Анализ риска аварий металлургического предприятия. Определение надёжности

Любой объект техносферы потенциально опасен. Всегда существует возможность происшествия: инцидента, аварии, катастрофы.

Инцидент – событие в результате которого возникает или может возникнуть несчастный случай.

Аварией обычно считается происшествие, в результате которого повреждена техника, без гибели людей.

Крупная авария , повлекшая за собой человеческие жертвы, значительный материальный ущерб, загрязнение среды, считается катастрофой.

Причины происшествия могут быть внутренними (отказы техники, ошибочные действия персонала) и внешними (транспортные аварии при перевозке опасных грузов, противоправные действия, природная среда и др.).

Опасность объекта техносферы – это его свойство, состоящее в возможности в процессе эксплуатации при определенных обстоятельствах причинять ущерб человеку, организации, окружающей природной среде .

Экономический ущерб , который может быть причинен объектом, называется потенциалом угрозы . Верхний предел потенциала угрозы обозначается как потенциал опасности технического объекта.

По потенциалу опасности промышленные объекты делятся на неопасные и опасные. Ущерб от потенциально опасных объектов наступает в случае аварий. В РФ опасные объекты подлежат регистрации в государственном реестре, обязаны заниматься декларированием безопасности и страхованием ответственности за ущерб третьим лицам.

Согласно федеральному закону «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» от 21.07.97 № 116-ФЗ различают 5 групп объектов по виду опасности :

1) опасные вещества (воспламеняющиеся, окисляющиеся, горючие, взрывчатые, токсичные);

2) давление (более 0,07 МПа), температура нагрева воды (более115°);

3) высота (грузоподъемные машины, эскалаторы, фуникулеры, канатные дороги);

4) расплавы черных и цветных металлов;

5) подземные условия (горные работы).

По природе образующихся в результате аварии опасных факторов выделяют 6 групп потенциально-опасных объектов:

1) ядерно и радиационно опасные;

2) химически опасные;

3) пожаровзрывоопасные;

4) биологически опасные;

5) гидродинамически опасные;

6) объекты жизнеобеспечения.

Различают следующие виды опасных техногенных явлений: транспортные аварии, пожары, взрывы, химические аварии, радиационные аварии, гидродинамические аварии, разрушения зданий.

Оценка риска аварии – процесс, используемый для определения вероятности (или частоты) и степени тяжести последствий реализации опасностей аварий для здоровья человека, имущества и (или) окружающей природной среды.

Оценка риска включает анализ вероятности (или частоты), анализ последствий и их сочетания.

Риск аварии – мера опасности, характеризующая возможность возникновения аварии на опасном производственном объекте и тяжесть ее последствий.

Основными количественными показателями риска аварии являются:

· технический риск – вероятность отказа технических устройств с последствиями определенного уровня (класса) за определенный период функционирования опасного производственного объекта (определяют методами теории надежности);

· индивидуальный риск – частота поражения отдельного человека в результате воздействия исследуемых факторов опасности аварий. Рекомендуется оценивать индивидуальный риск отдельно для персонала объекта и для населения прилегающей территории или, при необходимости, для более узких групп, например, для рабочих различных специальностей;

· потенциальный территориальный риск (или потенциальный риск) – частота реализации поражающих факторов аварии в рассматриваемой точке территории;

· коллективный риск – ожидаемое количество пораженных в результате возможных аварий за определенное время;

· социальный риск , или F/N-кривая (в зарубежных работах – кривая Фармера), – зависимость частоты возникновения событий (F), в которых пострадало на определенном уровне не менее N человек, от этого числа N. Характеризует тяжесть последствий (катастрофичность) реализации опасностей. Под N можно понимать и общее число пострадавших, и число смертельно травмированных или другой показатель тяжести последствий. Критерий приемлемого риска будет определяться не числом для отдельного события, а кривой, построенной для различных сценариев аварии с учетом их вероятности. В настоящее время общераспространенным подходом для определения приемлемости риска является использование двух кривых, когда, например, в логарифмических координатах определены F/N-кривые приемлемого и неприемлемого риска смертельного травмирования. Область между этими кривыми определяет промежуточную степень риска, вопрос о снижении которой следует решать, исходя из специфики производства и региональных условий;

· ущерб от аварии – потери (убытки) в производственной и непроизводственной сфере жизнедеятельности человека, вред окружающей природной среде, нанесенные в результате аварии на опасном производственном объекте и исчисляемые в денежном эквиваленте».

Систематизация видов отказа осуществляется по признакам существенным для технического обслуживания, ремонта и диагностирования (таблица 1.2).

