1

© Sławomir Tkaczuk, WAT 2010

Eksploatacja urządzeń transportu

lotniczego

Niezawodność

eksploatacyjna

statków powietrznych

2

Niezawodność

Racjonalne eksploatowanie urządzeń technicznych jest możliwe pod warunkiem, że znane są ich
eksploatacyjne charakterystyki - w tym głównie niezawodność.
Dysponując charakterystykami niezawodnościowymi można realnie planować użytkowanie
obiektów, opracowywać zasady obsługiwania, modernizować i opracowywać nowe systemy
obsługiwania, tworzyć optymalne struktury organizacyjne systemów eksploatacji obiektów itp.
Według PN-80/N-04000, niezawodność to właściwość obiektu charakteryzująca jego zdolność
do wykonywania określonych funkcji, w określonych warunkach i określonym czasie.

Niezawodność jest właściwością kompleksową, obejmującą w zależności od przeznaczenia
obiektu i warunków jego eksploatacji, takie charakterystyki, jak:
• trwałość,
• nieuszkadzalność,
• naprawialność,
• przechowywalność.

Trwałość to właściwość obiektu charakteryzująca jego zdolność do zachowania stanu zdatności
w określonych warunkach, aż do zakończenia jego eksploatacji. Pod pojęciem stanu zdatności
należy rozumieć stan, w którym obiekt może wykonywać zadania zgodnie z wymaganiami.
W sensie ilościowym trwałość określa się ilością wykonywanej pracy, ilością wykonywanych
czynności lub czasem, w którym obiekt zachowuje określone właściwości w dopuszczalnych
granicach ich zmian.
Nieuszkadzalność jest właściwością obiektu, która charakteryzuje jego zdolność do zachowania
stanu zdatności podczas wykonywania zadania.
W sensie ilościowym nieuszkadzalność to prawdopodobieństwo ciągłego zachowania stanu
zdatności podczas wykonywania zadania.
Naprawialność oznacza właściwość obiektu charakteryzującą jego przystosowanie do
wykonania napraw w określonych warunkach eksploatacji, z wykorzystaniem ustalonych metod i
środków naprawczych.
W sensie ilościowym naprawialność określa się takimi wskaźnikami, jak: prawdopodobieństwo
naprawy, średni czas naprawy, intensywność naprawy.

W praktyce powyższe wskaźniki są wykorzystywane do organizacji racjonalnych systemów
obsługiwania obiektów technicznych.

Przechowywalność to właściwość obiektu charakteryzująca jego zdolność do zachowania stanu
zdatności podczas przechowywania.
Właściwość ta oznacza zdolność obiektu do przeciwstawiania się ujemnym wpływom warunków
przechowywania na jego trwałość i nieuszkadzalność.

3

4

Uszkodzenia (PN-80/N-O4000) to zdarzenia polegające na przejściu obiektu
ze stanu zdatności do stanu niezdatności.

Ze względu na przyczyny powstawania uszkodzeń klasyfikuje się je następująco:
• konstrukcyjne - uszkodzenia powstałe wskutek błędów projektowania i konstruowania

obiektu;

• produkcyjne (technologiczne) - uszkodzenia powstałe wskutek błędów i niedokładności

procesów technologicznych lub wad materiałów elementów obiektu;

• eksploatacyjne - uszkodzenia powstałe w wyniku nieprzestrzegania obowiązujących zasad

eksploatacji lub oddziaływania czynników zewnętrznych nie przewidzianych dla warunków
użytkowania danego obiektu.

Biorąc pod uwagę charakter zmian wartości wymuszeń (obciążeń) działających na obiekt, można
wyróżnić:
•

Uszkodzenia przypadkowe (nagłe), które powstają w wyniku działania bodźców skokowych,
których wartości przekroczyły ustalone wartości dopuszczalne, przy czym uszkodzeń nagłych
nie można przewidzieć na podstawie wyników wykonywanych obsługiwań technicznych;

•

Uszkodzenia zużyciowe (naturalne) są wynikiem nieodwracalnych zmian właściwości
początkowych obiektu, zachodzących podczas eksploatacji, mimo że obiekt był właściwie
skonstruowany, wytworzony i eksploatowany. Uszkodzenia zużycia powstają od bodźców, które
kumulują się w czasie jego użytkowania.

