ГОСТ Р 27.013-2019 (МЭК 62308:2006). Национальный стандарт Российской Федерации. Надежность в технике. Методы оценки показателей безотказности
9 Методы оценки безотказности
9.1 Введение
Оценка безотказности должна быть выполнена с использованием документированных, контролируемых и повторяемых методов, которые могут включать исследования или испытания. Для оценки безотказности рекомендуется использовать сбор данных эксплуатации, если данные обладают необходимым качеством (см. 8.2). Такие методы должны быть подвергнуты некоторой форме валидации. Документация должна включать результаты валидации, выполненной для указания точности и ограничений каждого метода. Эта информация может быть использована для определения применимости метода оценки в конкретной ситуации. Непрерывную валидацию каждого метода оценки следует проводить с использованием данных, непосредственно поступающих из эксплуатации. Реальная корреляция между прогнозируемым и фактическим значениями показателя безотказности может быть обоснованием выбора конкретного метода определения всех последующих оценок с учетом всех проверенных улучшений процесса. Детали руководства по управлению валидацией оценки безотказности и ее улучшением приведены в 11.2.
К объекту может быть применено несколько методов. На практике может быть полезно применить несколько методов к единственному объекту для определения достоверной оценки безотказности. Должна быть разработана документация по обоснованию выбора конкретных методов оценки. Процесс обоснования также должен быть приведен, он должен включать достоверные статистические данные, которые могут продемонстрировать, что источник данных и метод оценки применимы к рассматриваемому объекту. На рисунке 3 приведена схема процесса оценки безотказности, а также его улучшения.
Рисунок 3 - Схема процесса оценки безотказности
и его улучшения
9.2 Анализ подобия
9.2.1 Краткий обзор анализа подобия
Анализ подобия включает использование данных о показателях функционирования оборудования в эксплуатации для сопоставления вновь разработанного оборудования с оборудованием-прототипом и оценки безотказности проектируемого объекта, если условия применения и нагрузки объектов аналогичны. В приложении A приведены руководящие принципы анализа подобия в форме примеров применения этого метода.
Хотя концепция анализа подобия основана на аналогичности конструкции, важно идентифицировать различия в конструкции объектов для дальнейшего анализа и испытаний. Это делает методологию эффективной. Анализ подобия, выполненный на стадии концепции или на ранних стадиях проектирования, позволяет использовать опыт эксплуатации аналогичных объектов и учесть проблемы, устраненные в новой конструкции, приводящие к улучшению безотказности объекта.
Сопоставление аналогичного оборудования может быть сделано для готового объекта, подсистем или компонентов с использованием одних и тех же данных эксплуатации, но с применением различных алгоритмов и коэффициентов в различных аспектах исследования. Сравнение с аналогичным оборудованием также может быть выполнено при функционировании объекта, что позволяет обеспечить основу получения данных об интенсивности отказов для анализа безопасности или принятия решений о структуре системы.
Сопоставляемыми признаками могут быть:
a) режимы эксплуатации и условия окружающей среды (результаты измерений и установленные значения);
b) свойства конструкции;
c) процесс проектирования;
d) опыт проектировщиков при разработке аналогичных конструкций;
e) производственные процессы, включая контроль качества;
f) опыт изготовителя по производству аналогичных компонентов и работе с аналогичными процессами;
g) особенности встроенного тестирования и изоляции отказов;
h) проверка и техническое обслуживание процессов;
i) компоненты и материалы;
j) данные или другие показатели технологической зрелости;
k) качество процесса оценки безотказности.
Для каждого из упомянутых признаков необходимо провести сравнение нескольких признаков более низкого уровня. Например, показателями режима эксплуатации и условий окружающей среды могут быть установившаяся температура, влажность, изменения температуры, электрическая мощность, рабочий цикл, механическая вибрация и т.п. Конструктивные особенности оборудования могут включать количество компонентов (выделенных в соответствии с делением объекта на основные компоненты), несколько схем сборки, размер, вес материалов и т.д.
Анализ подобия должен включать необходимые алгоритмы или методы количественного определения сходств и различий между оцениваемым оборудованием и оборудованием-прототипом.
Если анализ подобия готового объекта невозможен из-за отсутствия оборудования-прототипа, достаточно близкого по аналогии или доступного для непосредственного сравнения с вновь разработанным оцениваемым оборудованием, то анализ подобия может быть проведен на более низком уровне (например, на уровне подсистем, модулей или компонентов). Анализ на более низком уровне может включать структурированное сравнение элементов нового оборудования с аналогичными элементами различных прототипов, для которых доступны данные о безотказности.
