16.4.Порядок расчета надежности коэффициентным методом

1.Определяются количественные значения параметров, которые характеризуют нормальную работу устройства, устанавливаются также допустимые отклонения этих параметров. Работа устройства в пределах этих допусков соответствует работоспособному состоянию, а выход за них соответствует отказу.

2.Составляется поэлементная принципиальная схема устройства, определяющая соединение элементов при выполнении ими заданных функций. При составлении этой схемы ряд вспомогательных элементов (сигнальные элементы, регистрирующие приборы, звонки и т.п.) могут быть опущены.

3.Определяются исходные данные для расчета надежности:

-тип, количество и номинальные данные используемых элементов;

- режимы работы элементов;

- температура окружающей среды в мете работы элементов;

- номинальные коэффициенты надежности элементов;

- коэффициент использования элемента во времени;

- период времени Т_з, для которого рассчитывается надежность;

- условия эксплуатации устройства;

- выбирается базовый элемент и определяется λ_б.

Далее по формулам (408) и (409), используя справочные данные по поправочным коэффициентам а₁-а₄ рассчитываются коэффициенты надежности элементов устройства, а затем его узлов и блоков. После этого определяются основные показатели надежности устройства. При логически последовательном (основном) соединении элементов, узлов и блоков вероятность безотказной работы устройства определяется по формуле (410):

(410)

где N_i - число однотипных элементов i-ой группы элементов в устройстве;

n - число элементов в устройстве, имеющих логически последовательное соединение.

Наработка до отказа устройства

(411)

Если в схеме устройства имеются участки с логически параллельным соединением элементов (блоков), например, резервирование, то сначала производится расчет показателей надежности отдельно для этих элементов, а затем устройства в целом.

Найденные показатели надежности сравниваются с требуемыми по техническому заданию показателями. Если они не соответствуют требованиям технического задания, то необходимо принять меры к повышению надежности устройства.

Пример расчета основных показателей надежности коэффициентным методом

Выполним расчет основных показателей надежности безредукторного электропривода вентилятора, включающего в себя следующие элементы:

- асинхронный электродвигатель АД;

- магнитный пускатель КМ с встроенным тепловым реле КК;

- выключатель напряжения QF;

- предохранители FA;

- кнопки управления SB1 и SB2.

Электропривод работает в закрытом помещении с повышенной запыленностью при температуре окружающей среды t=50^оС в длительном режиме.

Для расчета в соответствии с вышеизложенной методикой

принимаем интенсивность отказов базового элемента

равной λ_б =0,3·10^-7 1/час.

Наличие повышенной запыленности помещения учтем коэффициентом

К=2,5. Таким образом, интенсивность отказа базового элемента составит

λ′_б =λ_б·К =0,3·10^-7·2,5=0,75·10^-7 1/час .

При расчете принимаем последовательную схему.

Расчет показателей надежности необходимо вести с использованием

коэффициентов надежности всех деталей и узлов схемы.

Результаты расчета сведем в табл. 24.

Принятые в табл.24 обозначения:

- М - двигатель;

- КМ_{ц. к} - цепь катушки контактора КМ;

- КМ_{к. с} - цепь контактной системы контактора КМ;

- КК_{ц. к} - цепь катушек теплового реле КК;

- КК _{к. с} - цепь контактной системы теплового реле КК .

- QF - выключатель напряжения;

- SB1 - цепь кнопки «пуск»;

- SB2 - цепь кнопки «стоп»;

- FA - цепь предохранителей.

Таблица 23. Принятые в табл.24 обозначения коэффициентов

ki - коэффициент надежности элемента

kio - коэффициент надежности элементов цепи катушек контактора и реле

kiк - коэффициент надежности элементов контактной группы контактора и реле

kн –коэффициент электрической нагрузки

а1 - коэффициент, учитывающий отклонение температуры и нагрузки относительно номинальной

a2 - коэффициент, учитывающий отклонение температуры окружающей среды

a3 - коэффициент, учитывающий снижение нагрузки относительно номинального значения

a4 - коэффициент, учитывающий время работы элемента по отношению к времени работы устройства

k′i - коэффициент надежности с учетом электрической нагрузки и температуры окружающей среды

N-число элементов в группе

Ni·k′i-суммарный коэффициент надежности элементов группы (узла) с учетом электрической нагрузки и температуры окружающей среды

