической эффективности судов не может быть произведена без учета ука­занных выше показателей надежности.

Таблица  5.

Комплексные показатели надежности судна

Вам также может быть полезна лекция "57 Препараты жирорастворимых витаминов".

            Для комплектующего оборудования k_ти и k_г не являются до­статочно наглядными показателями, так как их значения обычно близки к единице, а наиболее трудоемкий ремонт оборудования производится при заводском ремонте судна, длительность которого, как правило, определяется объемом корпусных работ. Поэтому основным комплексным по­казателем надежности комплектующего оборудования является удельная трудоемкость ТО, приведенная к определенному перио­ду эксплуатации, наработке и т. д. (например, за год эксплуа­тации, за 1000 ч работы, на 1 цилиндр и т.п.), которая использу­ется при планировании работ судовых экипажей и судовых ремонтных бригад. Этот показатель применяется для агрегатов, ма­шин и механизмов в целом, а также для их узлов, блоков и де­талей.

            По эксплуатационным данным трудоемкость ТО главного двигателя за 1000 ч работы, приведенная к 1000 э.л.с, составляет (в чел.-ч): для двигателя 6RD-76 Зульцер - 84, для 7ДКРН74/160 - 176, для К8Z 70/120Е Ман - 157. Наиболее трудоемкими (в обслуживании) узлами главных двигателей являются: цилиндро-поршневая груп­па (20 - 43%   общей   трудоемкости   ТО),   крышки   с клапанами (10 - 24%), топливная  аппаратура   (13 - 35%), турбокомпрессоры (10 - 30%) и подшипники (10 - 17%).

            Трудоемкость ТО вспомогательных двигателей на один ци­линдр за 1000 ч работы составляет (в чел.-ч): 32,1 для двигате­ля ВАН-22; 39,3 для 25 МТВН-40; 33 для NVD-Зб и 33 для ЧН 25/34.

            Удельная (годовая) трудоемкость ТО вспомогательных меха­низмов составляет (в чел.-ч): компрессоров пускового воздуха – 32 - 110, центробежных насосов – 10 - 20, поршневых насосов – 20 - 35, сепараторов – 5 - 19.  Годовая трудоемкость ТО электрооборудования составляет 2500 – 3500 чел.-ч.

            Приведенные выше комплексные показатели надежности яв­ляются средними за период эксплуатации до капитального ремон­та или до списания. В действительности, под влиянием многих факторов, определяющих объем и характер работ по ТО и ремон­ту, весь срок службы судна можно разделить на четыре периода. Первый период - освоение судна, обнаружение и устранение построечных дефектов - продолжается 1,5-2 года и характери­зуется повышенной потребностью в ТО. Второй период - с 3-го по 9-й год службы - период стабильного и эффективного ис­пользования с наименьшими трудозатратами на ТО и ремонт. Третий период - с 10 до 20 лет - характеризуется возраста­ющим объемом работ. Четвертый период - последующие годы до списания - период наибольшей  удельной трудоемкости.

            Приведенные в настоящем пособии показатели фактическо­го уровня надежности современных судов и их комплектующего оборудования, естественно, не являются исчерпывающими. Здесь не произведен анализ факторов, влияющих на безотказность, дол­говечность и ремонтопригодность объектов, не приведены реко­мендации по повышению надежности судового оборудования; та­кой анализ и рекомендации носят индивидуальный характер.