Способ контроля динамики параметрической надежности технических систем с учетом влияния внешних эксплуатационных факторов Российский патент 2024 года по МПК G07C3/00 

Изобретение относится к области обеспечения надежности ракетно-космической техники (РКТ) на этапе экспериментальной отработки, а именно к расчетно-экспериментальному способу контроля динамики параметрической надежности технической системы (ТС) с учетом влияния внешних эксплуатационных факторов на ТС.

Данный способ может использоваться при контрольных испытаниях РКТ для подтверждения требований к надежности по результатам испытаний, полученным при наземной отработке и в последующем для принятия решения о переходе к летным испытаниям (или к следующему этапу испытания) при этом учитывая степень влияния внешних факторов на безотказность ТС.

Необходимость данного изобретения обусловлена реализацией мероприятий в рамках Федеральной космической программы (ФКП) [1]. Одним из направлений достижения цели ФКП является совершенствование средств и методов наземной отработки РКТ. При этом одной из целей проведения наземной отработки РКТ является подтверждение заданных свойств ТС в условиях близким к реальным. Важнейшим свойством ТС РКТ является надежность, которая в свою очередь комплексное и включает в себя безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость [2]. Для высоконадежных систем РКТ определяющим свойством является безотказность, а основным показателем безотказности является вероятность безотказной работы (ВБР) за заданный период целевого использования ТС. Однако одним из основных принципов реализации ФКП является оптимизация бюджетных расходов, что в свою очередь оказывает влияние на объемы и длительность проведения наземной отработки. В сформировавшихся технико-экономических условиях для подтверждения требований к надежности (безотказности) ТС РКТ нашли применения расчетно-экспериментальные способы контроля динамики параметрической надежности (безотказности) ТС по параметрам состояния ТС, которые характеризуют работоспособность ТС (основные ПС ТС).

При этом из уровня техники известно, что большинство разработанных способов предполагают стабильные ПС ТС. Однако, во время эксплуатации ТС в зависимости от условий в которых она применяется, на нее воздействуют внешние эксплуатационные факторы, которые оказывают влияния на изменение физико-химического состава материалов из которых она состоит. Что в свою очередь объясняет динамику основных ПС ТС. В трудах [3, 4] и нормативно-технической документации [5] опубликованы различные способы контроля динамики параметрической надежности (безотказности), учитывающие динамику только среднего значения основных ПС ТС, но этого недостаточно. В связи с тем, что параметрическая надежность (безотказность) характеризуется вероятностью невыхода основных ПС за допустимые границы, которые определяют работоспособность ТС, то определяющим фактором будет являться «разброс» значений основных ПС, а мерой «разброса» значения является его среднеквадратичное отклонение (СКО), поэтому помимо динамики среднего значения ПС необходимо учитывать и динамику СКО ПС ТС. Об этом упоминается в трудах [6, 7].

При этом внешние эксплуатационные факторы, воздействующие на ТС, в разной степени оказывают влияния на динамику среднего значения и СКО основных ПС ТС. Поэтому для контроля параметрической надежности (безотказности) ТС, необходимо учитывать только те внешние эксплуатационные факторы, которые оказывают существенное влияние на динамику основных ПС ТС. Имеются различные методы испытаний на воздействие внешних факторов в соответствии с [8], основной целью которых является определение способности ТС работать в требуемых пределах условий окружающей среды и выдерживать хранение и транспортирование. При проведении такого вида испытаний, надежность не контролируется, также как и степень влияния внешних эксплуатационных факторов на показатели надежности ТС.

Предлагаемый способ в изобретении обеспечивает достижение целей как контроля надежности, так и определения степени влияния внешних эксплуатационных факторов на показатели надежности ТС, что позволит при проведении контроля динамики параметрической надежности также определить воздействие внешних факторов.

В изобретении предлагается способ контроля динамики параметрической надежности (безотказности) ТС, учитывающий влияние внешних эксплуатационных факторов и позволяющий проводить селекцию этих факторов по степени влияния.

Результаты проведенного патентного поиска показали, что известны способы, реализующие контроль динамики параметрической надежности (безотказности) ТС, опубликованные в [9 - 13].

