Основные понятия теории технических систем

Безопасность труда при грузовых и ремонтных работах.

Безопасность при выполнении общесудовых работ.

Технической системой называют множество элементов, которые находятся в определенных связях друг с другом и образуют целостность, единство.

Каждая техническая система обладает структурой. Э лементом технической системы является предельная единица ее расчленения, позволяющая решить конкретную задачу, которая возникает в процессе функционирования этой системы. Расчленить техническую систему на элементы можно различными способами в зависимости от цели ее функционирования.

Система может быть расчленена на иерархически связанные элементы, вступающие друг с другом во взаимодействие и выполняющие определенные функции при достижении системой заданных целей. В зависимости от степени влияния на функциональные характеристики системы ее элементы образуют первый, второй, третий и т. д. иерархические уровни.

В понятии связи между элементами технической системы отражено возникновение и сохранение структуры и свойств системы. Это понятие одновременно характеризует и структуру, и особенности функционирования системы.

Под с остоянием технической системы понимают совокупность важных свойств, которыми система обладает в определенный момент времени.

Если техническая система способна переходить из одного состояния в другое, то говорят, что она обладает поведением.

Под внешней средой понимают множество элементов, которые не входят в техническую систему, но изменение состояния которых влияет на ее поведение.

Понятие технической системы может применяться к отдельным узлам и механизмам (гироскоп, двигатель, система подачи топлива к двигателю), к машинам (станок, трактор, самолет, ракета), к системам машин (производственный участок, цех, машиностроительный завод, ремонтные станции машин).

Техническая система в целом и ее отдельные элементы характеризуются набором параметров, отражающих их состояние.

Параметры, от которых зависит выполнение технической системой функций в соответствии с ее служебным назначением, а также взаимодействие (соединение) системы с элементами внешней среды, называются выходными параметрами.

Эти параметры обозначают символом Y_j, где индекс j = 1, 2, 3… m характеризует порядковый номер параметра. Параметры X_i (i = 1, 2, 3… n) элементов системы, образующие более низкий иерархический уровень и влияющие навыходные параметры Y_{j ,} называются входными параметрами ближайшего иерархического уровня.

Под понятием «модель технической системы» понимают описание системы, отображающее определенную группу ее свойств. Модель системы позволяет предсказывать ее поведение в определенном диапазоне условий.

Поведение системы описывается совокупностью функций

Y_j (t)= Y_j [ X_i (t), q_n(t) ], (1.1)

где q_n – параметры внешней среды, влияющие на функционирование системы; t – текущее время функционирование технической системы; i =1, 2, 3…, j =1, 2, 3…, n =1, 2, 3….

Между элементами разных иерархических уровней могут существовать различные функциональные связи, описываемые аналитическими, алгоритмическими, корреляционными зависимостями типа

, (1.2)

где F_i ^k – i -я функция k -го иерархического уровня; X_m – m -й входной параметр элемента системы; q _n^k – n -й параметр внешней среды k -го иерархического уровня.

Математические модели (1.1) и (1.2) поведения технической системы могут быть получены на основании теоретического описания физических процессов, либо экспериментальных статистических исследований физических процессов по принципу «черного ящика».

Достоинства первого способа формирования моделей таковы:

– возможность построения модели до экспериментального исследования систем;

– возможность совершенствования разработанной модели в процессе экспериментально–теоретического исследования поведения технической системы.

Недостатком первого способа формирования моделей является необходимость проверки того, насколько адекватна модель реальному объекту анализа при большом числе переменных параметров и широком диапазоне их изменения.

При втором способе формирования моделей требуется значительные объемы экспериментов на натурных образцах, разработанных и изготовленных с учетом критериев подобия и воспроизводящих техническую систему в том или ином масштабе. Эти модели выражаются эмпирическими зависимостями, полученными методами корреляционного и регрессионного анализа.

К достоинствам моделей, построенных на основе эксперимента, следует отнести:

– адекватность исследуемому объекту;

– наличие стандартных методик планирования эксперимента и обработки результатов его проведения.

Недостатки моделей этого типа – невозможность уверенной экстраполяции полученных эмпирических зависимостей в область, выходящую за пределы экспериментально установленных диапазонов изменения входных параметров, и неизбежная неполнота в учете всех факторов, влияющих на точность полученной модели.

1.2. ПОНЯТИЕ О КАЧЕСТВЕ ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
И ЕГО СОСТАВЛЯЮЩИХ

В настоящее время формулировки этого определения, приведенные в стандарте нашей страны (ГОСТ 15467—79) и в международном стандарте (ИСО 8402—86), близки как по смыслу, так и по форме.

