3.4 Повышение надежности сложных систем

Требования, предъявляемые к надежности сложных систем

Современные методы позволяют спроектировать и изготовить машину, как сложную систему, сколь угодно высокой надежности. Однако такая машина будет иметь большой вес, габариты и стоимость.

С точки зрения множества показателей машина должна иметь некоторую оптимальную надежность. Для установления оптимальности необходим критерий качества. Таким критерием может быть критерий минимальной стоимости.

Согласно критерию минимума стоимости машина является оптимальной, если при прочих равных ее качествах суммарная стоимость проектирования, изготовления и эксплуатации минимальна.

Проектирование и изготовление высоконадежных машина требуют дополнительных средств. Однако они имеют меньшее число отказов. Это уменьшает время их вынужденного простоя, необходимое число запасных деталей и узлов, позволяет снизить эксплуатационные расходы.

С увеличением надежности машин растет стоимость проектирования и изготовления, но уменьшается стоимость эксплуатации (рисунок 1.12). Из рисунка следует, что существует такое значение надежности, при котором суммарная стоимость проектирования, изготовления и эксплуатации минимальна.

Рисунок 1.12 – Характер зависимости стоимости машины от вероятности ее безотказной работы

Требования к надежности машин, исходя из критерия минимума стоимости, настолько высоки, а надежность элементов настолько низка, что удовлетворить их не прибегая к специальным мерам по повышению надежности, не представляется возможным.

Методы повышения надежности

Реализация методов повышения надежности может осуществляться либо при проектировании, либо при изготовлении, либо при эксплуатации.

При проектировании. Наиболее эффективными методами повышения надежности машин являются методы, которые применяются при проектировании:

-резервирование,

-упрощение конструкции машины,

-выбор наиболее надежных элементов,

-создание машин с ограниченными последствиями отказов элементов,

-облегчение механических и тепловых режимов работы элементов,

-стандартизация и унификация элементов и узлов,

-встроенный контроль,

-автоматизация проверок.

Эти методы позволяют принципиально из малонадежных элементов строить надежные машины.

При изготовлении. При изготовлении машин надежность можно повысить:

-совершенствуя технологию производства,

-осуществляя автоматизацию производственных процессов,

-применяя статистический контроль качества продукции,

-осуществляя стендовые испытание элементов и оборудования в целом, что, позволяет уменьшить интенсивность отказов при эксплуатации.

При эксплуатации. Надежность машин закладывается при их проектировании и изготовлении, а при эксплуатации надежность только расходуется. Скорость ее расхода зависит от методов эксплуатации, квалификации обслуживающего персонала, условий эксплуатации. Необходимо как можно дольше сохранить надежность оборудования при эксплуатации.

Эксплуатация включают в себя научно обоснованные способы проведения профилактических мероприятий и ремонтов. Сюда относятся:

• частота и глубина проверок,

• качество ремонта

• условия хранения,

• регламентация времени непрерывной работы оборудования.

При правильной организации эксплуатации также удается повысить надежность оборудования. Профилактические мероприятия предупреждают отказы. Это аналогично уменьшению интенсивности отказов машины. При этом надежность элементов не повышается, а своевременно происходит смена или ремонт еще не отказавших элементов, но таких, вероятность отказов которых сильно возросла.

Эксплуатация оказывает влияние на проектирование и изготовление вновь разрабатываемого оборудования. Данные об отказах оборудования, полученные при его эксплуатации, полностью характеризуют его надежность и поэтому часто являются исходными данными при проектировании высоконадежных машин подобного типа.

Эксплуатация может быть уподоблена эксперименту с реальными условиями работы оборудования, которая не может быть проведена ни в одной лаборатории. Сбор, научная обработка и обобщение статистических данных об отказах машин является одной из важных функций технической эксплуатации.

Известные методы повышения надежности:

• резервирование,

• уменьшение интенсивности отказов системы,

• сокращение времени непрерывной работы,

• уменьшение среднего времени восстановления.

Резервирование как средство повышения надежности

Анализ различных методов резервирования позволяет сформулировать основные его свойства.

Во-первых, основное положительное свойство резервирования состоит в том, что оно позволяет из малонадежных элементов проектировать надежные системы. Это свойство всякого резервирования выгодно отличает его от остальных методов повышения надежности.