Способ заявленный в [9-13] основан на использовании модели надежности «прочность-нагрузка», в соответствии с которой ТС подвергается испытаниям в критических условиях. Предлагаемый способ относится преимущественно к способам определение запаса прочности ТС. Однако это не соответствует ее нормальным эксплуатационным режимам, в связи с чем происходит некорректное подтверждение требований к безотказности ТС РКТ. Имеется еще ряд недостатков способа, а именно получение смещенных оценок значений показателей безотказности ТС и отсутствие возможности получения количественного значения показателей безотказности ТС.

Способ, заявленный в [9] направлен на определение несмещенных оценок динамики интенсивности отказов ТС и определение вероятности числа непроявившихся дефектов для подтверждения требуемых значений показателей безотказности в виде требований к интенсивности отказов. Данный способ существенно отличается от предлагаемого способа и обладает рядом недостатков, отсутствием динамики показателей безотказности и отсутствием влияния внешних эксплуатационных факторов на показатели безотказности.

Способы, заявленные в [11, 12] предназначены для контроля параметрической надежности по известной функции распределения времени наработки до отказа. Однако оба способа не учитывают динамику ПС, то есть предполагается, что ПС стабильны и не меняются во времени, в следствии чего оценки значений показателей безотказности ТС некорректны. Также данные способы не позволяют определить степень влияния внешних эксплуатационных факторов воздействующих на динамику показателей безотказности ТС.

Наиболее близким к заявленному способу по технической сущности и достигаемому результату является способ контроля динамики параметрической безотказности технических систем опубликованный в [10]. Данный способ контроля динамики параметрической надежности ТС основан на мониторинге информативных параметров, влияющих на безотказность, и определение несмещенных оценок показателей безотказности.

Однако, он обладает рядом недостатков, которые влияют на точность и достоверность оценивания показателей безотказности ТС. Не учитывается динамика СКО значения ПС, не учитывается степень влияния внешних эксплуатационных факторов оказывающих влияние на безотказность ТС, что также влияет на корректность полученных оценок значений показателей безотказности ТС, потому что учет избыточных воздействующих факторов, которые не оказывают влияние на значения показателей безотказности, увеличивает трудоемкость вычислений и возрастает погрешность оценивания показателей безотказности ТС.

За способ-прототип принимается способ контроля динамики параметрической безотказности технических [10]. Технический результат в способе-прототипе заключается в возможности сокращения числа и периода проведения испытаний ТС при повышении точности оценивания и достоверности контроля безотказности и обоснованного принятия ТС в эксплуатацию, а также возможности прогнозирования параметрической безотказности ТС и определения дальнейшего периода целевого использования, с учетом требуемого (заданного) уровня безотказности. Сущность способа-прототипа заключается в том, что изготавливают образец технической системы с одинаковым разбросом параметров и не имеющий скрытых производственных дефектов, выявляют информативные параметры состояния влияющие на безотказность ТС, с предположением о распределении параметров состояния ТС по нормальному закону, устанавливают допустимые пределы ПС в которых обеспечивает работоспособность ТС, проводят граничные испытания при воздействии эксплуатационных факторов и фиксируют значения ПС, строят модель динамики среднего значения ПС, далее производится оценивание показателей безотказности ТС на основе метода несмещенных оценок, далее по полученным точечным и интервальным оценкам показателей безотказности ТС принимаются решения о принятии ТС в эксплуатацию и определения дальнейшего периода целевого использования. Способ-прототип обладает общими признаками с предлагаемым способом в изобретении, а именно: изготавливают образец технической системы с одинаковым разбросом параметров и не имеющий скрытых производственных дефектов, выявляют информативные ПС ТС, которые влияют на безотказную работу ТС и подчиняющиеся нормальному закону распределения, устанавливают допустимые пределы для ПС, такие что при нахождении ПС в этих пределах обеспечивается безотказная работа ТС в течение периода целевого использования, проводят испытания только одного опытного образца технической системы в течение заданного времени, определяют несмещенные оценки неизвестных параметров на основе построенных плотностей вероятности и динамику ВБР ТС по каждому и всем ПС, определяют точечные и интервальные оценки ВБР ТС и их СКО, прогнозируют безотказность ТС и определяют допустимый период целевого использования.

Техническим результатом изобретения является повышение достоверности и точности оценивания надежности (безотказности) ТС с учетом степени влияния внешних эксплуатационных факторов на параметрическую безотказность при нормальных условиях эксплуатации, ее прогнозирования и определения периода дальнейшего целевого использования ТС с требуемым уровнем безотказности в условиях экономических, технических и временных ограничений, выделяемых на экспериментальную отработку ТС.