ГОСТ 15467—79 Качество продукции — совокупность свойств продукции, обусловливающих ее пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с ее назначением

ИСО 8402—86 Качество — совокупность характеристик объекта, относящихся к его способности удовлетворять установленные или предполагаемые потребности.

Государства выступают гарантами соблюдения этих стандартов.

Качество наукоемкой производственной продукции, являющейся одной из технических систем, можно обеспечить, лишь опираясь на созданную в обществе пирамиду формирования качества (рис. 1.1).

Рис.1

Мерой свойств объектов являются показатели свойств, позволяющие количественно сопоставлять одноименные свойства различной продукции одного назначения. Каждый показатель свойства является следствием сочетания множества параметров, влияющих на численное значение показателя свойства.

Свойства продукции можно разделить на следующие основные группы: потребительские; экономические; производственные; а также свойства, ограничивающие рынок сбыта продукции.

Из группы потребительских свойств технических систем выделяют свойства: свойства точности и надежности функционирования.

Свойства точности функционирования технической системы определяют степень соответствия фактических значений выходных параметров системы Y_j ^ф номинальным – Y_j ^н (j= 1… m – порядковый номер параметра). Эта степень соответствия характеризуется погрешностями выходных параметров VY_j:

VY_j = Y_j ^ф – Y_j ^н ,

Абсолютная погрешность VY_j состоит из случайной VY_{j сл} и систематической VY_{j с} составляющих:

VY_j = VY_{j сл} + VY_{j с}.

Первая составляющая принимает случайные значения по модулю и знаку, вторая либо постоянна, либо закономерно изменяется.

Количественной мерой точности измерения параметров системы является абсолютная погрешность измерения VХ _и, которая определяется как разность между результатом измерения (РИ) Х _ри и действительным значением параметра Х _Д:

VХ _и= Х _ри - Х _Д.

Погрешности измерения могут быть представлены в безразмерной форме – см. уравнение (1.3).

Таким образом, погрешности выходных параметров VY_j есть сложные функции Q_j номинальных значений X_нi и погрешностей VХ_i входных параметров

VY_j = Q_j (Х_нi, VХ_i).

В технической документации на погрешности параметров системы накладываются ограничения, обусловленные требованиями к ее функционированию в соответствии со служебным назначением, а также требованиями функциональной взаимозаменяемости и беспригоночной сборки (сборочная взаимозаменяемость). Эти ограничения на чертежах изделия, в технических требованиях и технических условиях представлены в виде допусков.

Ограничения, накладываемые на выходные параметры, не должны противоречить ограничениям на входные параметры, т. е. действительные значения выходных параметров не должны превышать допуски на них для любой комбинации погрешностей входных параметров, удовлетворяющих сформулированным ограничениям.

Надежность – обобщенное (сложное) свойство.Оно объединяет такие свойства, как безотказность, долговечность, сохраняемость и ремонтопригодность.

Безотказностью называют свойство технической системы сохранять работоспособность в течение некоторой наработки без вынужденных перерывов на ремонт и техническое обслуживание.

Долговечностью называют свойство технической системы сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами на техническое обслуживание и ремонт.

Сохраняемостью называют свойство технической системы сохранять эксплуатационные показатели (выходные параметры) в течение и после срока хранения и транспортирования изделия в условиях, оговоренных в технической документации.

Ремонтопригодностью называют свойство технической системы, заключающееся в ее приспособленности к предупреждению, обнаружению и устранению неисправностей путем проведения технического обслуживания и ремонта.

Показатели надежностихарактеризуют способность технической системы сохранять работоспособность во времени.

Эргономические свойства характеризуют систему «человек – продукция» и позволяют учесть комплекс гигиенических, антропометрических, физиологических и психологических свойств человека проявляющихся в процессах взаимодействия с продукцией.

Эстетические свойства характеризуют информационную выразительность, рациональность формы, целостность композиции и совершенство производственного исполнения продукции.

Свойства транспортабельности характеризуют приспособленность продукции к перемещению в пространстве (транспортирование), не сопровождающемуся ее использованием или потреблением.

Свойства безопасности характеризуют уровень вредных воздействий на пользователя, возникающих при эксплуатации или потреблении продукции, а также безопасность для обслуживающего персонала.

Экономические свойства характеризуют затраты на приобретение, использование по служебному назначению за весь прогнозируемый срок службы, затраты на утилизацию изношенных и невостребованных изделий. Эти свойства противопоставляются потребительским свойствам продукции.

