Из ГОСТ 27.301-95 Надежность в технике. Расчет надежности. Основные положения

ГОСТ 27.301-95 Надежность в технике. Расчет надежности. Основные положения. Dependability in technics. Dependability prediction. Basic principles. МКС 21.020 ОКСТУ 0027 Группа Т51. Редакция от 11.03.2022.

3 Определения ГОСТ 27.301-95

В настоящем стандарте применены общие термины в области надежности, определения которых установлены ГОСТ 27.002. Дополнительно в стандарте применены следующие термины, относящиеся к расчету надежности.

Расчет надежности по ГОСТ 27.301-95

Процедура определения значений показателей надежности объекта с использованием методов, основанных на их вычислении по справочным данным о надежности элементов объекта, по данным о надежности объектов-аналогов, данным о свойствах материалов и другой информации, имеющейся к моменту расчета [из 3.1 ГОСТ 27.301-95]

4 Основные положения ГОСТ 27.301-95

4.1 Порядок расчета надежности ГОСТ 27.301-95

Надежность объекта рассчитывают на стадиях жизненного цикла и соответствующих этим стадиям этапах видов работ, установленных программой обеспечения надежности (ПОН) объекта или документами, ее заменяющими.

ПОН должна устанавливать цели расчета на каждом этапе видов работ, применяемые при расчете нормативные документы и методики, сроки выполнения расчета и исполнителей, порядок оформления, представления и контроля результатов расчета [из 4.1 Порядок расчета надежности ГОСТ 27.301-95]

4.2 Цели расчета надежности ГОСТ 27.301-95

Расчет надежности объекта на определенном этапе видов работ, соответствующем некоторой стадии его жизненного цикла, может иметь своими целями:

[из 4.2 Цели расчета надежности ГОСТ 27.301-95]

4.3 Общая схема расчета ГОСТ 27.301-95

4.3.1 Расчет надежности объектов в общем случае представляет собой процедуру последовательного поэтапного уточнения оценок показателей надежности по мере отработки конструкции и технологии изготовления объекта, алгоритмов его функционирования, правил эксплуатации, системы технического обслуживания и ремонта, критериев отказов и предельных состояний, накопления более полной и достоверной информации о всех факторах, определяющих надежность, и применения более адекватных и точных методов расчета и расчетных моделей [из 4.3.1 ГОСТ 27.301-95]

4.3.2 Расчет надежности на любом этапе видов работ, предусмотренном планом ПОН, включает:

[из 4.3.2 ГОСТ 27.301-95]

4.4 Идентификация объекта ГОСТ 27.301-95

4.4.1 Идентификация объекта для расчета его надежности включает получение и анализ следующей информации об объекте, условиях его эксплуатации и других факторах, определяющих его надежность:

[из 4.4.1 ГОСТ 27.301-95]

4.4.2 Полнота идентификации объекта на рассматриваемом этапе расчета его надежности определяет выбор соответствующего метода расчета, обеспечивающего приемлемую на данном этапе точность при отсутствии или невозможности получения части информации, предусмотренной 4.4.1 [из 4.4.2 ГОСТ 27.301-95]

4.5 Методы расчета ГОСТ 27.301-95

4.5.3 По основным принципам расчета свойств, составляющих надежность, или комплексных показателей надежности объектов различают:

Методы прогнозирования основаны на использовании для оценки ожидаемого уровня надежности объекта данных о достигнутых значениях и выявленных тенденциях изменения ПН объектов, аналогичных или близких к рассматриваемому по назначению, принципам действия, схемно-конструктивному построению и технологии изготовления, элементной базе и применяемым материалам, условиям и режимам эксплуатации, принципам и методам управления надежностью (далее - объектов-аналогов).