Технико-экономическим эффектом предлагаемого изобретения является возможность упрощения условий испытаний за счет выявления не влияющих внешних эксплуатационных факторов на показатели надежности (безотказности) ТС, а также возможность одновременного контроля надежности и определения степени влияния внешних эксплуатационных факторов на ТС.

Технический результат в предлагаемом изобретении достигается тем, что изготавливается ТС с контролируемыми информативными ПС влияющими на безотказность и не имеющую скрытых дефектов, определяют допустимые интервалы для ПС, в пределах которых обеспечивается безотказная работа ТС, проводят испытания ТС с учетом влияния внешних эксплуатационных факторов в течение заданного времени целевого использования при нормальных условиях эксплуатации, разбитые на циклы, фиксируют значения ПС и значения внешних эксплуатационных факторов, после n-го цикла испытаний выбирают модель динамики среднего значения и СКО ПС, выявляют внешние эксплуатационные факторы которые несущественно влияют на параметрическую надежность, упрощают условия испытаний за счет исключения факторов не влияющих на параметрическую надежность, корректируют модели изменения среднего значения каждого параметра состояния и их среднеквадратичного отклонения, продолжают испытания до заданного времени целевого использования, оценивают, прогнозируют безотказность и определяют период целевого использования по всем полученным результатам с учетом только существенно влияющих внешних эксплуатационных факторов.

Сущность изобретения поясняется следующими действиями (фиг. 1):

1. Изготавливают опытный образец ТС из элементов с одинаковым разбросом параметров и не имеющих скрытых дефектов;

2. Определяют информативные параметры, которые влияют на безотказную работу ТС X_j,j=1,…, J, и подчиняются нормальному закону распределения, а также воздействующие факторы для каждого ПС ψ_jz, z=1,…,Z;

3. Определяют допустимые пределы [X_jH: X_jB] Для выбранных ПС ТС X_j, при нахождении ПС в этих пределах обеспечивается безотказная работа ТС;

4. Разбивают период целевого использования ТС Т_ЦИ на N циклов, так чтобы

5. Проводят испытания ТС с учетом влияния внешних эксплуатационных факторов при нормальных условиях функционирования в течение первого цикла T₁, в течение цикла фиксируют значения ПС x_ij и воздействующих факторов ψ_iz, i=1,…, I, где I - количество зафиксированных значений ПС и факторов в течение первого цикла.

6. Выбирают модели динамики среднего значения и СКО ПС по полученным экспериментальным данным:

где A_jz, B_jz, - параметры, характеризующие влияние воздействующих факторов на МО и СКО для каждого j-го ПС.

ψ_i-1z - - при i=1, значение воздействующих факторов в момент старта испытания.

7. Выявляют внешние эксплуатационные факторы, которые несущественно влияют на параметрическую надежность, для этого:

7.1. Строят плотности вероятности (ПВ) оценок параметров A_jz, B_jz, по результатам испытаний в течение первого цикла T₁ каждого выбранного j-ro ПС:

где Ω - область возможных значений параметров.

7.2. Строят автономные ПВ оценок неизвестных параметров:

7.3. Определяют степень влияния внешних эксплуатационных факторов на ПС по экспериментальным данным:

По значению W_maxjz принимается решение о степени влияния фактора, если M_maxjz> 0 то его необходимо учитывать, если M_maxjz ≈ 0 то влияние фактора исключается.

8. Упрощают условия испытаний и вносят коррективы в модели динамики среднего значения и СКО ПС ТС при выявлении несущественных факторов.

9. Продолжают испытания до заданного Т_ЦИ. Фиксируются значения ПС _xjj и значения влияющих воздействующих факторов ψ_iz.

10. Оценивают безотказность на основе полученных результатов за Т_ЦИ, для этого:

10.1. Определяют несмещенные оценки параметров и их среднеквадратические отклонения (СКО) на основе полученных результатов за

Т_ЦИ:

10.2. Строят ПВ оценок ПС в каждый момент времени при переменном среднем значении и СКО, используя полученные несмещенные оценки параметров и их СКО, с помощью которой далее можно определить точечные и интервальные оценки ВБР ТС:

10.3. Определяют точечные и интервальные оценки ВБР ТС на основе ПВ оценок информативных ПС;

11. Прогнозируют безотказность ТС на основе точечных и интервальных оценок ВБР ТС;

12. Определяют допустимый периода целевого использования.