Uszkodzenia

1- odporność wewnętrzna, 2- obciążenia stałe, 3-przypadkowy charakter obciążenia
zmiennego, 4- uszkodzenia nagłe, 5- uszkodzenia stopniowe.

Model procesu uszkodzenia obiektu

5

Niezawodność

Ze względu na współzależność uszkodzenia dzielą się na uszkodzenia niezależne i
zależne.
Uszkodzenia niezależne (pierwotne) powstają na skutek dowolnej przyczyny, z
wyjątkiem jednak uszkodzenia od innego elementu. Uszkodzenie pierwotne części jest
niezależne od miejsca zajmowanego w strukturze funkcjonalnej obiektu i jest rozumiane
jako zdarzenie, którego powstanie jest wywołane procesem fizycznym lub fizyczno-
chemicznym zachodzącym w danej części. Uszkodzenia te stanowią podstawę
wnioskowania statystycznego o niezawodności i trwałości elementów obiektu w danych
warunkach eksploatacji.
Uszkodzenia zależne (wtórne) powstają na skutek zaistnienia uszkodzenia innego
elementu. W ogólnym pojęciu uszkodzenie wtórne odnosi się do tych części, na które
zostały przeniesione bezpośrednio lub pośrednio skutki uszkodzenia pierwotnego.
Uszkodzenia pierwotne i wtórne części są podstawą do ustalenia normatywów
magazynowych części zamiennych.

Awaria jest szerszym pojęciem niż uszkodzenie. Pod tym pojęciem rozumie się
uszkodzenie pociągające za sobą następstwa, które przekraczają pewne umowne granice,
np. awarią jest uszkodzenie, które spowodowało straty znacznie większe od średnich strat
przypadających na jedno uszkodzenie danego obiektu.
Oddzielną grupę stanowią uszkodzenia powstałe na skutek rozregulowania. Uszkodzenia
takie zazwyczaj dają się usunąć za pomocą elementów regulacyjnych znajdujących się w
obiekcie.

Do oceny niezawodności obiektów technicznych wykorzystuje się charakterystyki, które
są nazywane wskaźnikami niezawodności. Umożliwiają one ilościową ocenę okresu ich
użytkowania. Wskaźniki niezawodności stanowią miary, za pomocą których ocenia się
obiekt pod względem niezawodności. Wskaźniki niezawodności umożliwiają wyznaczenie
niezawodności obiektów istniejących oraz stawianie konkretnych wymagań odnośnie
niezawodności obiektów nowo projektowanych. Wskaźniki niezawodności są podstawą
właściwej organizacji procesów obsługiwań technicznych obiektu i właściwego
zaopatrzenia ich w części wymienne.

6

Niezawodność

Ze względu na przypadkowy charakter występowania uszkodzeń w obiektach, wskaźniki
niezawodności są wielkościami losowymi.
Określa się je za pomocą metod statystyki matematycznej oraz teorii
prawdopodobieństwa.
Wśród wskaźników niezawodności można wyróżnić (PN-77/N-O4005):
•

wskaźniki zdatności i trwałości,

•

wskaźniki napraw,

•

wskaźniki przechowywania i transportu,

•

inne wskaźniki.

1. Prawdopodobieństwo uszkodzenia obiektu

Jeżeli w danym przedziale czasu obiekt może się uszkodzić, to prawdopodobieństwo tego
zdarzania nazywa się prawdopodobieństwem uszkodzenia obiektu (inaczej: funkcją
zawodności).