Таблица 1.2

Систематизация видов отказа

Классификационные признаки	Виды отказа
Причина отказа	Конструктивный; производственный; эксплуатационный; деградационный
Критерий отказа	Функциональный; параметрический
Возможность обнаруживать отказ	Явный; скрытый
Возможность самоустранения отказа	Сбой; перемежающийся
Число отказавших составных частей объекта	Одиночный; кратный
Обусловленность отказа другими отказами	Независимый; зависимый
Характер изменения параметра	Постепенный; внезапный
Последствия отказа	Ресурсный; критический; некритиче-ский

Отказ относится к конструктивным, производственным (технологическим) или эксплуатационным для установления, на какой стадии создания или существования изделия следует провести мероприятия для устранения причин отказа.

Причиной конструктивного отказа является несовершенство или нарушение установленных правил и (или) норм проектирования и конструирования.

Производственный отказ возникает в результате несовершенства или нарушения установленного процесса изготовления или ремонта изделия, выполнявшегося на ремонтном предприятии.

Возникновение эксплуатационного отказа является результатом нарушения установленных правил и (или) условий эксплуатации изделия.

Деградационный отказ обусловливается естественными процессами старения, изнашивания, коррозии и усталости при соблюдении всех установленных правил и (или) норм проектирования, изготовления и эксплуатации.

Отказ проявляется признаком или совокупностью признаков нарушения работоспособного состояния, которые устанавливаются в технической документации и называются критерием отказа.

Функциональный отказ проявляется прекращением выполнения изделием заданных функций (невыполнением алгоритма функционирования), ошибками при обработке, хранении и передаче информации цифровым устройством.

Разновидностями функционального отказа являются короткое замыкание электротехнического или электронного изделия, логический отказ цифрового устройства.

Коротким замыканием называется недопустимое возрастание токов в ветвях электрической цепи, вызванное соединением различных точек цепи, не предусмотренным нормальным режимом работы.

Логический отказ проявляется недопустимой комбинацией уровней цифрового двузначного сигнала. При логическом константном отказе уровень цифрового двузначного сигнала всегда имеет значение логического нуля (константа 0) или значение логической единицы (константа 1).

Параметрический отказ проявляется недопустимым снижением качества функционирования (производительности, мощности, точности, чувствительности и других параметров).

Явный отказ и скрытый отказ соответственно обнаруживаются и не обнаруживаются визуально или штатными методами и средствами контроля технического состояния при подготовке изделия к применению или в процессе его применения по назначению.

Скрытый отказ выявляется при проведении технического обслуживания или специальными методами диагностирования.

Самоустраняющийся отказ или однократный отказ, устраняемый незначительным вмешательством человека, называется сбоем. Многократно возникающий самоустраняющийся отказ одного и того же характера называется перемежающимся.

Характерным примером сбоя является остановка выполнения программы компьютером, устраняемая перезагрузкой программы.

Понятия “одиночный отказ”, “кратный отказ”, “независимый отказ”, “зависимый отказ” обычно относятся к составным частям изделия.

Отказ одной составной части и нескольких составных частей изделия называются одиночным и кратным отказом изделия соответственно.

Независимый отказ составной части не обусловливается, а зависимый отказ составной части обусловливается отказом другой составной части изделия.

Возникновение зависимого отказа означает, что в изделии отказали по меньшей мере две составные части и отказ является кратным.

Примером зависимого отказ является отказ вторичного источника электропитания, не защищенного от перегрузки, при коротком замыкании.

Постепенный отказ возникает в результате постепенного изменения значений одного или нескольких параметров изделия. Непрерывное и монотонное изменение измеряемого параметра, характеризующего способность изделия выполнять заданные функции, позволяет предсказывать наступление отказа.

Внезапный отказ проявляется скачкообразным изменением значений одного или нескольких параметров изделия. Наступление внезапного отказа не может быть предсказано измерением параметров, значения которых изменяются только в момент наступления отказа.

Возникновение отказа приводит к явлениям, процессам, событиям и состояниям, называемым последствиями отказа. Совокупность признаков, характеризующих последствия отказа, называется критичностью отказа.

Классификация отказов по последствиям необходима при нормировании надежности (в частности, для обоснования выбора номенклатуры и численных значений нормируемых показателей надежности), установлении гарантийных обязательств.

Для классификации отказов по последствиям необходим анализ критериев, причин и последствий отказов, а также построение логической и функциональной связи между отказами.

Признаками для классификации отказов по их последствиям могут служить, например, прямые и косвенные потери, вызванные отказами, затраты на устранение последствий отказов, возможность и целесообразность ремонта силами потребителя или необходимость ремонта изготовителем или третьей стороной, продолжительность простоев из-за возникновения отказов.

Последствием ресурсного отказа является достижение изделием предельного состояния.

Отказ относится к критическим, если тяжесть его последствий (ущерба от отказа) признается недопустимой и требуется принятие специальных мер по снижению вероятности данного отказа и (или) возможного ущерба, связанного с его возникновением.

Несоответствие изделия установленным требованиям при контроле качества на стадии изготовления, а также при контроле качества отремонтированного изделия называется дефектом.