Во-вторых, выигрыш надежности по вероятности отказов всегда начинается с нуля (рисунок 1.13) и асимптотически стремится к единице независимо от надежности резервированной системы и ее элементов. При этом скорость роста тем выше, чем менее надежна основная система, и чем ниже кратность резервирования. При нескользящем резервировании с дробной кратностью величины могут быть, начиная с определенного значения времени непрерывной работы машины, больше единицы. Это означает, что подобное резервирование может быть вообще нецелесообразным.Выигрыш надежности машин с резервированием по сравнению с отсутствием резервирования тем выше, чем меньше время ее непрерывной работы (с резервированием) и чем более надежная система резервируется. Это – основное противоречие всякого резервирования.

Рисунок 1.13 – Выигрыш во времени надежности системы для различных способов резервирования

В-третьих, выигрыш надежности по интенсивности отказов качественно не отличается от . Поэтому свойства резервированных систем, если их надежность оценивать интенсивностью отказов, будут теми же, что и при оценке надежности вероятностью отказов.

В-четвертых, среднее время безотказной работы при резервировании с дробной кратностью и нескользящем резерве может быть меньше, чем среднее время безотказной работы машины при отсутствии резервирования. Это имеет место при условии, если число резервных систем меньше числа основных.

С ростом кратности резервирования выигрыш надежности по среднему времени безотказной работы растет, причем скорость роста существенно убывает с ростом кратности резервирования. Это свойство также присуще общему и поэлементному резервированию с постоянно включенным резервом.

При резервировании замещением и идеальных переключателях выигрыш . растет с ростом кратности резервирования линейно при общем резервировании, а при раздельном (поэлементном) или скользящем – быстрее. Реализация резервирования замещением требует применения переключателей. Наличие переключателей существенно снижает скорость роста выигрыша .

Существующие в настоящее время переключатели имеют настолько низкую надежность, что во многих случаях увеличение кратности резервирования замещением приводит к уменьшению скорости роста выигрыша .

Из сказанного вытекает, что значительное увеличение кратности резервирования (веса, габаритов и стоимости машин) приводит к менее значительному увеличению среднего времени безотказной работы (рисунок 1.14).

1 – общее постоянное резервирование; 2 – поэлементное постоянное; 3 – общее замещением; 4 – поэлементное замещением; 5 – с дробной кратностью

Рисунок 1.14 – Надежность по среднему времени безотказной работы по кратности резервирования

Это второе основное противоречие всякого резервирования. Оно ограничивает его применение для повышения надежности сложных автоматических систем, предназначенных для длительной непрерывной работы.

В-пятых, с увеличением времени непрерывной работы машин с резервированием их коэффициент технического использования падает. Поскольку при равных условиях эксплуатации среднее время восстановления машины с резервированием может превышать среднее время восстановления без резервирования. Это может быть при длительной эксплуатации машин с высокой кратностью резервирования.

С ростом кратности резервирования среднее время безотказной работы растет медленнее, чем растет сложность системы. Поэтому среднее время восстановления может увеличиться в большее число раз, чем среднее время безотказной работы . Резервирование увеличивает готовность системы к действию лишь при определенных ограничивающих условиях.

Отмеченные свойства резервирования позволяют сделать следующие выводы:

- резервирование как средство повышения надежности наиболее целесообразно применять для повышения надежности технических объектов, предназначенных для короткого времени непрерывной работы. При длительном времени работы оборудования, требуется высокая кратность резервирования, что приводит к увеличению его веса, габаритов или стоимости;

- повышение надежности оборудования путем резервирования отдельных его элементов приводит к ухудшению таких его характеристик, как веса, габаритов, стоимости, усложнения условий эксплуатации (увеличение частоты проверок, числа запасных элементов, узлов и отдельных приборов и т. п.).

Уменьшение интенсивности отказов системы

Упрощение системы. Одной из главных причин возникновения проблемы надежности является исключительная сложность современных машин. Уменьшение сложности может существенно повысить их надежности.