В состав экономических свойств входят:

– рыночная цена приобретения;

– цена потребления.

Производственные свойства оказывают существенное влияние на производственные затраты и время поставки продукции заказчику. Эти свойства не входят в состав потребительских свойств продукции. Они скрыты в затратах на производство продукции и интересны производителю, поскольку безубыточность производства определяется разностью между рыночной ценой, зависящей от совокупности потребительских свойств, и себестоимостью продукции, являющейся результатом деятельности изготовителя.

К свойствам производственным относят:

– интегральные свойства технологичности:

– продолжительность цикла производства,

– производственные затраты на единицу продукции,

– трудоемкость;

– частные свойства технологичности:

– взаимозаменяемость;

– национальная и международная стандартизация;

– унификация и повторяемость элементов конструкции.

Интегральные свойства технологичности продукции характеризуют оптимальное распределение затрат материалов, средств труда и времени при технологической подготовке производства, изготовлении и производственных испытаниях продукции.

Частные свойства технологичности характеризуют уровень сборочной и функциональной взаимозаменяемости, унификации с другими изделиями, а также насыщенность продукции стандартными, унифицированными и оригинальными частями.

К свойствам, ограничивающим производство и рынок относят: патентно-правовые, экологические и свойства, обусловленные национальной и международной стандартизацией.

Патентно-правовые свойства характеризуют степень обновления технических решений, использованных в продукции, их патентную чистоту, а также возможность беспрепятственной реализации продукции внутри страны и за рубежом.

Экологические свойства характеризуют уровень вредных воздействий на окружающую среду, возникающих при производстве, эксплуатации или потреблении и утилизации изношенной или невостребованной продукции. При выборе и определении этих показателей необходимо учитывать требования по охране окружающей среды.

Национальная и международная системы стандартизации характеризуют эффективность производства и возможность расширения рынка сбыта произведенной продукции.

Показатели свойств зависят от геометрических, механических, электрофизических, теплофизических и других параметров, оговоренных в конструкторской документации (KД), в технических требованиях чертежа (ТТЧ), в технических условиях (ТУ), в государственных и отраслевых стандартах (ГОСТы и ОСТы), в технических описаниях по эксплуатации машин и технологического оснащения (ТО). Для РКС показателями назначения являются тактико-технические характеристики (ТТХ).

1.3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ТОЧНОСТИ
ПАРАМЕТРОВ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

В процессе формирования и функционирования технической системы на нее действует большое количество случайных факторов. При этом параметры технической системы принимают численные значения, которые заранее предсказать невозможно.

Для описания случайных величин и выполнения математических операций над ними используют теорию вероятностей и математическую статистику.

1.4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ
НАДЕЖНОСТИ ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

В понятии надежности технической системы объединяется комплекс показателей, характеризующих возможность функционирования этой системы во времени в условиях воздействия на нее потока внешних и внутренних факторов.

В процессе эксплуатации техническая система может находиться в различных состояниях:

– в состоянии работоспособности, при котором техническая система способна выполнять заданные функции, сохраняя значения заданных параметров в пределах, установленных нормативно-технической документацией;

– в состоянии неисправности, при котором техническая система не соответствует хотя бы одному из требований технической документации;

Переход технической системы из работоспособного в неисправное состояние называют отказом. В основе отказа могут лежать следующие причины:

– ошибки конструирования – ошибки в расчетах при назначении конструктивных параметров технической системы, связанные с несовершенством моделей функционирования этой системы;

– технологические дефекты – местные отклонения свойств материалов и соединений, обусловленные качеством исходного сырья, материалов, комплектующих изделий; нестабильностью технологических процессов; недостатком информации о влиянии технологических факторов на функциональные элементы технической системы;

– повреждения, приобретенные в процессе эксплуатации – отклонения геометрических параметров поверхностей, свойств материалов и соединений от первоначальных в процессе эксплуатации, испытаний, хранения и ремонта;

– неблагоприятное сочетание случайных внешних воздействий, превышающих возможности элементов изделия к их восприятию.

В любом случае отказ наступает, когда какой-либо параметр (дефект) x системы достигает своего предельного состояния x_max. Момент наступления этого события носит случайный характер и подчиняется закону распределения вероятности p(x,t). Время непрерывной работы системы называют наработкой, время наступления отказа – наработкой на отказ.

Вероятность безотказной работы системы до момента t_max при фиксированном уровне дефекта x

P(t) = 1 - .