Изделие, не содержащее дефектов, препятствующих его приемке, называется годным и является исправным. Неисправное изделие может иметь дефекты.

Термин “неисправность”, в отличие от термина “дефект”, распространяется не на всякое изделие. Например, не называют неисправностью недопустимые отклонения показателей качества материалов.

Отказ может возникнуть в результате наличия в изделии дефектов, но появление дефектов не всегда означает, что возник отказ.

Вначале рассмотрим методы идентификации опасностей, а затем детальный анализ и минимизирование идентифицирован­ной опасности с помощью логических методов, дерева событий, сетевых графиков и т.д.

Первый этап любого метода анализа безопасности системы ЧМС - идентификация всех опасностей. Учитывая большое число опасных факторов, процесс идентификации опасностей целесо­образно алгоритмизировать для выявления всех факторов опасно­сти и их дальнейшей оценки, исключая из рассмотрения практи­чески незначимые.

При анализе систему расчленяют на подсистемы и компоненты, которые затем исследуют шаг за шагом для выяснения способа, ведущего к отказу и к его возмож­ному эффекту. Следует оговориться, что под отказом системы в данном случае понимается любая неисправность, случай травма­тизма, аварийная или опасная ситуация и т.д.

При определении важности каждого возникающего отказа для существования системы необходимо установить вероятность и зна­чимость этого отказа. Таким образом когда оборудование или элемент выходит из строя, эффект, возникающий при этом, и устанавливает вероятность этого отказа; в основном данный метод является качественным методом ана­лиза и имеет дело с качественными признаками, по которым и проводится анализ, однако возможно использование количествен­ных данных для установки уровня надежности или уровня без­опасности системы или подсистемы.

Качественный и количественные методы анализа безопасности технических систем

Качественный анализ безопасности системы, как правило, пред­шествующий количественному, дает возможность быстро оценить безопасность системы ЧМС. Качественные методы анализа допус­кают использование полуколичественных оценок (больше, мень­ше), определенное ранжирование, например, по частоте встреча­ющихся событий (никогда, редко, часто) или по категориям ущер­ба от аварий

При качественном анализе, используя специальные формы, технические стандарты и утвержденные нормы безопасности, раз­рабатывают организационные мероприятия и необходимые инст­рукции.

Количественные методы анализа безопасности системы еще не­достаточно хорошо отработаны для практического использования и, как правило, высокоэффективны лишь при определении срав­нительных опасностей системы ЧМС. Это связано с необходимо­стью получения точных оценок состояния системы ЧМС, что не всегда возможно. Однако количественные методы позволяют оце­нивать безопасность системы ЧМС по характеристикам ее компонентов, допускают применение последовательных приближений и дают достаточно хорошие результаты в условиях неопределен­ности, особенно при использовании методов современных мате­матических дисциплин. Применение количественных методов анализа безопасно­сти системы требует в первую очередь выбора группы критериев или отдельного критерия, определенного как мера для сравнения количественных показателей исследуемой операции в отношении затрачиваемых усилий и получаемых результатов.

Средства снижение травмоопасности и вредного воздействия технических систем

Технологическое оборудование различные технические системы могут создавать для работников различные виды опасностей:

Опасными могут быть:

Вращающиеся, качающиеся различные движущиеся механизмы

Электрический ток,

которые при несоблюдении правил работы (безопасности) могут причинить негативное воздействие различной степени тяжести (проколы пальцев иглой, порез острым ножом при раскрое и т.д.). Для снижения негативного воздействия различных технических систем и оборудования применяется следующие типы защитных устройств на оборудовании:

1. Ограждение – создание препятствия против проникновения частей человеческого тела в опасную зону.

Ограждения бывают:

Глухими- закрывающие большую часть машины (т. е. корпус швейной машины представляет собой ограждение),

Откидными,

Раздвижными,

Открывающимися, в виде дверей, которые необходимы для технического обслуживания, либо проведения ремонта оборудования.

Основные требования к ограждениям:

Должны быть эффективны по защите работника от опасных воздействий,

Легко сниматься и надежно крепиться (с помощью ключа, защелки),

Соответствовать требованиям эстетики,

Допускать смазку и мелкий ремонт без снятия ограждения,

Не создавать шума или вибрации.

2.Блокировка позволяет отключить оборудование при возникновении опасности. Например, при открывании ограждения, блокировочные устройства отключают питание от сети (электрическая блокировка). Кроме того, используются: механическая, световая оптическая блокировки.

3.Ограничители: значений температуры; давления, тока, механические ограничители.

4.Предохранители (например, электропредохранители, механические –шпонка, штифт).

5. Сигнализация – сигнализируют об опасности систем.

6. Тормозные устройства – замедляют или приводят к остановке опасных органов оборудования или машин.