Для облегчения выполнения анализа подобия и составления отчета о результатах анализа в 9.2.2 приведен перечень сведений, которые рекомендуется приводить в отчете.
9.2.2 Отчет о результатах анализа подобия
В отчет об оценке безотказности объекта при использовании метода анализа подобия рекомендуется включать следующие сведения:
общая информация:
- дата проведения анализа;
- ФИО специалиста, выполнившего анализ;
- согласования (при необходимости);
- стадия программы;
- использование результатов;
ссылки:
- документ, содержащий применимый план оценки надежности;
- документ, устанавливающий процедуру оценки надежности (альтернативно процедура может быть включена в аналитическую часть документированного отчета);
- архив данных объекта-прототипа;
идентификация исследуемого объекта:
- наименование нового объекта;
- количество частей нового объекта;
- наименования объектов-прототипов;
- количество частей каждого объекта-прототипа;
анализ:
- уровень анализа (LRU, SRU, уровень функционирования и т.д.);
- сводка данных о каждом объекте-прототипе;
- сравниваемые признаки с учетом параметров использования и эксплуатации;
- основа для количественного определения различий исследуемого признака;
- алгоритм или метод(ы) вычисления;
- идентифицированные элементы новой конструкции без аналогичного объекта-прототипа и способ их оценки;
результаты:
- оценки показателей надежности (MTTF, интенсивность отказов и т.д.);
- ожидаемая изменчивость показателя(ей) надежности;
- показатель(и) надежности (если применимо).
9.3 Анализ долговечности
9.3.1 Краткий обзор анализа долговечности
Оценку долговечности используют для определения оценки ресурса компонентов (если интенсивность отказов зависит от времени), лимитирующих объект. Оценка долговечности может включать анализ и испытания или их комбинацию. Это структурированный процесс, который, при необходимости, может включать следующие основные этапы:
a) определение влияния эксплуатационных нагрузок и условий окружающей среды на оборудование в течение его жизненного цикла, включая доставку, обработку, хранение, эксплуатацию и техническое обслуживание (должны быть определены экстремальные типичные или средние значения);
b) определение функций, связывающих воздействующие нагрузки с границами, определенными в соответствии с физикой процессов, приводящих к отказу, например, замыкание электролиний, вибрационные резонансы и демпфирование;
c) определение величины и расположения значимых нагрузок с использованием, например, FEA;
d) определение вероятных мест, механизмов и моделей отказа с использованием, например, FEA;
e) определение периода времени, в течение которого объект может выдерживать существенные нагрузки с использованием соответствующих моделей физики процессов, приводящих к отказу и появлению разрушений объекта, например, уравнения экстремальных нагрузок Аргениуса, обратных степенных законов и т.д. (анализ нагрузок и анализ износа в условиях типичных/средних нагрузок);
f) составление отчета о результатах в виде перечня мест, механизмов и режимов отказа, упорядоченных в соответствии с ожидаемой наработкой до отказа.
Результаты применения методов ускоренных испытаний являются рекомендованными данными испытаний, как входные данные оценки долговечности или валидации модели разрушения, если это применимо.
Процесс оценки долговечности должен обеспечивать определение оценки, как минимум, долгосрочных воздействий термальных, вибрационных и электрических напряжений. Возможность воздействия других факторов, таких как влажность, должна быть включена при необходимости. Желательно, чтобы оценка обеспечивала оценку воздействия нескольких факторов одновременно. С этой целью могут быть полезны модели физики процессов, приводящих к отказу.
Необходимую информацию часто можно найти в результатах испытаний и руководстве по проектированию поставщиков модулей и компонентов.
В некоторых случаях может быть трудно обеспечить оценку безотказности оборудования, содержащего много устройств с большим количеством отказов каждого. В таких случаях оценка долговечности может быть эффективно использована на более низком уровне для анализа определенных режимов и механизмов отказа внутри оборудования, которые не могут быть описаны постоянной интенсивностью отказов. Результаты такого анализа могут затем быть использованы в качестве части анализа более высокого уровня для оценки показателя безотказности оборудования в целом. Долговечность, прежде всего, связана с процессами износа, и таким образом она, как правило, не характеризуется постоянной интенсивностью отказов.
Перечень сведений, который может быть использован для выполнения эффективной оценки долговечности и составления отчета о результатах, приведен в 9.3.2; более детальная информация приведена в приложении B.