Отличительными признаками предлагаемого способа от способа-прототипа являются:

1. Проводят испытания при нормальных условиях функционирования ТС с учетом влияния внешних эксплуатационных факторов;

2. Учитывают изменения, как среднего значения ПС, так и его СКО;

3. Учитывают степень влияния внешних эксплуатационных факторов на показатели надежности (безотказности) ТС;

4. Проводят селекцию внешних эксплуатационных факторов, оказывающих влияние на показатели надежности (безотказности) ТС;

5. Проводят корректировку моделей динамики среднего значения и СКО ПС ТС после n-го цикла испытаний;

6. Проводят упрощение условий испытания после n-го цикла испытаний.

Демонстрация работоспособности предлагаемого в изобретении способа проводится в условиях примера способа прототипа. Предъявляются требования к ВБР ТС Р_ТР=0,97 и СКО σ_РТР=0,02, период целевого использования Т_ЦИ=2000 ч., а также требования к интервальной оценке ВБР Р_Н=0,93 при доверительной вероятности γ=0,9.

Для этого изготавливают один образец ТС и испытывают ее в условиях влияния внешних эксплуатационных факторов в течение такого же ограниченного периода T_u=100 часов, разбитый на 10 циклов по 10 ч., при этом после 5 цикла проводится селекция внешних эксплуатационных факторов воздействующих на ТС. В процессе испытания измерялись основные ПС ТС: напряженно-деформированное состояние корпуса ТС S в конце каждого i-го цикла и температуры Т_ТС внутри ТС, измеренную в середине и в конце i-x циклов. Фиксируются значения внешних эксплуатационных факторов воздействующих на ТС: температура окружающей среды Ток, атмосферное давление Р_АТМ, относительная влажность воздуха ϕ, воздействие солнечного излучения (солнечной радиации) полученной ТС за цикл Г. Результаты измерений основных параметров состояния S и Т представлены в табл. 1, при этом допустимые границы для ПС, при которых обеспечивается безотказная работа ТС, установлены S_max=10 Па, T_TC∈[20; 80]°С.Также в табл. 1 представлены результаты измерений внешних эксплуатационных факторов.

В соответствии с предложенным способом после 5 цикла проведем селекцию внешних эксплуатационных факторов, по предложенному порядку действий шага 7. Проведенные расчеты показали следующие значения степени влияния внешних эксплуатационных факторов на контролируемые ПС ТС, табл. 2.

Проведенные расчеты по предложенному способу показали, что относительная влажность и воздействие солнечного излучения (солнечной радиации) полученной ТС за цикл на напряженно-деформированное состояние корпуса ТС S практически не оказывает влияние, при этом атмосферное давление и относительная влажность практически не оказывает влияние на температуру внутри ТС.

Далее в соответствии с предложенным способом корректируются модели динамики среднего значения и СКО ПС ТС и упрощаются условия испытаний, в результате чего затрачивается меньше ресурсов, уменьшается трудоемкость вычислений. После чего осуществляются шаги 10 - 12.

В табл. 3 представлены результаты оценивания параметрической безотказности ТС по способу-прототипу и предлагаемому способу.

Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о том, что оценки безотказности ТС по предлагаемому способу точнее, так как СКО по предлагаемому способу ниже. Повышение точности оценивания достигнуто учетом модели динамики СКО среднего значения и селекцией внешних эксплуатационных факторов. При этом по предлагаемому способу экономятся ресурсы на проведения испытания в виду упрощения условий испытания.

Таким образом, поставленная задача изобретения по повышению достоверности и точности оценивания безотказности ТС с учетом степени влияния внешних эксплуатационных факторов на параметрическую безотказность при нормальных условиях эксплуатации, ее прогнозирования и определения периода дальнейшего целевого использования ТС с требуемым уровнем безотказности в условиях экономических, технических и временных ограничений, выделяемых на экспериментальную отработку ТС, достигнута.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ:

1. Федеральная космическая программа России на 2016 - 2025 годы (утверждена постановлением Правительства РФ от 23 марта 2016 г. № 230).

2. ГОСТ Р 27.102-2021. Надежность в технике. Надежность объекта. Термины и определения. - М.: Стандартинформ, 2021.