Funkcja zawodności jest określana zależnością:

– nalot do pierwszego uszkodzenia (zmienna losowa);

f(t) – funkcja gęstości rozkładu prawdopodobieństwa uszkodzeń (najczęściej jest to rozkład:
Weilbulla, wykładniczy, normalny ucięty)

Oszacowanie statystyczne tego wskaźnika określa wzór:

gdzie:

m(t) – liczba obiektów uszkodzonych w przedziale czasu <0,t>;

n – sumaryczna liczba badanych w tym czasie obiektów.





 













t

dt

t

f

t

P

t

F

0

)

(



0



   

n

t

m

t

F



7

Niezawodność

2

. Prawdopodobieństwo poprawnego działania obiektu

Prawdopodobieństwo to nazywane jest funkcją niezawodności R(t).
Zdarzenie, że w ustalonym przedziale czasu obiekt się nie uszkodzi:

Jeżeli znana jest funkcja niezawodności w całym przedziale „czasu życia obiektu”, to znana
jest jego niezawodność.

Oszacowanie statystyczne tego wskaźnika z próbki obiektów jest określone wzorem:

gdzie:

n(t) – liczba obiektów, które w przedziale czasu <0,t> nie uszkodziły się;

n – liczba badanych w tym czasie obiektów technicznych.

  



 

 

























t

t

dt

t

f

dt

t

f

t

F

t

P

t

R

1

)

(

1

0



 

 

n

t

n

t

R



Wykresy funkcji niezawodności R(t) i funkcji zawodności F(t)

8

Niezawodność

3. Średni czas T poprawnej pracy do chwili wystąpienia uszkodzenia

Jest to wartość oczekiwana zmiennej losowej t , wyrażona zależnością:

Oszacowanie statystyczne tego wskaźnika określa wzór:

gdzie: n – liczba badanych obiektów;

t

i

– czas, w którym nastąpiło uszkodzenie i-tego obiektu







n

i

i

t

n

T

1

1

 

 

dt

t

f

t

t

E

T











0

4. Średni czas poprawnej pracy między dwoma kolejnymi uszkodzeniami

Jest to wartość oczekiwana zmiennej losowej t, określającej czas pracy między dwoma
kolejnymi uszkodzeniami:

Oszacowanie statystyczne tego wskaźnika określa wzór:

gdzie: n – liczba badanych obiektów, z których każdy jest po (k-1)-tej naprawie;

t

ki

– czas przebywania i-tego obiektu w stanie zdatności od chwili

zakończenia (k-1)-tej naprawy do wystąpienia k-tego uszkodzenia.







n

i

k i

k

t

n

T

1

1

 

 

dt

t

f

t

t

E

T

k

S











0

a – wartość funkcji niezawodności R(t) i funkcji
zawodności F(t) w określonej chwili t=t

0

, b- funkcja

niezawodności R(t) dla R(t,t+t

0

), c- zawodność obiektu, d-

niezawodność obiektu.

Ilustracja graficzna związków R(t), F(t) i T

9

Niezawodność

5. Intensywność uszkodzeń
Jest to gęstość warunkowa uszkodzenia w chwili t, pod warunkiem, że do tej chwili obiekt
pracował bez uszkodzenia.
Intensywność uszkodzeń określa się zależnością:



Oszacowanie statystyczne tego wskaźnika określa wzór:



gdzie: n(t) – liczba obiektów, które w przedziale czasu <0,t> się nie uszkodziły;
– liczba obiektów, które w przedziale czasu się uszkodziły;
– długość przedziału czasu, w którym obiekt jest badany.