Безопасность функционирования автоматизированных и роботизированных производств

По мере ускорения темпов развития научно-технического прогресса, усложнения технологических процессов и технических средств проблемы обеспечения безопасности производственных процессов ста­новятся все более актуальными и труднореализуемыми на практике. Эти проблемы сегодня относятся к числу наиболее серьезных комплексных проблем современности. Убедительным доказательством этого служат многочисленные факты производственного травматизма на зарубежных предприятиях, широко использующих робототехнику. Так, в результате обследования роботизированных участков на шести английских фирмах, проведенного Научным центром роботизации и автоматизированных систем (Великобритания), было установлено, что 23,4% опасных и кри­тических ситуаций возникают в результате ненадежной работы отдель­ных узлоз и систем робота. Анализ ситуаций, формирующих несчастные случаи на роботизированных предприятиях Германии, показывает, что персонал, обслуживающий ПР, попадает в опасные или критические си­туации не реже одного раза з три дня, а одному несчастному ату чаю предшествуют з среднем от 40 до 50 таких ситуаций.

Основными видами травм являются травмы пальцев (33%), рук (19%), головы (16%), спины (11%), плеч (6%), ног (6%), шеи (3%), челюстные (3%), перелом ребер (3%). Наибольшую опасность представляют травмы головы. которые, как правило, требуют более длительного лечения.

Установлено, что наиболее травмоопасной ситуацией является пря­мой контакт человек-машина, когда человек выполняет такие операции, как перепрограммирование, наладку, ремонт, установку, снятие инстру­мента, монтаж, смазку или чистку. Наибольшему риску быть травмиро­ванными с этой точки зрения подвергаются следующие профессии, тре­бующие прямого контакта с роботом: слесари-монтажники, сборщики, электротехники, наладчики, бригадиры.

Операторы, обслуживающие робототехнические комплексы, значи­тельно реже подвергаются риску быть травмирозанными по сравнению с этими видами профессий.

Основными причинами, формирующими опасные, критические и аварийные ситуации при эксплуатации ПР, РТК, ГПС, по ГОСТ 12.2.072-82* «ССБТ. Роботы промышленные, роботизированные техно­логические комплексы и участки. Общие требования безопасности» яв­ляются.

1.1 Вероятность безотказной работы

Вероятностью безотказной работы называется вероятность того, что при определенных условиях эксплуатации, в пределах заданной наработки не произойдет ни одного отказа.
Вероятность безотказной работы обозначается как P (l ) , которая определяется по формуле (1.1):

где N 0 - число элементов в начале испытания; r (l ) - число отказов элементов к моменту наработки. Следует отметить, что чем больше величина N 0 , тем с большей точностью можно рассчитать вероятность P (l).
В начале эксплуатации исправного локомотива P (0) = 1, так как при пробеге l = 0 вероятность того, что ни один элемент не откажет, принимает максимальное значение - 1. С ростом пробега l вероятность P (l ) будет уменьшаться. В процессе приближения срока эксплуатации к бесконечно большой величине вероятность безотказной работы будет стремиться к нулю P (l →∞) = 0. Таким образом в процессе наработки величина вероятности безотказной работы изменяется в пределах от 1 до 0. Характер изменения вероятности безотказной работы в функции пробега показан на рис. 1.1.

Рис.2.1. График изменения вероятности безотказной работы P(l) в зависимости от наработки

Основными достоинствами использования данного показателя при расчетах является два фактора: во-первых, вероятность безотказной работы охватывает все факторы, влияющие на надежность элементов, позволяя достаточно просто судить о его надежности, т.к. чем больше величина P (l ), тем выше надежность; во-вторых, вероятность безотказной работы может быть использована в расчетах надежности сложных систем, состоящих из более чем одного элемента.

1.2 Вероятность отказа

Вероятностью отказа называют вероятность того, что при определенных условиях эксплуатации, в предела х заданной наработки произойдет хотя бы один отказ.
Вероятность отказа обозначается как Q (l ), которая определяется по формуле (1.2):

В начале эксплуатации исправного локомотива Q (0) = 0, так как при пробеге l = 0 вероятность того, что хотя бы один элемент откажет, принимает минимальное значение - 0. С ростом пробега l вероятность отказа Q (l ) будет увеличиваться. В процессе приближения срока эксплуатации к бесконечно большой величине вероятность отказа будет стремиться к единице Q (l →∞ ) = 1. Таким образом в процессе наработки величина вероятности отказа изменяется в пределах от 0 до 1. Характер изменения вероятности отказа в функции пробега показан на рис. 1.2. Вероятность безотказной работы и вероятность отказа являются событиями противоположными и несовместимыми.