Структурные методы расчета основаны на представлении объекта в виде логической (структурно-функциональной) схемы, описывающей зависимость состояний и переходов объекта от состояний и переходов его элементов с учетом их взаимодействия и выполняемых ими функций в объекте с последующими описаниями построенной структурной модели адекватной математической моделью и вычислением ПН объекта по известным характеристикам надежности его элементов.

Физические методы расчета основаны на применении математических моделей, описывающих физические, химические и иные процессы, приводящие к отказам объектов (к достижению объектами предельного состояния), и вычислении ПН по известным параметрам нагруженности объекта, характеристикам примененных в объекте веществ и материалов с учетом особенностей его конструкции и технологии изготовления.

Характеристика перечисленных методов и рекомендации по их применению приведены в приложении А [из 4.5.3 ГОСТ 27.301-95]

4.5.4 Метод расчета надежности конкретного объекта выбирают в зависимости от:

[из 4.5.4 ГОСТ 27.301-95]

4.5.5 При расчете надежности конкретных объектов возможно одновременное применение различных методов, например методов прогнозирования надежности электронных и электротехнических элементов с последующим использованием полученных результатов в качестве исходных данных для расчета надежности объекта в целом или его составных частей различными структурными методами [из 4.5.5 ГОСТ 27.301-95]

4.6 Исходные данные ГОСТ 27.301-95

4.6.1 Исходными данными для расчета надежности объекта могут быть:

[из 4.6.1 ГОСТ 27.301-95]

4.6.2 Источниками исходных данных для расчета надежности объекта могут быть:

[из 4.6.2 ГОСТ 27.301-95]

4.6.3 При наличии нескольких источников исходных данных для расчета надежности объекта приоритеты в их использовании или методы объединения данных из разных источников должны быть установлены в методике расчета. В расчете надежности, включаемом в комплект рабочей документации на объект, предпочтительным должно быть применение исходных данных из стандартов и технических условий на составные части, элементы и материалы [из 4.6.3 ГОСТ 27.301-95]

4.7 Адекватность метода расчета ГОСТ 27.301-95

4.7.1 Адекватность выбранного метода расчета и построенных расчетных моделей целям и задачам расчета надежности объекта характеризуют:

[из 4.7.1 ГОСТ 27.301-95]

4.7.2 Степень адекватности моделей и методов расчета надежности оценивают путем:

  • сопоставления результатов расчета и экспериментальной оценки ПН объектов-аналогов, для которых применялись аналогичные модели и методы расчета;
  • исследования чувствительности моделей к возможным нарушениям принятых при их построении допущений и предположений, а также к погрешностям исходных данных для расчета;
  • экспертизы и апробации применяемых моделей и методов, проводимых в установленном порядке.

[из 4.7.2 ГОСТ 27.301-95]

4.8 Требования к методикам расчета ГОСТ 27.301-95

4.8.1 Для расчета надежности объектов применяют:

[из 4.8.1 ГОСТ 27.301-95]

4.8.2 Типовая методика расчета надежности должна содержать:

[из 4.8.2 ГОСТ 27.301-95]

4.8.3 Методика расчета надежности конкретного объекта должна содержать:

[из 4.8.3 ГОСТ 27.301-95]

4.9 Представление результатов расчета ГОСТ 27.301-95

4.9.1 Результаты расчета надежности объекта оформляют в виде раздела пояснительной записки к соответствующему проекту (эскизному, техническому) или в виде самостоятельного документа (РР по ГОСТ 2.102, отчета и др.), содержащего:

[из 4.9.1 ГОСТ 27.301-95]

4.9.3 Расчетные оценки ПН, заключения о их соответствии установленным требованиям и возможности перехода к следующему этапу видов работ по разработке (постановке на производство) объекта, рекомендации по доработкам с целью повышения его надежности включают в акт приемочных испытаний, если принято решение о контроле надежности объекта расчетным методом [из 4.9.3 ГОСТ 27.301-95]

Приложение А (справочное) - Методы расчета надежности и общие рекомендации по их применению ГОСТ 27.301-95