 

t



 

 

 

 

 

t

R

t

f

t

F

t

f

t







1



 

 





 

t

t

n

t

t

n

t

n

t



















t

t

n













t

t

,

0

t



1- uszkodzenia wczesne, 2-uszkodzenia starzeniowe,
3- uszkodzenia eksploatacyjne, 4- wynikowa funkcja

intensywności uszkodzenia

Ilustracja zmiany intensywności uszkodzeń w

funkcji czasu

10

- rozkład Weibulla:

 















































t

t

f

exp

1

1

 

 

t

t

f









exp



- rozkład wykładniczy:

gdzie: – intensywność uszkodzeń;



gdzie: – parametr formy;

– parametr kształtu



11

 























2

2

2

exp

2

1

)

(







t

E

t

t

f



- rozkład Erlanga:

gdzie: – odchylenie standardowe;
E[t] – wartość oczekiwana.

gdzie: l – parametr (liczba całkowita).

   

 

 

t

l

t

t

f

l















exp

!

1

1

- rozkład normalny:

12

-

rozkład gamma:

 

 

 

t

e

t

t

f



















1

 

dt

e

t

t













0

1





gdzie:

Tab. Wyrażona w procentach częstość uszkodzeń charakterystycznych dla różnych

elementów wyposażenia pokładowego statków powietrznych

Element

wyposażenia

pokładoweg

o

(urządzenie)

Rozkład uszkodzeń na podstawie okoliczności

wykrycia*, %

Łącznie, %

sumarycznej

liczby

uszkodzeń

W locie

Obsługiwani
e operacyjne

Obsługi

profilaktycz

ne

Nadajniki i

linie

komutacyjne

23...40/2...1

2

bd

16...22/1...1

6....18/1...2

Urządzenia

wyliczające

i pulpity

sterowania

38...60/2...5

0,5...2/0,5...

1

36...60/2...4

1...12

Wskaźniki

1...2/6...10

bd/3...6

bd/2...5

1...2

* w liczniku przedstawione dane dotyczą uszkodzeń stopniowych, a w mianowniku
uszkodzeń nagłych, skrót bd oznacza brak danych

Jedną z metod zwiększania niezawodności obiektów, teoretycznie umożliwiającą
nieograniczone podnoszenie ich niezawodności jest rezerwowanie.

Metoda ta polega na tym, że dla elementów lub zespołów przewiduje się jeden lub kilka
elementów zapasowych, które w miarę występowania uszkodzeń zastępują w pracy
elementy uszkodzone. Zazwyczaj niezawodność obiektu o strukturze szeregowej zwiększa
się przez eliminację tzw. słabych ogniw obiektu.

Struktura szeregowa charakteryzuje się takim powiązaniem elementów, przy którym
obiekt jest w stanie zdatności wtedy, gdy wszystkie jego elementy są w stanie zdatności.
Obiekt jest uszkodzony wtedy, gdy chociaż jeden jego element jest uszkodzony.
Funkcja niezawodności R(t) obiektu jest iloczynem w postaci:




Struktura równoległa charakteryzuje się takim powiązaniem elementów, przy którym
obiekt jest w stanie zdatności wtedy, gdy choć jeden jego element jest w stanie zdatności.
Obiekt jest uszkodzony wtedy, gdy wszystkie jego elementy są uszkodzone.
Funkcja niezawodności R(t) obiektu może być wyznaczona z zależności:




Struktura szeregowo-równoległa jest kombinacją dwóch poprzednich struktur obiektu.
Funkcję niezawodności R(t) obiektu można opisać wzorem:

 

   

 

 















n

i

i

n

t

R

t

R

t

R

t

R

t

R

1

2

1

...

 

 















n

i

i

t

R

t

R

1

1

1

 

 



























n

i

m

j

ij

t

R

t

R

1

1

1

1

Struktury niezawodnościowe obiektów technicznych

a-struktura szeregowa, b-struktura równoległa, c-struktura szeregowo-równoległa, d-

struktura szeregowa, w której element i

0

jest słabym ogniwem, e-struktura szeregowa,

w której słabe ogniwo i

0

jest rezerwowane elementem i

1

15

Niezawodność

Stosowanie różnych struktur niezawodnościowych stwarza teoretycznie duże możliwości
podnoszenia niezawodności obiektów technicznych.