Рисунок 1.15 – Зависимость вероятности безотказной работы аппарата от числа элементов и вероятности их безотказной работы

На рисунке 1.15 приведены зависимости вероятности безотказной работы машин от числа элементов и вероятность их безотказной работы для случая экспоненциального закона надежности. Из рисунка видно, что упрощение системы может позволить существенно повысить надежность. Этот эффект тем больше, чем ниже надежность элементов и чем сложнее оборудование.

Создание простых конструкций является одной из наиболее трудных технических задач. Трудность состоит в том, что упрощение конструкции дает ощутимый эффект лишь при значительном уменьшении числа элементов. Между тем их существенное упрощение в большинстве случаев не позволяет обеспечить нужное качество продукции в сочетании с высокой производительностью и безопасностью производства.

Это может привести к ошибочному выводу, что упрощение конструкции является малоэффективным способом повышения надежности. Упрощение является единственным методом повышения надежности при одновременном уменьшении веса.

Уменьшение веса может быть косвенным источником повышения надежности оборудования, так как высвободившийся за счет рационального проектирования вес может быть использован в качестве резерва надежности. Это обстоятельство позволяет заключить, что упрощение конструкции объекта техники является весьма эффективным, но достаточно трудно реализуемым методом повышения надежности.

При практическом осуществлении данного метода возникает задача о минимально необходимом числе элементов для реализации системы. Эта задача в настоящее время определенного процедурного решения не имеет.

Например, можно говорить о ее частичном решении при проектировании гидравлических сетей. Теория, основанная на алгебре логики, позволяет спроектировать гидравлическую сеть с минимально необходимым числом элементов переключения и длинной (количеством) труб.

Выбор наиболее надежных элементов. Эффект увеличения надежности машин за счет повышения надежности элементов тем значительней, чем сложнее конструкция. Казалось бы, при проектировании машины, как сложной системы, всегда необходимо стремиться выбрать наиболее надежные элементы.

Чем выше надежность элемента, тем он часто имеет больший вес, габариты и стоимость. Поэтому выбирать тот или иной элемент конструкции необходимо на основании анализа технических требований на надежность и предварительного расчета надежности машины в целом.

Предъявляемые требования таковы, что при данном числе элементов и при данных условиях работы машины удовлетворить их можно, выбирая не самые надежные элементы. При этом можно сэкономить в весе машины, габаритах и стоимости.

Облегчение режимов работы элементов. Улучшить условия работы элементов можно:

- во-первых, уменьшая вредное влияние окружающей среды и внешних воздействий. Уменьшить вредное влияние окружающей среды и внешних воздействий можно, защитив оборудование от коррозионного воздействия и уменьшив внешние силовые воздействия, т.е. демпфируя его основные элементы;

- во-вторых, облегчая энергетические режимы работы. Облегчить энергетические режимы работы элементов можно понижением коэффициентов запаса прочности и уменьшением температуры окружающей среды.

Облегчение работы машины означает, что имеются элементы конструкции (детали), имеющие определенный запас по прочности, (виброустойчивости, жесткости).

Замена одних элементов другими, рассчитанными на большие нагрузки, не обязательно приводит к повышению надежности. Элементы, рассчитанные на большую нагрузку, могут быть сами по себе менее надежными.

Разумно выбрать типы элементов конструкции и режимы их работы можно лишь при наличии для них зависимостей интенсивности отказов от коэффициента запаса прочности. При проектировании эту задачу можно решить на основании анализа надежности машины в целом. Выбирая за основной критерий качества машины вероятность безотказной работы, задачу о выборе режимов работы элементов конструкции можно сформулировать следующим образом.

Задано численное значение вероятности безотказной работы машины, и известна ее принципиальная конструктивная схема, т. е. тип и число элементов конструкции, способ их соединения. Требуется выбрать режимы такие их работы, при которых вероятность безотказной работы машины была не ниже заданного значения.

Надежность машины в целом определяется либо наиболее многочисленные элементами конструкции, либо наименее надежными, и режимы ее работы лучше подбирать для одного из двух типов элементов.

Интенсивность отказов зависит от температуры окружающей среды, коэффициент запаса прочности, частота и амплитуда вибрации, влажности давления.

При выборе элементов конструкции решающее значение имеет коэффициент запаса прочности и температура окружающей среды. Они определяют габаритные размеры элементов конструкции в зависимости от величины внешней нагрузки.