1 Методы прогнозирования надежности ГОСТ 27.301-95

1.1 Методы прогнозирования применяют:

[из 1.1 ГОСТ 27.301-95]

1.2 Для прогнозирования надежности объектов применяют:

Методы эвристического прогнозирования основаны на статистической обработке независимых оценок значений ожидаемых ПН разрабатываемого объекта (индивидуальных прогнозов), даваемых группой квалифицированных специалистов (экспертов) на основе предоставленной им информации об объекте, условиях его эксплуатации, планируемой технологии изготовления и других данных, имеющихся в момент проведения оценки. Опрос экспертов и статистическую обработку индивидуальных прогнозов ПН проводят общепринятыми при экспертной оценке любых показателей качества методами (например метод Дельфи).

Методы прогнозирования по статистическим моделям основаны на экстра- или интерполяции зависимостей, описывающих выявленные тенденции изменения ПН объектов-аналогов с учетом их конструктивно-технологических особенностей и других факторов, информация о которых для разрабатываемого объекта известна или может быть получена в момент проведения оценки. Модели для прогнозирования строят по данным о ПН и параметрах объектов-аналогов с использованием известных статистических методов (многофакторного регрессионного или факторного анализа, методов статистической классификации и распознавания образов).

Комбинированные методы основаны на совместном применении для прогнозирования надежности объектов методов прогнозирования по статистическим моделям и эвристических методов с последующим сравнением результатов. При этом эвристические методы используют для оценки возможности экстраполяции используемых статистических моделей и уточнения прогноза по ним ПН. Применение комбинированных методов целесообразно в случаях, когда есть основания ожидать качественных изменений уровня надежности объектов, не отражаемых соответствующими статистическими моделями, или при недостаточном для применения только статистических методов числе объектов-аналогов [из 1.2 ГОСТ 27.301-95]

2 Структурные методы расчета надежности ГОСТ 27.301-95

2.1 Структурные методы являются основными методами расчета показателей безотказности, ремонтопригодности и комплексных ПН в процессе проектирования объектов, поддающихся разукрупнению на элементы, характеристики надежности которых в момент проведения расчетов известны или могут быть определены другими методами (прогнозирования, физическими, по статистическим данным, собранным в процессе их применения в аналогичных условиях). Эти методы применяют также для расчета долговечности и сохраняемости объектов, критерии предельного состояния которых выражаются через параметры долговечности (сохраняемости) их элементов [из 2.1 ГОСТ 27.301-95]

2.2 Расчет ПН структурными методами в общем случае включает:

[из 2.2 ГОСТ 27.301-95]

2.3 В качестве структурных схем надежности могут применяться:

  • структурные блок-схемы надежности, представляющие объект в виде совокупности определенным образом соединенных (в смысле надежности) элементов (стандарт МЭК 1078);
  • деревья отказов объекта, представляющие графическое отображение причинно-следственных связей, обуславливающих определенные виды его отказов (стандарт МЭК 1025);
  • графы (диаграммы) состояний и переходов, описывающих возможные состояния объекта и его переходы из одного состояния в другое в виде совокупности состояний и переходов его элементов.

[из 2.3 ГОСТ 27.301-95]

2.4 Математические модели, применяемые для описания соответствующих ССН, определяются видами и сложностью указанных структур, принятыми допущениями относительно видов законов распределения характеристик надежности элементов, точностью и достоверностью исходных данных для расчета и другими факторами.