W praktyce stosowanie tych struktur lub ich kombinacji jest jednak ograniczone
względami konstrukcyjnymi, technologicznymi, ekonomicznymi oraz masą obiektu.

Niezawodność jest kompleksową charakterystyką jakości eksploatacyjnej urządzeń
technicznych. Obejmuje trwałość, nieuszkadzalność, naprawialność i przechowywalność.

Wyróżnia się uszkodzenia konstrukcyjne, produkcyjne, eksploatacyjne, przypadkowe
(nagłe), zużyciowe (naturalne), niezależne (pierwotne), zależne (wtórne), rozregulowania,
awarie.

Do podstawowych wskaźników niezawodności obiektów należą; prawdopodobieństwo
prawidłowej pracy do uszkodzenia (funkcja niezawodności), prawdopodobieństwo
uszkodzenia (funkcja zawodności), średni czas pracy między dwoma kolejnymi
uszkodzeniami, funkcja intensywności uszkodzeń.

W przebiegu funkcji intensywności uszkodzeń można wyróżnić uszkodzenia wczesne,
przypadkowe i starzeniowe.

16

• Flight Control computers are dual channel

- one for control and one for monitoring

• Each processor has a different vendor for hardware & software

- software for each processor coded in a different language

Metody podnoszenia

niezawodności SP

17

Metody podnoszenia

niezawodności SP

18

Metody podnoszenia

niezawodności SP

19

Metody zapobiegania powstawaniu wad

Spośród metod zapobiegania wadom wyrobu oraz procesu (metody prewencyjne) najczęściej
stosowana jest:
FMEA - analiza przyczyn i skutków wad (Failure Mode and Effect Analysis).
Celem stosowania metody jest konsekwentne i trwałe eliminowanie wad wyrobu lub procesu
produkcji poprzez rozpoznawanie rzeczywistych przyczyn ich powstawania i stosowanie
odpowiednich środków zapobiegawczych oraz unikanie wystąpienia rozpoznanych, a także
jeszcze nieznanych wad w nowych wyrobach i procesach poprzez wykorzystanie wiedzy i
doświadczeń z już przeprowadzonych analiz. Każda ocena cząstkowa mieści się w przedziale od
1-10, gdzie 1 jest wartością najmniejszą. Wszystkie problemy należy ustawić według oceny
całkowitej (C) i zastosować analizę Pareto, która wskazuje co należy najpierw naprawić.

According to Mil-Std-1629 Procedures for Performing a Failure Mode, Effects and
Criticality Analysis the scale is divided into five levels:
Level A -Frequent. The high probability is defined as a probability which is equal or bigger
than 0.2 of the overall system probability of failure during the defined mission period.
Level B -Reasonable probable. The reasonable (moderate) probability is defined as probability
which is more than 0.1 but less than 0.2 of the overall system probability of failure during the
defined mission period.
Level C -Occasional probability. The occasional probability is defined as a probability, which is
more than 0.01 but less than 0.1 of the overall system probability of failure during the defined
mission period.
Level D -Remote probability. The remote probability is defined as a probability, which is more
than 0.001 but less than 0.01 of the overall system probability of failure during the defined
mission period.
Level E -Extremely unlikely probability. The extremely unlikely probability is defined as
probability which is less than 0.001 of the overall system probability of failure during the
defined mission period.