Амплитуды и частоты вибраций, влажность и давление влияют не столько на выбор типа элементов конструкции, сколько на саму конструкцию оборудования. Поэтому при разработке машины наиболее важным является выбор рабочей температуры (иногда давления) и коэффициента запаса прочности для отдельных ее элементов конструкции.

Отбраковка малонадежных элементов. Интенсивность отказов системы на начальном участке времени ее работы значительно выше, чем на участке нормальной работы. Это объясняется тем, что при изготовлении машины могут попасть элементы конструкции с внутренними производственными или другими дефектами.

Подобные дефекты часто не удается выявить при обычных методах испытания в течение сравнительно короткого времени работы машины. Отбраковать ненадежные элементы можно путем их тщательной проверки при тяжелых условиях их работы. Утяжелять условия работы наиболее удобно, увеличивая либо нагрузки, либо температуру окружающей среды. Возникают два вопроса – как долго необходимо испытывать элементы, и при каких нагрузках (температуре окружающей среды).

Рисунок 1.16 – Зависимость интенсивности отказов от времени при различных коэффициентах нагрузок

Выбрать режим выхода элементов конструкции из строя можно на основании анализа зависимости интенсивности отказов от времени. Эти кривые для большинства элементов конструкции имеют вид такой, как показано на рис. 4.5. С увеличением нагрузки (или при увеличении температуры окружающей среды) кривая смещается вверх и влево. Участок, где интенсивность отказов постоянна, сокращается, а начало этого участка смещается влево. Вывести элементы конструкции их строя можно, когда имеется участок, для которого .

Для установления численных значений коэффициента запаса прочности и времени выхода из строя необходимо провести испытание элементов конструкции при различных нагрузках и на основании статистических данных об отказах построить кривые . По этим кривым можно установить время выхода из строя и коэффициент запаса прочности.

Дополнительно необходимо проанализировать, как сохраняются основные параметры элементов конструкции при различных режимах эксплуатации. Если интенсивность отказов на основании статистических данных об отказах сохраняет постоянную величину, а параметры элемента конструкции уходят за допустимые пределы, то такой режим эксплуатации является вредным.

Создание схем с ограниченными последствиями отказов элементов конструкции. Отказы элементов конструкции сложной машины не равноценны. Одни отказы приводят к потере работоспособности, другие лишь ухудшают характеристики машины, третьи нарушают контроль человека за ее работой.

Конструкция машины не должна строиться по принципу: равносложные ее части должны иметь равную надежность Различные последствия отказов требуют учета их значимости по степени опасности последствия. Та часть машины, отказ которой приводит к тяжелым последствиям, должна быть более надежной. С позиций надежности каждому элементу, узлу должен быть приписан определенный вес.

Проектировать машины с ограниченными последствиями отказов необходимо так, чтобы отказ элементов не приводил к потере ее работоспособности или разрушению, а, в крайнем случае, лишь к ухудшению ее характеристик.

Стандартизация и унификация элементов и узлов. Унифицированные и стандартизованные узлы всегда наиболее надежны. Это объясняется тем, что такие узлы, доведены до совершенства на основании богатого опыта эксплуатации, и:

- сами по себе наиболее надежны,

- они значительно облегчают построение машин высокой надежности,

- позволяют применять скользящее резервирование

- удешевляют и убыстряют разработку и изготовление оборудования,

- облегчают и удешевляют его эксплуатацию.

Стандартизация и унификация узлов могут существенно уменьшить время, потребное на отыскание и устранение неисправностей. Данный метод повышения надежности позволяет не только уменьшить интенсивность отказов, но также уменьшить среднее время восстановления, а значит, улучшить коэффициент технического использования оборудования.

Совершенствование технологии производства и его автоматизация обеспечивают высокую однородность продукции. Это повышает ее надежность и уменьшает дисперсию времени возникновения отказов.

Большая интенсивность отказов вначале эксплуатации машины объясняется скрытыми дефектами ее элементов. При ручном производстве таких элементов значительно больше, чем при полной автоматизации производства.

Статистический контроль качества, проводимый на производстве непрерывно, позволяет выявить эти причины, повлиять должным образом на технологический процесс и отбраковать дефектную продукцию. Этим самым он позволяет добиться высокой надежности и однородности продукции.