Ниже рассмотрены наиболее употребительные математические методы расчета ПН, что не исключает возможности разработки и применения других методов, более адекватных структуре и другим особенностям объекта [из 2.4 ГОСТ 27.301-95]

2.5 Методы расчета безотказности невосстанавливаемых объектов вида I (по классификации объектов в соответствии с ГОСТ 27.003) ГОСТ 27.301-95

Как правило, для описания безотказности таких объектов применяют блок-схемы безотказности, правила составления и математического описания которых установлены МЭК 1078. В частности, указанным стандартом установлены:

  • методы прямого расчета вероятности безотказной работы объекта (ВБР) по соответствующим параметрам безотказности элементов для простейших параллельно-последовательных структур;
  • методы расчета ВБР для более сложных структур, относящихся к классу монотонных, включая метод прямого перебора состояний, метод минимальных путей и сечений, метод разложения относительно любого элемента.

Для расчета показателей типа средней наработки объекта до отказа в указанных методах используют метод прямого или численного интегрирования распределения наработки до отказа объекта, представляющего композицию соответствующих распределений наработок до отказа его элементов. Если информация о распределении наработок до отказа элементов неполна или недостоверна, то применяют различные граничные оценки ПН объекта, известные из теории надежности [1-4].

В частном случае невосстанавливаемой системы с различными способами резервирования и при экспоненциальном распределении наработок до отказа элементов применяют ее структурное отображение в виде графа переходов и его математическое описание с помощью марковского процесса.

При использовании для структурного описания безотказности деревьев отказов в соответствии с МЭК 1025 вероятности соответствующих отказов рассчитывают с использованием булева представления дерева отказов и метода минимальных сечений [из 2.5 Методы расчета безотказности невосстанавливаемых объектов вида I (по классификации объектов в соответствии с ГОСТ 27.003) ГОСТ 27.301-95]

2.6 Методы расчета безотказности и комплексных ПН восстанавливаемых объектов вида I ГОСТ 27.301-95

Универсальным методом расчета для объектов любой структуры и при любых сечениях распределений наработок между отказами и времен восстановления элементов, при любых стратегиях и методах восстановления и профилактики служит метод статистического моделирования, в общем случае включающий [3]:

Метод статистического моделирования для расчета надежности применяют при отсутствии адекватных аналитических моделей из числа рассматриваемых ниже.

Для резервированных последовательных структур с восстановлением и произвольными способами резервирования элементов применяют марковские модели для описания соответствующих графов (диаграмм) состояний.

В некоторых случаях для объектов с неэкспоненциальными распределениями наработок и времени восстановления немарковская задача расчета ПН может быть сведена к марковской путем введения определенным способом фиктивных состояний объекта в его граф переходов.

Другой эффективный метод расчета ПН объектов с резервом основан на представлении наработок их между отказами в виде суммы случайного числа случайных слагаемых и непосредственном вычислении ПН объектов без привлечения методов теории случайных процессов [из 2.6 Методы расчета безотказности и комплексных ПН восстанавливаемых объектов вида I ГОСТ 27.301-95]

2.7 Методы расчета показателей ремонтопригодности ГОСТ 27.301-95

Методы расчета показателей ремонтопригодности в общем случае основаны на представлении процесса ТО или ремонта определенного вида как совокупности отдельных задач (операций), вероятности и цели выполнения которых определяются показателями безотказности (долговечности) объектов и принятой стратегией ТО и ремонта, а продолжительность (трудоемкость, стоимость) выполнения каждой задачи зависит от конструктивной приспособленности объекта к ТО (ремонту) данного вида.

В частности, при расчете показателей ремонтопригодности объектов при текущем неплановом ремонте распределение времени (трудоемкости, стоимости) его восстановления представляет композицию распределений затрат на отдельные задачи восстановления с учетом ожидаемой вероятности выполнения каждой задачи за некоторый период работы объекта. Указанные вероятности могут быть рассчитаны, например, с помощью деревьев отказов, а параметры распределения затрат на выполнение отдельных задач рассчитывают одним из методов, установленных, например, МР 252-87 (нормативно-коэффициентным, по регрессионным моделям и др.).