Według normy MIL-STD-1629 procedury wprowadzenia Failure Mode, Effects and
Criticality Analysis skala jest podzielona na pięć poziomów:
Poziom A- częste. Z dużym prawdopodobieństwem definiuje się jako prawdopodobieństwo,
która jest równa lub większa 0,2 ogólnego prawdopodobieństwa awarii systemu w
ciągu określonego okresu misji.
Poziom B- Rozsądny (umiarkowany) jest definiowana jako prawdopodobieństwo, które
jest większa niż 0,1, ale mniejsze niż 0,2 ogólnego prawdopodobieństwa awarii systemu w
ciągu określonego okresu misji.
Poziom C-prawdopodobieństwo okolicznościowe. Okazyjnie prawdopodobieństwo jest
zdefiniowana jako prawdopodobieństwo, które jest czymś większe niż 0,01, ale mniejsze od
0,1 ogólnego prawdopodobieństwa awarii systemu w ciągu określonego okresu misji.
Poziom D-prawdopodobieństwo zdalne. Prawdopodobieństw jest zdefiniowane
jako prawdopodobieństwo, które jest większe niż 0.001, ale mniejsze niż 0,01 ogólnego
prawdopodobieństwa awarii systemu w określonym czasie misji.
Poziom E-bardzo mało prawdopodobne. Jest zdefiniowana jako prawdopodobieństwo, które jest
mniejsze niż 0.001 ogólnego prawdopodobieństwa awarii systemu w określonym czasie misji.

20

Niezawodność

According to Mil-Std-1629 Procedures for Performing a Failure Mode, Effects and
Criticality Analysis the scale is divided into five levels:
Level A -Frequent. The high probability is defined as a probability which is equal or bigger
than 0.2 of the overall system probability of failure during the defined mission period.
Level B -Reasonable probable. The reasonable (moderate) probability is defined as probability
which is more than 0.1 but less than 0.2 of the overall system probability of failure during the
defined mission period.
Level C -Occasional probability. The occasional probability is defined as a probability, which is
more than 0.01 but less than 0.1 of the overall system probability of failure during the defined
mission period.
Level D -Remote probability. The remote probability is defined as a probability, which is more
than 0.001 but less than 0.01 of the overall system probability of failure during the defined
mission period.
Level E -Extremely unlikely probability. The extremely unlikely probability is defined as
probability which is less than 0.001 of the overall system probability of failure during the
defined mission period.

Według normy MIL-STD-1629 procedury wprowadzenia Failure Mode, Effects and Criticality
Analysis skala jest podzielona na pięć poziomów:
Poziom A- częste. Z dużym prawdopodobieństwem definiuje się jako prawdopodobieństwo,
która jest równa lub większa 0,2 ogólnego prawdopodobieństwa awarii systemu w
ciągu określonego okresu misji.
Poziom B- Rozsądny (umiarkowany) jest definiowana jako prawdopodobieństwo, które
jest większa niż 0,1, ale mniejsze niż 0,2 ogólnego prawdopodobieństwa awarii systemu w
ciągu określonego okresu misji.
Poziom C-prawdopodobieństwo okolicznościowe. Okazyjnie prawdopodobieństwo jest
zdefiniowana jako prawdopodobieństwo, które jest czymś większe niż 0,01, ale mniejsze od
0,1 ogólnego prawdopodobieństwa awarii systemu w ciągu określonego okresu misji.
Poziom D-prawdopodobieństwo zdalne. Prawdopodobieństw jest zdefiniowane
jako prawdopodobieństwo, które jest większe niż 0.001, ale mniejsze niż 0,01 ogólnego
prawdopodobieństwa awarii systemu w określonym czasie misji.
Poziom E-bardzo mało prawdopodobne. Jest zdefiniowana jako prawdopodobieństwo, które jest
mniejsze niż 0.001 ogólnego prawdopodobieństwa awarii systemu w określonym czasie misji.

21

22

23

24

Chapter 11 of SPEC2000 is a global
standard for the exchange of aircraft
engine and component reliability data
developed by key industry
representatives.

This standard will provide significant
reliability and cost benefits to the
industry.

The standard is available today and
several companies aiready have
implementation plans and activities
underway.

Rozdział 11 SPEC2000 jest globalnym
standardem wymiany silników lotniczych i
danych niezawodnościowych opracowanym przez
głównych przedstawicieli branży.
Standard ten zapewnia znaczne korzyści dotyczące
niezawodności i kosztów dla przemysłu. Jest już
dostępny i kilka przedsiębiorstw mają plany
wdrożenia tej metody