Рис.2.2. График изменения вероятности отказа Q(l) в зависимости от наработки

1.3 Частота отказов

Частота отказов - это отношение числа элементов в единицу времени или пробега отнесенного к первоначальному числу испытуемых элементов. Другими словами частота отказов является показателем, характеризующим скорость изменения вероятности отказов и вероятности безотказной работы по мере роста длительности работы.
Частота отказов обозначается как и определяется по формуле (1.3):

где - количество отказавших элементов за промежуток пробега .
Данный показатель позволяет судить по его величине о числе элементов, которые откажут на каком-то промежутке времени или пробега, также по его величине можно рассчитать количество требуемых запасных частей.
Характер изменения частоты отказов в функции пробега показан на рис. 1.3.

Рис. 1.3. График изменения частоты отказов в зависимости от наработки

1.4 Интенсивность отказов

Интенсивность отказов представляет собой условную плотность возникновения отказа объекта, определяемую для рассматриваемого момента времени или наработки при условии, что до этого момента отказ не возник. Иначе интенсивность отказов - это отношение числа отказавших элементов в единицу времени или пробега к числу исправно работающих элементов в данный отрезок времени.
Интенсивность отказов обозначается как и определяется по формуле (1.4):

где

Как правило, интенсивность отказов является неубывающей функцией времени. Интенсивность отказов обычно применяется для оценки склонности к отказам в различные моменты работы объектов.
На рис. 1.4. представлен теоретический характер изменения интенсивности отказов в функции пробега.

Рис. 1.4. График изменения интенсивности отказов в зависимости от наработки

На графике изменения интенсивности отказов, изображенном на рис. 1.4. можно выделить три основных этапа отражающих процесс экс-плуатации элемента или объекта в целом.
Первый этап, который также называется этапом приработки, характеризуется увеличением интенсивности отказов в начальный период эксплуатации. Причиной роста интенсивности отказов на данном этапе являются скрытые дефекты производственного характера.
Второй этап, или период нормальной работы, характеризуется стремлением интенсивности отказов к постоянному значению. В течение этого периода могут возникать случайные отказы, в связи с появлением внезапной концентрации нагрузки, превышающей предел прочности элемента.
Третий этап, так называемый период форсированного старения. Характеризуется возникновением износовых отказов. Дальнейшая эксплуатация элемента без его замены становится экономически не рациональной.

1.5 Средняя наработка до отказа

Средняя наработка до отказа - это средний пробег безотказной работы элемента до отказа.
Средняя наработка до отказа обозначается как L 1 и определяется по формуле (1.5):

где l i - наработка до отказа элемента; r i - число отказов.
Средняя наработка до отказа может быть использована для предварительного определения сроков ремонта или замены элемента.

1.6 Среднее значение параметра потока отказов

Среднее значение параметра потока отказов характеризует среднюю плотность вероятности возникновения отказа объекта, определяемая для рассматриваемого момента времени.
Среднее значение параметра потока отказов обозначается как W ср и определяется по формуле (1.6):

1.7 Пример расчета показателей безотказности

Исходные данные.
В течение пробега от 0 до 600 тыс. км., в локомотивном депо произведен сбор информации по отказам ТЭД. При этом количество исправных ТЭД в начале периода эксплуатации составляло N0 = 180 шт. Суммарное количество отказавших ТЭД за анализируемый период составило ∑r(600000) = 60. Интервал пробега принять равным 100 тыс. км. При этом количество отказавших ТЭД по каждому участку составило: 2, 12, 16, 10, 14, 6.

Требуется.
Необходимо рассчитать показатели безотказности и построить их зависимости изменения во времени.

Сначала необходимо заполнить таблицу исходных данных так, как это показано в табл. 1.1.

Таблица 1.1.

Исходные данные к расчету

, тыс. км	0 - 100	100 - 200	200 - 300	300 - 400	400 - 500	500 - 600
	2	12	16	10	14	6
	2	14	30	40	54	60

Первоначально по уравнению (1.1) определим для каждого участка пробега величину вероятности безотказной работы. Так, для участка от 0 до 100 и от 100 до 200 тыс. км. пробега вероятность безотказной работы составит:

Произведем расчет частоты отказов по уравнению (1.3).

Тогда интенсивность отказов на участке 0-100 тыс.км. будет равна:

Аналогичным образом определим величину интенсивности отказов для интервала 100-200 тыс. км.

По уравнениям (1.5 и 1.6) определим среднюю наработку до отказа и среднее значение параметра потока отказов.

Систематизируем полученные результаты расчета и представим их в виде таблицы (табл. 1.2.).

Таблица 1.2.

Результаты расчета показателей безотказности

, тыс.км.	0 - 100	100 - 200	200 - 300	300 - 400	400 - 500	500 - 600
	2	12	16	10	14	6
	2	14	30	40	54	60
P(l)	0,989	0,922	0,833	0,778	0,7	0,667
Q(l)	0,011	0,078	0,167	0,222	0,3	0,333
10 -7 , 1/км	1,111	6,667	8,889	5,556	7,778	3,333
10 -7 , 1/км	1,117	6,977	10,127	6,897	10,526	4,878

Приведем характер изменения вероятности безотказной работы ТЭД в зависимости от пробега (рис. 1.5.). Необходимо отметить, что первой точкой на графике, т.е. при пробеге равном 0, величина вероятности безотказной работы примет максимальное значение - 1.