Профилактические мероприятия, проводимые при эксплуатации оборудования и направленные на предупреждение отказов, позволяют выявить слабые элементы и узлы, устранить их дефекты до появления полного отказа и тем самым уменьшить интенсивность отказов машины. При эксплуатации надежность расходуется. При проведении же профилактических мероприятий она может восстанавливаться.

Итог. Выигрыш надежности по среднему времени безотказной работы, растет пропорционально коэффициенту уменьшения интенсивности отказов. Это выгодно отличает данный метод повышения надежности по сравнению с резервированием.

Сокращение времени непрерывной работы

Надежность, как свойство машины, проявляется в эксплуатации. При ее работе надежность теряется. Чем больше суммарное время работы, тем ниже становится надежность. Уменьшая суммарное время работы системы, можно увеличить время ее существования в исправном состоянии.

Сокращение времени непрерывной работы не является методом повышения надежности, так как повысить надежность варьированием времени не представляется возможным. Этот способ позволяет лишь разумно расходовать надежность.

Сократить время непрерывной работы машины можно при периодическом или циклическом способе ведения технологического процесса, когда нет необходимости ее включать в момент простоя. Примером подобных ХТА может быть оборудование для проведения периодического центрифугирования, фильтрации сушки капиллярных продуктов (леса).

Сохранить надежность путем сокращения времени непрерывной работы можно лишь в том случае, если число включений и выключении мало, т. е. если машина работает сравнительно с большой скважностью.

При частом включении и выключении переходные процессы могут оказать настолько сильное вредное влияние, что дискретная работа машины станет нецелесообразной. При этом возникают дополнительные нагрузки и потери энергии. Энергия идет на нагрев элементов конструкции, что снижает надежность всей машины.

Сокращение времени непрерывной работы эквивалентно уменьшению в то же число раз интенсивности отказов системы. Особенно большой эффект дает сокращение времени непрерывной работы резервированной системы (рисунок 1.17).

На этом рисунке изображены зависимости вероятности безотказной работы машины от времени с резервированием 1 и без резервирования 2. При большом времени эксплуатации равном вероятности безотказной работы отличаются незначительно и выигрыш надежности очень мал.

Если уменьшить время непрерывной работы системы вдвое ( ), то вероятность безотказной работы машины с резервированием будет значительно выше вероятности его безотказной работы без резервирования. Выигрыш надежности будет значительным. Подобный эффект можно было бы предсказать, помня об основном противоречии резервирования – выигрыш надежности резервированной системы тем выше, чем меньше время непрерывной ее работы.

1 – резервированной системы; 2 – нерезервированной систем

Рисунок 1.17 – Повышение вероятности безотказной работы при сокращении времени непрерывной эксплуатации

Уменьшение среднего времени восстановления

Время восстановления не влияет на основные количественные характеристики надежности. Оно оказывает существенное влияние на коэффициент технического использования – коэффициент готовности, коэффициент вынужденного простоя, коэффициент профилактики и частоты профилактики. Уменьшая время восстановления, можно увеличить готовность системы к действию в любой момент времени, уменьшить ее простой и тем самым повысить эффективность ее действия.

Уменьшить среднее время восстановления можно, уменьшая число отказов и сокращая время, потребное на ремонт системы. Уменьшить число отказов можно путем повышения надежности оборудования. Уменьшением интенсивности отказов машины, сокращением времени непрерывной работы, применением резервирования. Достигается это, во-первых, путем рационального его конструирования (встроенный контроль, блочная конструкция и т. п.) и, во-вторых, используя научные методы эксплуатации.

Предложенные в настоящем разделе методы повышения надежности позволяют конструировать сложные высоконадежные автоматические системы – машины. Выбор того или иного метода определяется свойствами проектируемого аппарата. Весьма часто не удается сконструировать высоконадежный объект техники, применяя один, хотя и самый эффективный метод повышения надежности. Необходимо рациональное сочетание рассмотренных методов, которое должно основываться на добротных математических методах расчета надежности.

Перечисленные методы повышения надежности не являются обязательными для любого оборудования. Одни методы могут быть использованы для повышения надежности машин одного класса, другие – для другого. Все зависит от их целевого назначения и условий эксплуатации.