9.3.2 Отчет о результатах оценки долговечности
В отчет об оценке безотказности объекта при использовании анализа долговечности рекомендуется включать следующие сведения:
общая информация:
- дата проведения анализа;
- ФИО аналитиков;
- согласования, если это необходимо;
- стадия программы;
- использование результатов;
ссылки:
- документ, содержащий применимый план оценки надежности;
- документ, устанавливающий процедуру оценки долговечности (альтернативно эта процедура может быть включена в аналитическую часть отчетного документа);
идентификация об исследуемом объекте:
- наименование исследуемого объекта;
- количество исследуемых частей объекта;
анализ:
- идентификация применимых нагрузок при эксплуатации, использовании и/или воздействии окружающей среды;
- идентификация функций пересчета и использованных для их определения источников данных (испытания, аналитические исследования или их комбинация);
- идентификация величины и местоположения нагрузок;
- определение вероятных мест, механизмов и режимов отказа;
- определение среднего ресурса с использованием соответствующей модели разрушения объекта;
результаты:
- определение воздействия проанализированных видов отказов на показатели безотказности объекта в целом;
- определение средней изменчивости результатов оценки.
9.4 Испытания и анализ чувствительности
9.4.1 Обзор испытаний и анализа чувствительности
Если в интенсивности отказов объекта доминирует несколько хорошо изученных видов отказа, то структурированный процесс ускоренных испытаний может обеспечить оценку безотказности объекта.
Испытания при ступенчатом изменении нагрузки приобретают популярность как испытания на чувствительность. Целью таких испытаний является получение отказов за короткое время для определения механизмов возможных отказов. Эти испытания дают информацию о запасах прочности конструкции относительно эксплуатационных нагрузок и воздействий окружающей среды. Испытания выполняют на небольшой выборке почти готового объекта или его подсистемы. В некоторых случаях упомянутые испытания называют HALT (форсированные ресурсные испытания), RET (испытания на повышение надежности) и т.п.
По отношению к воздействию нагрузок и среды к конструкции объекта может быть применен принцип малых приращений путем проведения анализа физики процессов, приводящих к отказу, или испытаний, в частности, испытаний со ступенчатым изменением нагрузки. Оба метода обеспечивают определение чувствительности конструкций и идентификацию вероятных режимов отказов, несмотря на то, что все отказы могут быть оценены для реальных условий эксплуатации. Этот анализ и испытания не всегда могут обеспечивать определение оценки безотказности, но могут быть очень полезны для обеспечения повышения надежности объекта.
Испытания при ступенчатом изменении нагрузки проводят, подвергая единицы продукции относительно низким уровням нагрузки и увеличивая затем уровни нагрузки ступенчатым способом до тех пор, пока не произойдет хотя бы одно из следующих событий:
- достигнуты уровни нагрузки, значительно превышающие ожидаемые при эксплуатации;
- все испытанные единицы продукции отказали и не могут быть восстановлены;
- начинают происходить или доминировать нерелевантные отказы объекта, поскольку на более высоких уровнях нагрузки проявляются новые механизмы отказа. Нерелевантные отказы - это отказы, не связанные с конструкцией испытываемого объекта, такие как отказ испытательного оборудования, повреждение органов управления или дефекты при производстве испытываемой единицы продукции.
Испытания при ступенчатом изменении нагрузки не всегда являются источником количественных данных, но они идентифицируют режимы отказов и оценивают пределы возможностей конструкции. Данные таких испытаний могут быть использованы для исключения режимов отказа при оценке безотказности, если испытания показали, что режим отказа больше не соответствует конструкции или если соответствующие границы возможностей конструкции достигнуты.
Для выполнения эффективного анализа чувствительности и составления отчета о его результатах в 9.4.2 приведен перечень рекомендуемых сведений.
9.4.2 Отчет о результатах испытаний и анализа чувствительности
В отчет об оценке безотказности объекта при использовании испытаний и анализа чувствительности рекомендуется включать следующие сведения:
общая информация:
- дата проведения анализа;
- ФИО аналитиков;
- согласования, если это необходимо;
- стадия программы;
- использование результатов;
ссылки:
- документ, содержащий применимый план оценки безотказности;
- документ, устанавливающий процедуры испытаний и анализа чувствительности (альтернативно процедура может быть включена в аналитическую часть отчетного документа);
идентификация исследуемого объекта:
- наименование объекта;
- количество частей нового объекта;
анализ:
- достигнутые режимы отказа;
- идентифицированные параметры эксплуатации и использования объекта;
- методы испытаний и их обоснование;
- результаты испытаний;
- статистический метод преобразования результатов испытаний для использования при определении оценок показателей надежности;
результаты:
- влияние режимов отказов на показатели безотказности объекта;
- средняя изменчивость оценок показателей безотказности.