3. Сухорученков Б.И., Алиев В.В., Окороков М.В. «Способы оценивания параметрической надежности технических систем в условиях влияния различных факторов» // Журнал «Стратегическая стабильность» № 2 (91) - 2020.

4. Окороков М.В., Сухорученков Б.И., Прозоров А.А. Способы статистического оценивания динамики параметрической надежности технических систем при влиянии действующих факторов. Журнал «Двойные технологии» № 3 (104). СИП РИА, 2023 г.

5. РД В 319.01.11-98 «Комплексная система контроля качества. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Типовые методики ускоренных испытаний на безотказность и долговечность» (введена в действие Директивой НВ Минобороны России от 15 июня 1999 г. № 176/И/0128).

6. Милехин Ю.М., Берсон А.Ю., Кавицкая В.К., Еренбург Э.И. Надежность ракетных двигателей на твердом топливе: Монография - М.: МГУП, 2005.

7. Проников А.С.Параметрическая надежность машин. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002.

8. ГОСТ 28198-89. Основные методы испытаний на воздействие внешних факторов. Часть 1. Общие положение и руководство. -М.: Стандартинформ. 2006.

9. RU № 2759714, 2021.

10. RU № 2745968, 2021.

11. RU № 2742282, 2021.

12. RU № 2003173, 1993.

13. SU № 1471157, 1989.

Изобретение относится к способам контрольных испытаний ракетно-космической техники. Техническим результатом изобретения является повышение достоверности и точности оценивания надежности (безотказности) технической системы (ТС) с учетом степени влияния внешних эксплуатационных факторов на параметрическую безотказность при нормальных условиях эксплуатации, ее прогнозирования и определения периода дальнейшего целевого использования ТС с требуемым уровнем безотказности в условиях экономических, технических и временных ограничений, выделяемых на экспериментальную отработку ТС. Технический результат в изобретении достигается тем, что изготавливается ТС с контролируемыми информативными ПС, влияющими на безотказность, при этом ТС не имеет скрытых дефектов, определяют допустимые интервалы для ПС, в пределах которых обеспечивается безотказная работа ТС, проводят испытания ТС с учетом влияния внешних эксплуатационных факторов в течение заданного времени целевого использования при нормальных условиях эксплуатации, разбитые на циклы, фиксируют значения ПС и значения внешних эксплуатационных факторов, после n-го цикла испытаний выбирают модели динамики среднего значения и СКО ПС, выявляют внешние эксплуатационные факторы, которые несущественно влияют на параметрическую надежность, упрощают условия испытаний за счет исключения факторов, не влияющих на параметрическую надежность, корректируют модели изменения среднего значения каждого параметра состояния и их среднеквадратичного отклонения, продолжают испытания до заданного времени целевого использования, оценивают, прогнозируют безотказность и определяют период целевого использования по всем полученным результатам с учетом только существенно влияющих внешних эксплуатационных факторов. 1 ил., 3 табл.

Способ контроля динамики параметрической надежности технических систем с учетом влияния внешних эксплуатационных факторов, заключающийся в том, что изготавливают техническую систему с контролируемыми информативными параметрами состояния, влияющими на безотказность, и не имеющую скрытых дефектов, определяют допустимые интервалы для параметров состояния, в пределах которых обеспечивается безотказная работа технической системы, учитывают изменение безотказности, оценивают и прогнозируют безотказность, определяют допустимый период целевого использования, отличающийся тем, что проводят испытания технической системы с учетом влияния внешних эксплуатационных факторов в течение заданного времени целевого использования при нормальных условиях эксплуатации, разбитые на циклы, фиксируют значения параметров состояния и внешних эксплуатационных факторов, после n-го цикла испытаний выбирают модель изменения среднего значения каждого параметра состояния и их среднеквадратичного отклонения, выявляют внешние эксплуатационные факторы, которые несущественно влияют на параметрическую надежность, упрощают условия испытаний за счет исключения факторов, не влияющих на параметрическую надежность, корректируют модели изменения среднего значения каждого параметра состояния и их среднеквадратичного отклонения, продолжают испытания до заданного времени целевого использования, оценивают, прогнозируют безотказность и определяют период целевого использования по всем полученным результатам с учетом только существенно влияющих внешних эксплуатационных факторов.