CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘ TIN CẬY CỦA HỆ THỐNG 1. Khái niệm cơ bản về độ tin cậy 1.1 Ý nghĩa độ tin cậy của hệ thống Những sản phẩm kỹ thuật được chế tạo và sử dụng trong thời đại chúng ta, như các động cơ, máy, thiết bị trong quá trình sản xuất cơ khí hóa và tự động hóa, máy tính điện tử, người máy, các kết cấu công trình trên mặt đất và trên biển, những phương tiện giao thông vận tải và viễn thông, các phương tiện và thiết bị bay đang đảm nhận những nhiệm vụ chức năng ngày càng cao và đang đứng trước yêu cầu được hoàn thiện không ngừng những tính chất về khả năng làm việc của chúng. Những sản phẩm kỹ thuật đó thường bao gồm một số phần tử điện và cơ. Trong mối liên kết chặt chẽ giữa các ngành sản xuất xã hội và với trình độ tự động hóa cao ngày nay, sự hư hỏng của một phần tử nào đó không chỉ gây thiệt hại riêng to lớn cho người và của.
Việc nâng cao khả năng làm việc của sản phẩm kỹ thuật, như khả năng chịu tải, chịu nhiệt, tốc độ, độ chính xác, hiệu xuất làm việc, mức độ tự động hóa, tuổi thọ, tính an toàn, đồng thời giảm kích thước, khối lượng.v, dưới những điều kiện nhất định, vì vậy trở thành một vấn đề cấp bách trong cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật hiện nay trên thể giới và trong nước. Vấn đề độ tin cậy ngày càng được quan tâm nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng rộng lớn của các nhà khoa học, các kỹ sư, các nhà kinh tế và các nhà tổ chức quản lý sản xuất trong mọi lĩnh vực từ điện tử, cơ khí, xây dựng, các nghành nông nghiệp, giao thông vận tải, tới cả sinh học và y học. Giải quyết vấn đề độ tin cậy trở thành một nhiệm vụ có ý nghĩ quan trọng hàng đầu, nhằm khai thác một nguồn dự trữ lớn lao, nâng cao hiệu quả lao động, năng lực sản lao động và sức sản xuất xã hội. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 7 Với đặc thù và phương pháp luận của mình, nghiên cứu độ tin cậy đã làm xuất hiện một lĩnh vực mới của khoa học và kỹ thuật bên cạnh các khoa học khác: khoa học độ tin cậy.2 Định nghĩa độ tin cậy: Độ tin cậy P(t) của của hệ thống là xác suất để trong suốt khoảng thời gian khảo sát t hệ thống đó vận hành an toàn.1) Trong đó: - là thời gian liên tục vận hành an toàn của phần tử.
Biểu thức trên chỉ ra rằng phần tử muốn vận hành an toàn trong khoảng thời gian t thì giá trị của t phải bé hơn giá trị quy định . Đồng thời biểu thức trên cũng chỉ rằng phần tử chỉ vận hành an toàn với một xác suất nào đó (0 ≤ P ≤ 1) trong suốt khoảng thời gian t. Khi bắt đầu vận hành nghĩa là ở thời điểm t = 0, phần tử bao giờ cũng hoạt động tốt nên P(0)= 1. Ngược lại thời gian càng kéo dài, khả năng vận hành an toàn của phần tử càng giảm đi và tới khi t∞ thì theo quy luật phát triển của vật chất trong tác động tàn phá của thời gian, nhất định phần tử phải hỏng đó đó P(∞) = 0 1.3 Những yếu tố ảnh hưởng độ tin cậy Phân biệt theo loại: Các yếu tố ảnh hưởng tới độ tin cậy được phân thành các yếu tố kỹ thuật và các yếu tố kinh tế-kỹ thuật.
Các yếu tố Kỹ thuật là các quá trình vật lý khác nhau của sự hư hỏng. Các quá trình đó dẫn tới sự biến đổi về kích thước, hình dạng, về trật tự hình học tương đối giữa các bộ phận. Về chất lượng bề mặt về những tính chất khác nhau của sản phẩm. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 8 Các yếu tố kinh tế - kỹ thuật là các yếu tố làm giảm giá trị của sản phẩm kỹ thuật, do tiến bộ khoa học kỹ thuật tạo ra những sản phẩm kỹ thuật mới, có năng suất cao, chất lượng tốt hơn v.v…Yếu tố kinh tế - kỹ thuật làm giảm thông số làm việc hay tính chất sử dụng; nó chỉ làm cho sản phẩm trở lên cũ, lỗi thời.
Phân biệt theo dạng biểu hiện: Về mặt hình thức biểu hiện, các yếu tố gây hư hỏng được chia thành ba nhóm: dùng hỏng, quá tải và lão hóa. Dùng hỏng là khái niệm chung của sự mài mòn, mỏi và ăn mòn (gỉ) – những dạng hỏng chủ yếu của sản phẩm kỹ thuật. Khó có thể loại trừ được các yếu tố này, ngay cả khi sử dụng đúng cách. Sự quá tải có thể xẩy ra khi sử dụng sai quy định, hoặc do sự dùng hỏng khiến cho tải trọng tăng lên vượt giá trị giới hạn.
Nó trực tiếp dẫn tới hư hỏng hoặc làm tăng sự dùng hỏng. Sự lão hóa là quá trình biến đổi (không ngược) trong vật liệu làm thay đổi độ bền. Nó chỉ thuộc vào các yếu tố gây hư hỏng, khi nó xuất hiện ngoài quá trình công nghệ chế tạo. Phân biệt theo quá trình tác dụng Xét theo khoảng thời gian tác dụng là nhanh hay chậm mà các yếu tố gây ra, tương ứng, hỏng đột ngột (chẳng hạn gẫy vì quá tải) hay hỏng dần dần (chẳng hạn giảm công suất, tăng mức tiêu hao nhiên liệu vì mài mòn).