9.5 Оценка прогнозируемых показателей безотказности по справочным данным
9.5.1 Краткий обзор прогноза по справочным данным
Если не могут быть получены лучшие данные, то может быть использован прогноз по данным справочников. Необходимо помнить, что поскольку справочные данные основаны на данных эксплуатации и испытаний широкой сферы продукции, они представляют собой средние значения по результатам эксплуатации объектов в различных областях применения. Из-за задержки по времени, связанной со сбором, анализом и публикацией, данные часто относятся к устаревшим компонентам. Поэтому следует определить актуальность справочника и определить дату пересмотра прогноза. Кроме того, справочные данные не учитывают область применения и условия работы исследуемого объекта, а также его конструкцию и процесс сборки. Поэтому данные об аналогичных объектах и данные поставщиков о компонентах или модулях всегда являются предпочтительным дополнением справочных данных.
Прогноз по справочным данным выполняют, следуя инструкциям, приведенным в справочниках, выбранных для использования, или в программном обеспечении, используемом для выполнения прогноза.
Ожидается, что для каждого применения будет выбран соответствующий справочник. Пользователи справочника должны обеспечить применимость и учесть срок действия данных.
В [1] приведено руководство по использованию данных об интенсивности отказов для прогнозирования безотказности компонентов электронного оборудования.
Индустриальные ассоциации и компании всех отраслей промышленности имеют собранные и изданные сборники данных, которые полезны для определения оценок надежности и риска.
Точность любого прогноза зависит от качества данных и близости соответствующего им объекта к конструкции исследуемого объекта, его использованию и окружающей среде. Поэтому общие сборники данных должны быть использованы с большой осторожностью и с низким доверием. Лучший источник данных может быть получен от поставщика объекта. Для выполнения эффективного прогноза по справочным данным и составления отчета о результатах рекомендуется использовать сведения, перечисленные в 9.5.2. Более полезно выполнить для исследуемого объекта анализ нагрузки его части, чем сделать анализ на основе справочных данных, поскольку анализ нагрузки части объекта позволяет учесть особенности конструкции и соответствующие условия окружающей среды.
9.5.2 Отчет о результатах прогноза по справочным данным
В отчет об оценке безотказности объекта при использовании метода прогнозирования по справочным данным рекомендуется включать следующие сведения:
общая информация:
- дата проведения анализа;
- ФИО аналитиков;
- согласования, если это необходимо;
- стадия программы;
- использование результатов;
ссылки:
- документ, содержащий применимый план оценки безотказности;
- справочник по прогнозированию надежности;
- документ, устанавливающий процедуру прогнозирования безотказности;
- применимость;
- срок действия;
- изменения по отношению к методу, установленному в справочнике (если применимо); (альтернативно, процедура может быть включена в аналитическую часть отчета);
- методы, используемые для прогнозирования по справочным данным (если это применимо);
идентификация исследуемого объекта:
- наименование нового объекта;
- количество частей нового объекта;
анализ:
- уровень, на котором выполнен прогноз;
- применимые входные данные для метода прогнозирования по справочным данным;
- показатели использования и эксплуатации объекта;
результаты:
- прогнозируемые показатели безотказности (MTTF, интенсивность отказов и т.д.);
- средняя изменчивость оценок показателей безотказности;
- показатели безотказности (если применимо);
- перечень всех предположений, сделанных при прогнозировании (факторы окружающей среды, рабочие циклы, факторы качества и т.д.).
9.6 Ограничения результатов оценки безотказности
Ограничения и неопределенность должны быть определены количественно (если это возможно). Уровень значимости, основанный на (генеральной) совокупности исходных данных, и соответствующие доверительные интервалы должны быть детализированы, чтобы можно было выделить все источники неопределенности и ограничения результатов оценки безотказности. Если ограничения и неопределенности не могут быть определены количественно, они должны быть кратко описаны в достаточных деталях для пользователя, чтобы он мог их понять и соответственно применить.
В тех случаях, когда известна интенсивность отказов (как исходные данные для анализа безопасности системы или модели затрат) следует использовать только количественные данные.
Неопределенность возникает как результат изменчивости производственных процессов, компонент и материалов, например, изменчивости выходов компонент или свойств материалов, что влияет на появление отказов оборудования. Неопределенность также возникает, когда взаимосвязи факторов не полностью известны; например, если не известно фактическое количество часов эксплуатации для определения оценки MTTF и эта оценка может быть определена только по оценкам для частей объекта, то уровень доверия соответствующей оценки в результате снижается.
Если оценка безотказности значимо отличается от показателя, наблюдаемого при эксплуатации аналогичного оборудования в условиях аналогичного применения, то меру неопределенности результатов зафиксируют в процессе валидации, описанном в 11.2. Результат деятельности по валидации может затем быть использован при выборе наиболее подходящего метода оценки при выполнении анализа, в дальнейшем это обеспечивает более полное понимание процесса.
Подписаться на обновления