Рис. 1.5. График изменения вероятности безотказной работы в зависимости от наработки

Приведем характер изменения вероятности отказа ТЭД в зависимости от пробега (рис. 1.6.). Необходимо отметить, что первой точкой на графике, т.е. при пробеге равном 0, величина вероятности отказа примет минимальное значение - 0.

Рис. 1.6. График изменения вероятности отказа в зависимости от наработки

Приведем характер изменения частоты отказов ТЭД в зависимости от пробега (рис. 1.7.).

Рис. 1.7. График изменения частоты отказов в зависимости от наработки

На рис. 1.8. представлена зависимость изменения интенсивности отказов от наработки.

Рис. 1.8. График изменения интенсивности отказов в зависимости от наработки

2.1 Экспоненциальный закон распределения случайных величин

Экспоненциальный закон достаточно точно описывает надежность узлов при внезапных отказах, имеющих случайный характер. Попытки применить его для других типов и случаев отказов, особенно постепенных, вызванных износом и изменением физико-химических свойств элементов показали его недостаточную приемлемость.

Исходные данные.
В результате испытания десяти топливных насосов высокого давления получены наработки их до отказа: 400, 440, 500, 600, 670, 700, 800, 1200, 1600, 1800 ч. Предполагая, что наработка до отказа топливных насосов подчиняется экспоненциальному закону распределения.

Требуется.
Оценить величину интенсивности отказов, а также рассчитать вероятность безотказной работы за первые 500 ч. и вероятность отказа в промежутке времени между 800 и 900 ч. работы дизеля.

Во-первых, определим величину средней наработки топливных насосов до отказа по уравнению:

Затем рассчитываем величину интенсивности отказов:

Величина вероятности безотказной работы топливных насосов при наработке 500 ч составит:

Вероятность отказа в промежутке между 800 и 900 ч. работы насосов составит:

2.2 Закон распределения Вэйбулла-Гнеденко

Закон распределения Вейбулла-Гнеденко получил широкое распространение и используется применительно к системам, состоящим из рядов элементов, соединенных последовательно с точки зрения обеспечения безотказности системы. Например, системы, обслуживающие дизель-генераторную установку: смазки, охлаждения, питания топливом, воздухом и т.д.

Исходные данные.
Время простоя тепловозов в неплановых ремонтах по вине вспомогательного оборудования подчиняется закону распределения Вейбулла-Гнеденко с параметрами b=2 и a=46.

Требуется.
Необходимо определить вероятность выхода тепловозов из неплановых ремонтов после 24 ч. простоя и время простоя, в течение которого работоспособность будет восстановлена с вероятностью 0,95.

Найдем вероятность восстановления работоспособности локомотива после простоя его в депо в течение суток по уравнению:

Для определения времени восстановления работоспособности локомотива с заданной величиной доверительной вероятности также используем выражение:

2.3 Закон распределения Рэлея

Закон распределения Рэлея используется в основном для анализа работы элементов, имеющих ярко выраженный эффект старения (элементы электрооборудования, различного рода уплотнения, шайбы, прокладки, изготовленные из резиновых или синтетических материалов).

Исходные данные.
Известно, что наработки контакторов до отказа по параметрам старения изоляции катушек можно описать функцией распределения Рэлея с параметром S = 260 тыс.км.

Требуется.
Для величины наработки 120 тыс.км. необходимо определить вероятность безотказной работы, интенсивность отказов и среднюю наработку до первого отказа катушки электромагнитного контактора.

3.1 Основное соединение элементов

Система, состоящая из нескольких независимых элементов, связанных функционально таким образом, что отказ любого из них вызывает отказ системы, отображается расчетной структурной схемой безотказной работы с последовательно соединенными событиями безотказной работы элементов.

Исходные данные.
Нерезервированная система состоит из 5 элементов. Интенсивности их отказов соответственно равны 0,00007; 0,00005; 0,00004; 0,00006; 0,00004 ч-1

Требуется.
Необходимо определить показатели надежности системы: интенсивность отказов, среднее время наработки до отказа, вероятность безотказной работы, частота отказов. Показатели надежности P(l) и a(l) получить в интервале от 0 до 1000 часов с шагом в 100 часов.

Вычислим интенсивность отказа и среднюю наработку до отказа по следующим уравнениям:

Значения вероятности безотказной работы и частоты отказов получим, используя уравнения приведенные к виду:

Результаты расчета P(l) и a(l) на интервале от 0 до 1000 часов работы представим в виде табл. 3.1.