Phân biệt theo nguyên nhân Các yếu tố ảnh hưởng tới độ tin cậy có thể được chia thành hai loại theo nguồn gốc sinh ra chúng: khách quan và chủ quan. Nguyên nhân khách quan gây ra hư hỏng thường được hiểu là nguyên nhân bên ngoài không biết trước, chẳng hạn môi trường, hoặc nguyên nhân không phải do con người cụ thể chẳng hạn sự không hoàn thiện của phương pháp thiết kế hay của quy trình công nghệ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 9 Nguyên nhân chủ quan là nguyên nhân do sai lầm chủ yếu của con người gây ra như mệnh lệnh kỹ thuật sai của người quản lý, sai lầm trong thiết kế hay trong công nghệ (trong khi quy trình thiết kế hay công nghệ là đúng, sự vi phạm những quy định về sử dụng, sơ suất trong thao tác….v… Cần nói thêm rằng, vai trò của con người trong việc nâng cao đô tin cậy, ngăn ngừa hư hỏng và khắc phục hư hỏng xảy ra là vô cùng lớn lao. Cần phải xem con người như là một phần tử của hệ thống, để tránh những nguyên nhân chủ quan gây ra hư hỏng, dưới góc độ kỹ thuật, những biện pháp nâng cao độ tin cậy bao gồm cả những vấn đề tâm lý lao động: chống ồn, chống rung, thông hơi, ánh sáng, tạo tư thế lao động thuận lợi cho người khác thao v.v… Hệ thống hóa và phân loại sự kiện hư hỏng của sản phẩm là cần thiết cho việc tìm kiếm biện pháp sửa chữa thích hợp.
Một cách phân loại sự kiện hư hỏng được chỉ ra trên sơ đồ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.Sơ đồ hệ thống hóa khái niệm hỏng 1.2 Các chỉ tiêu của độ tin cậy 1.1 Phần tử không phục hồi Phần tử không phục hồi[2] là phần tử khi được đưa vào sử dụng, nếu bị hư hỏng thì sẽ loại bỏ ngay mà không tiến hành sửa chữa do không thể hoặc việc sửa chữa không mang lại hiệu quả, ví dụ như: linh kiện điện trở, tụ điện, IC … ta chỉ quan tâm đến sự kiện xảy ra sự cố đầu tiên. Những thông số cơ bản của phần tử không phục hồi là: a. Thời gian vận hành an toàn . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 11 Giả thiết ở thời điểm t = 0 phần tử bắt đầu hoạt động và đến thời điểm t = thì phần tử bị sự cố.
Khoảng thời gian được gọi là thời gian liên tục vận hành an toàn của phần tử. Vì sự cố không xảy ra tất định nên là một đại lượng ngẫu nhiên có các giá trị trong khoảng 0 ≤ ≤ ∞. Giả thiết trong khoảng thời gian khảo sát t thì phần tử xảy ra sự cố với xác suất Q(t).2) Vì là đại lượng ngẫu nhiên liên tục nên: - Q(t) được gọi là hàm phân phối của biến ngẫu nhiên liên tục . - q(t) là hàm mật độ phân phối xác suất của .2: Biểu diễn hàm mật độ phân phối xác suất Trên hình 1.1, biểu diễn hàm mật độ phân phối xác suất của thời gian trung bình vận hành an toàn.
Theo tính chất của hàm mật độ phân phối xác suất của biến ngẫu nhiên liên tục, ta có: q(t)=Q’(t) {Đạo hàm bậc 1của hàm phân phối xác suất }, do đó: 𝑑𝑄(𝑡) 𝑞(𝑡) = (1.3) 𝑑𝑡 Trong đó thỏa mãn tính chất: ∞ ∫ 𝑞(𝑡). 𝑑𝑡 = 1 0 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 12 Vậy hàm mật độ phân phối xác suất của là: 1 𝑞(𝑡) = lim 𝑃(𝑡 < τ ≤ t + ∆t) (1.∆t là xác suất để thời gian hoạt động nằm trong khoảng (t t+∆t) với ∆t đủ nhỏ. Độ tin cậy của phần tử P(t) Ta có hàm Q(t) mô tả xác suất sự cố của phần tử, vậy hàm mô tả độ tin cậy của phần tử được ký hiệu là P(t) và sẽ được tính theo định nghĩa hàm xác suất: P(t) = 1 – Q(t) = P{ ≥ t} (1.5) Như vậy P(t) là xác suất để phần tử vận hành an toàn trong khoảng thời gian t vì ở đây ta đã giả thiết có ≥ t. Từ biểu thức (1.6) 0 Từ biểu thức (1.7) 𝑡 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.3: Biểu diễn hàm phân phối xác suất P(t ) 1 0 t Hình 1.4: Biểu diễn độ tin cậy của phần tử Từ hai đồ thị trên ta thấy rằng Q(∞) = 1 và P(∞) = 0 chứng tỏ độ tin cậy của phần tử giảm dần theo thời gian.
Cường độ hỏng hóc (t) Cường độ hỏng hóc [3] (hay cường độ trở ngại) là một trong những khái niệm quan trọng khi nghiên cứu độ tin cậy, (t) là một hàm theo thời gian. Với ∆t đủ nhỏ thì (t).∆t chính là xác suất để phần tử đã hoạt động tốt đến thời điểm t sẽ hỏng hóc trong khoảng thời gian ∆t tiếp theo. Hay đó chính là số lần hỏng hóc trên một đơn vị thời gian trong khoảng thời gian ∆t.8) Δ𝑡→0 ∆𝑡 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.