Общая схема расчета включает:

  • составление (например методами АВПКО по ГОСТ 27.310) перечня возможных отказов объекта и оценку их вероятностей (интенсивностей);
  • отбор из составленного перечня методом расслоенной случайной выборки некоторого достаточно представительного числа задач и расчет параметров распределений их продолжительности (трудоемкости, стоимости). В качестве таких распределений обычно используют усеченное нормальное или альфа-распределение;
  • построение эмпирического распределения затрат на текущий ремонт объекта путем сложения с учетом вероятностей отказов распределений затрат на отдельные задачи и его сглаживание с помощью соответствующего теоретического распределения (логарифмически-нормального или гамма-распределения);
  • вычисление показателей ремонтопригодности объекта по параметрам выбранного закона распределения.

[из 2.7 Методы расчета показателей ремонтопригодности ГОСТ 27.301-95]

2.8 Методы расчета показателей надежности объектов вида II (по классификации ГОСТ 27.003) ГОСТ 27.301-95

Для объектов данного вида применяют ПН типа «коэффициент сохранения эффективности» (Кэф), при расчете которого сохраняются общие принципы расчета надежности объектов вида I, но каждому состоянию объекта, определяемому совокупностью состояний его элементов или каждой возможной его траектории в пространстве состояний элементов, должно быть поставлено в соответствие определенное значение доли сохраняемой номинальной эффективности от 0 до 1 (для объектов вида I эффективность в любом состоянии может принимать только два возможных значения: 0 или 1).

Существует два основных метода расчета Кэф:

  • метод усреднения по состояниям (аналог метода прямого перебора состояний), применяемый для объектов кратковременного действия, выполняющих задачи, продолжительность которых такова, что вероятностью изменения состояния объекта в процессе выполнения задачи можно пренебречь и учитывать только его начальное состояние;
  • метод усреднения по траекториям, применяемый для объектов длительного действия, продолжительность выполнения задач которыми такова, что нельзя пренебречь вероятностью смены состояний объекта при их выполнении за счет отказов и восстановлений элементов. При этом процесс функционирования объекта описывается реализацией одной из возможных траекторий в пространстве состояний.

Известны также некоторые частные случаи расчетных схем для определения Кэф, применяемые для систем с определенными видами функции эффективности, например:

  • системы с аддитивным показателем эффективности, каждый элемент которых вносит определенный независимый вклад в выходной эффект от применения системы;
  • системы с мультипликативным показателем эффективности, получаемым как произведение соответствующих показателей эффективности подсистем;
  • системы с резервированием функций;
  • системы, выполняющие задачу несколькими возможными способами с использованием различных сочетаний элементов, участвующих в выполнении задачи каждым из них;
  • симметричные ветвящиеся системы;
  • системы с пересекающимися зонами действия и др.

Во всех перечисленных выше схемах Кэф системы представляют функцией Кэф ее подсистем или ПН элементов.

Наиболее принципиальным моментом в расчетах Кэф является оценка эффективностей системы в различных состояниях или при реализации различных траекторий в пространстве состояний, проводимая аналитически, или методом моделирования, или экспериментальным путем непосредственно на самом объекте или его натурных моделях (макетах) [из 2.8 Методы расчета показателей надежности объектов вида II (по классификации ГОСТ 27.003) ГОСТ 27.301-95]

3 Физические методы расчета надежности ГОСТ 27.301-95

3.1 Физические методы применяют для расчета безотказности, долговечности и сохраняемости объектов, для которых известны механизмы их деградации под влиянием различных внешних и внутренних факторов, приводящие к отказам (предельным состояниям) в процессе эксплуатации (хранения) [из 3.1 ГОСТ 27.301-95]

3.2 Методы основаны на описании соответствующих процессов деградации с помощью адекватных математических моделей, позволяющих вычислять ПН с учетом конструкции, технологии изготовления, режимов и условий работы объекта по справочным или определенным экспериментально физическим и иным свойствам веществ и материалов, используемых в объекте.