Таблица 3.1.

Результаты расчета вероятности безотказной работы и частоты отказов системы на интервале времени от 0 до 1000 ч.

l , час	P(l)	a(l) , час -1
0	1	0,00026
100	0,974355	0,000253
200	0,949329	0,000247
300	0,924964	0,00024
400	0,901225	0,000234
500	0,878095	0,000228
600	0,855559	0,000222
700	0,833601	0,000217
800	0,812207	0,000211
900	0,791362	0,000206
1000	0,771052	0,0002

Графическая иллюстрация P(l) и a(l) на участке до средней наработки до отказа представлена на рис. 3.1, 3.2.

Рис. 3.1. Вероятность безотказной работы системы.

Рис. 3.2. Частота отказов системы.

3.2 Резервное соединение элементов

Исходные данные.
На рис. 3.3 и 3.4 показаны две структурные схемы соединения элементов: общего (рис. 3.3) и поэлементного резервирования (рис. 3.4). Вероятности безотказной работы элементов соответственно равны P1(l) = P ’1(l) = 0,95; P2(l) = P’2(l) = 0,9; P3(l) = P ’3(l) = 0,85.

Рис. 3.3. Схема системы с общим резервированием.

Рис. 3.4. Схема системы с поэлементным резервированием.

Вероятность безотказной работы блока из трех элементов без резервирования рассчитаем по выражению:

Вероятность безотказной работы той же системы при общем резервировании (рис. 3.3) составит:

Вероятности безотказной работы каждого из трех блоков при поэлементном резервировании (рис. 3.4) будут равны:

Вероятность безотказной работы системы при поэлементном резервировании составит:

Таким образом, поэлементное резервирование дает более существенное увеличение надежности (вероятность безотказной работы возросла с 0,925 до 0,965, т.е. на 4%).

Исходные данные.
На рис. 3.5 представлена система с комбинированным соединением элементов. При этом вероятности безотказной работы элементов имеют следующие значения: P1=0,8; Р2=0,9; Р3=0,95; Р4=0,97.

Требуется.
Необходимо определить надежность системы. Также необходимо определить надежность этой же системы при условии, что резервные элементы отсутствуют.

Рис.3.5. Схема системы при комбинированном функционировании элементов.

Для расчета в исходной системе необходимо выделить основные блоки. В представленной системе их три (рис. 3.6). Далее рассчитаем надежность каждого блока в отдельности, а затем найдем надежность всей системы.

Рис. 3.6. Сблокированная схема.

Надежность системы без резервирования составит:

Таким образом, система без резервирования является на 28% менее надежной, чем система с резервированием.

Объектом анализа опасностей является система «человек – машина – окружающая среда» (ЧМС).

Нештатное взаимодействие объектов, входящих в систему ЧМС, может выражаться в виде ЧП.

ЧП – нежелательное, незапланированное, непреднамеренное событие в системе ЧМС, нарушающее обычный ход вещей и происходящее в относительно короткий отрезок времени.

Н.с. – ЧП, заключающееся в повреждении организма человека.

Отказ – ЧП, заключающееся в нарушении работоспособности компонента системы.

Инцидент – вид отказа, связанный с неправильными действиями или повреждением человека.

Анализ опасностей делает предсказуемыми перечисленные выше ЧП и следовательно, их можно предотвратить соответствующими мерами.

Анализ опасностей – это прежде всего поиск ответов на следующие вопросы:

Какие объекты являются опасными?

Какие ЧП можно предотвратить?

Какие ЧП нельзя устранить полностью и как часто они будут иметь место?

Какие повреждения неустранимые ЧП могут нанести людям, материальным объектам, окружающей среде?

Анализ опасностей описывает опасности качественно и количественно и заканчивается планированием предупредительных мероприятий.

Существует техника вычисления вероятностей отказа, которая базируется на здании алгебры логики и событий, теории вероятностей, статистическом анализе.

ЛЕКЦИЯ 5. ТЕХНОГЕННЫЕ ОПАСНОСТИ И ЗАЩИТА ОТ НИХ

ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ САНИТАРИЯ

Производственная санитария - система организационных, гигиенических и санитарно-технических мероприятий и средств, предотвращающих воздействие на работающих вредных производственных факторов.

Воздух рабочей зоны

Под рабочей зоной производственных помещений понимается зона высотой 2 м над уровнем пола или площадки постоянного или временного пребывания работающих.

Воздух представляет собой физическую смесь различных газов, образующих атмосферу Земли. Чистый воздух – это смесь газов, содержащая 78,09 % - азота, 20,95 % - кислорода, 0,93 % - аргона, 0,03 % - диоксида углерода.

Для эффективной трудовой деятельности необходимо обеспечение требуемой чистоты воздуха и нормальных метеорологических условий (микроклимата) производственных помещений. В результате производственной деятельности в воздушную среду могут поступать различные вредные вещества .

Вредным называется вещество , которое при контакте с организмом человека в случае нарушения требований безопасности может вызвать производственные травмы, профессиональные заболевания или отклонения в состоянии здоровья, обнаруживаемые современными методами как в процессе работы, так и в последующие сроки жизни настоящего и будущего поколений .

Вредные вещества могут проникать в организм человека через органы дыхания, желудочно-кишечный тракт, кожные покровы, слизистые оболочки и вызывать отравления.

Отравления в производственных условиях могут быть острыми (возникают быстро при наличии относительно высоких концентраций вредных веществ, в основном в аварийных ситуациях) и хроническими (развиваются медленно в результате накопления в организме токсических веществ).

По степени воздействия на организм человека все вредные вещества подразделяются на четыре класса (табл. 1).

Таблица 1. Классификация вредных веществ по степени опасности

По характеру воздействия на организм человека вредные вещества подразделяются на:

- общетоксические – вступают во взаимодействие с организмом человека, вызывая различные отклонения в состоянии здоровья (ароматические углеводороды – бензол, толуол, ксилол и др.);

- раздражающие – вызывают воспалительную реакцию (кислоты, щелочи, хлор, аммиак, оксиды азота и др.);

- канцерогенные – вызывают образование злокачественных опухолей (полициклические ароматические углеводороды, входящие в состав сырой нефти и образующиеся при термической обработке горючих ископаемых – угля, древесины, нефти - и неполном их сгорании, а также пыль асбеста);

- сенсибилизирующие – после непродолжительного действия на организм вызывают повышенную чувствительность к этому веществу (соединения ртути, платина, формальдегид);

- мутагенные – воздействуют на генетический аппарат клетки (соединения свинца, ртути, органические перекиси, формальдегид и др.).

С целью устранения негативного влияния вредных веществ на организм человека установлены предельно-допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны производственных помещений. Предельно-допустимой называется такая концентрация , которая, воздействуя на человека в течение всего рабочего стажа при ежедневной 8 -часовой работе, не вызывает заболевания или отклонения здоровья от нормального ни в данное, ни в последующее время жизни работающего и его потомства . Содержание вредных веществ в воздухе рабочей зоны производственных помещений в виде газов, паров и пыли не должны превышать ПДК, установленных ГОСТом 12.1.005–88.

В качестве примера приведем: предельно-допустимые концентрации некоторых вредных веществ в воздухе рабочей зоны.

Таблица 2. Выписка из ГОСТа 12.1.005-88

Пыли могут оказывать на человека фиброгенное (нарушают нормальной строение и функции органа), раздражающее и токсичное действия.

При одновременном присутствии в воздухе рабочей зоны нескольких вредных веществ , обладающих однонаправленным действием , сумма отношений их концентраций не должна превышать единицы

где С 1 , С 2 ,…, С n – концентрациивредных веществ в воздухе рабочей зоны;

ПДК 1 , ПДК 2 ,…, ПДК n – предельно-допустимые концентрации данных веществ в воздухе.

К вредным веществам однонаправленного действия, относятся вредные вещества, близкие по химическому строению и характеру действия на организм (спирты, щелочи, кислоты, оксид углерода и амины, оксид углерода и нитросоединения).

Первые ПДК для 40 токсичных веществ были утверждены в нашей стране еще в 1939 году. По ныне действующим нормативам их около 800.

По мере загрязнения окружающей среды и ухудшения состояния здоровья человека ПДК многих веществ со временем пересматриваются и снижаются. Например, ПДК бензола в несколько этапов была снижена с 200 до 5 мг/м 3 .

Количество поступающих в рабочую зону вредных веществ необходимо контролировать. Частота контроля зависит от класса опасности вещества и определена ГОСТом.

Защита от вредных веществ осуществляется следующими способами:

Разработкой прогрессивных технологий (надежной герметизацией, заменой токсичных веществ нетоксичными, механизацией и автоматизацией технологических процессов, дистанционным управлением и т.д.);

Вентиляцией;

Использованием индивидуальных средств защиты (когда общетехнические средства недостаточно эффективны).

При работе с вредными веществами пользуются спецодеждой : комбинезонами, халатами, фартуками и т.д., для защиты от щелочей и кислот – резиновыми обувью и перчатками. Для защиты кожи рук, лица, шеи применяют защитные пасты: антитоксичные, маслостойкие, водостойкие. Глаза от возможных ожогов и раздражений защищают очками с герметичной оправой, масками, шлемами. Органы дыхания защищают фильтрующими и изолирующими приборами. Фильтрующие приборы – это промышленные противогазы и респираторы, состоящие из полумаски и фильтров, очищающих вдыхаемый воздух от пыли или газов. Изолирующие дыхательные приборы – это шланговые или кислородные противогазы, применяющиеся в случаях высоких концентраций вредных веществ.