В общем случае указанные модели при одном ведущем процессе деградации могут быть представлены моделью выбросов некоторого случайного процесса за пределы границ допустимой области его существования, причем границы этой области могут быть также случайными и коррелированными с указанным процессом (моделью непревышения).

При наличии нескольких независимых процессов деградации, каждый из которых порождает свое распределение ресурса (наработки до отказа), результирующее распределение ресурса (наработки объекта до отказа) находят с использованием модели «слабейшего звена» (распределение минимума независимых случайных величин) [из 3.2 ГОСТ 27.301-95]

3.3 Компоненты моделей непревышения могут иметь различную физическую природу и, соответственно, описываться разными видами распределений случайных величин (случайных процессов), а также могут быть в моделях накопления повреждений. Этим обусловлено большое разнообразие применяемых на практике моделей непревышения, причем лишь в относительно редких случаях эти модели допускают прямое аналитическое решение. Поэтому основным методом расчета надежности по моделям непревышения является статистическое моделирование [из 3.3 ГОСТ 27.301-95]

Приложение Б (справочное) - Перечень справочников, нормативных и методических документов по расчету надежности ГОСТ 27.301-95

  1. Б.А. Козлов, И.А. Ушаков. Справочник по расчету надежности аппаратуры радиоэлектроники и автоматики. М.: Советское радио, 1975. 472 с.
  2. Надежность технических систем. Справочник под ред. И.А. Ушакова. М.: Радио и связь, 1985. 608 с.
  3. Надежность и эффективность в технике. Справочник в 10 т.
    • Т. 2 под ред. Б.В. Гнеденко. М.: Машиностроение, 1987. 280 с;
    • Т. 5 под ред. В.И. Патрушева и А.И. Рембезы. М.: Машиностроение, 1988. 224 с.
  4. Б.Ф. Хазов, Б.А. Дидусев. Справочник по расчету надежности машин на стадии проектирования. М.: Машиностроение, 1986. 224 с.
  5. Стандарт МЭК 300-3-1 (1991) Управление надежностью. Часть 3. Руководства. Раздел 1. Обзор методов анализа надежности.
  6. Стандарт МЭК 706-2 (1991) Руководство по обеспечению ремонтопригодности аппаратуры. Часть 2, раздел 5. Анализ ремонтопригодности на стадии проектирования.
  7. Стандарт МЭК 863 (1986) Представление результатов прогнозирования безотказности, ремонтопригодности и готовности.
  8. Стандарт МЭК 1025 (1990) Анализ деревьев отказов.
  9. Стандарт МЭК 1078 (1991) Методы анализа надежности. Метод расчета безотказности с использованием блок-схем.
  10. РД 50-476-84 Методические указания. Надежность в технике. Интервальная оценка надежности технического объекта по результатам испытаний составных частей. Общие положения.
  11. РД 50-518-84 Методические указания. Надежность в технике. Общие требования к содержанию и формам представления справочных данных о надежности комплектующих изделий межотраслевого применения.
  12. МР 159-85 Надежность в технике. Выбор видов распределений случайных величин. Методические рекомендации.
  13. МР 252-87 Надежность в технике. Расчет показателей ремонтопригодности при разработке изделия. Методические рекомендации.
  14. Р 50-54-82-88 Надежность в технике. Выбор способов и методов резервирования.
  15. ГОСТ 27.310-95 Надежность в технике. Анализ видов, последствий и критичности отказов. Основные положения.
  16. Военный стандарт США MIL-STD-756А. Моделирование и прогнозирование безотказности.
  17. Военный справочник по стандартизации США MIL-HDBK-217Е. Прогнозирование безотказности элементов радиоэлектронной аппаратуры.
  18. Военный справочник по стандартизации США MIL-HDBK-472. Прогнозирование ремонтопригодности.

[из Приложение Б (справочное) - Перечень справочников, нормативных и методических документов по расчету надежности ГОСТ 27.301-95]