Таблица 24. Сводные данные расчета надежности электропривода вентилятора коэффициентным методом

Элементы	М	КМц. к	КМк. с	ККц. к	ККк. с	QF	SB1	SB2	FA
ki	252	-	-	-	-	4,6	5	5	25
kio	-	20	-	10	-	-	-	-	-
kiк	-	-	25	-	17,8	-	-	-	-
kн	0,85	0,6	-	0,6	-	0,6	0,8	0,6	0,6
а1	3,5	-	-	-	-	-	-	-	1
a2	1,0	-	-	-	-	-	-	-	1
a3	0,8	0,52	-	0,52	-	-	-	-	0,52
a4	4,4	-	4,4	-	4,2	4,4	0,3	4,2	4,2
k′i	3105	10	110	5	75	20	2	21	55
N	1	1	1	2	2	1	1	1	3
Ni·k′i	3105	10	110	10	150	20	2	21	165

Просуммируем нижнюю строку табл. 24 получим ∑N_i·k′_i =3612

Определим наработку до отказа за время Т_з=5000 часов.

Т_о=1/(λ′_б · ∑N_i·k′_i) =1/(0,75· 10^-7 · 3612)= 3691часов.

Вероятность безотказной работы электропривода на интервале времени Т_з=5000 часов составит Р (Т_з):

Р (Т_з)=ехр [-λ′_б ·Т_з· ∑N_i·k′_i)] = ехр[-0,75·10^-7 ·5000·3612]=0,26.

Анализируя полученный результат, можно сделать вывод о низкой надежности рассмотренной схемы электропривода. Рассмотрим основные пути повышения надежности устройства на стадии проектирования.

Основное средство повышения надежности устройства на стадии проектирования заключается в введении различного вида избыточности, под которой подразумевают введение дополнительных средств и возможностей, превышающих минимально необходимые для выполнения заданных функций. Избыточность может быть внутриэлементной, структурной и временной.

Внутриэлементная избыточность предусматривает снижение электрических нагрузок на элементах схемы. При этом применяют элементы на более высокие напряжения, токи, (мощность и т.д.), чем те, которые получились в результате электрического (или электромагнитного) расчета устройства.

Структурная избыточность, называемая также резервированием, является эффективным средством повышения надежности. При этом в схему включают дополнительные резервные элементы, блоки и устройства, что позволяет создавать даже из не очень надежных компонент надежные системы, например, электроприводы.

Важно отметить, что включение в схему разрабатываемой системы дополнительных элементов, блоков и устройств увеличивает массу, габариты и стоимость изделия, поэтому применение этого способа должно быть экономически обосновано.

Приведем рекомендуемые значения внутриэлементной избыточности для полупроводниковых элементов, конденсаторов, резисторов, электродвигателей, трансформаторов, реле, переключателей и ряда других элементов, применяемых в электрических приводах (см. табл.25).

Таблица 25. Контролируемые параметры и рекомендуемые коэффициенты нагрузки электроэлементов в аппаратуре кратковременного и длительного действия

Г р у п п а	Наименование электро-элемента	Контролируемые параме-тры	Контролиру-емые режимы и их характеристики	Формулы для вычи-сления коэфф. нагрузки, Кн=	Рекомендуемые коэфф. нагрузки
					Кратко-времен-ное дей-ствие	Длите-льное дей-ствие
1	2	3	4	5	6	7
1	Полупроводниковые диоды	Iвыпр. ср	Среднее значение тока по отношению к номиналь-ному поТУ	Iв.ср.раб/ Iв.ср.поТУ	≤0,7	≤0,5
		Uобр	Обратное напряжение по отношению к номинальному поТУ	=Uобр. раб/ Uобр.ТУ	≤0,7	≤0,5
2	Транзисто-ры	Iколл	Ток коллектора по отношению к номинальному по ТУ	=Iк. раб/ Iк.по ТУ	≤0,5	≤0,5
		Рк	Мощность потерь транзистора по отношению к номин. поТУ	=Рк. раб/ Рк. по ТУ	≤0,5	≤0,5
		Uкэ	Рабочее напря-жение коллек-тор-эмиттер по отношению к номинальному по ТУ	=Uкэ раб/ Uкэ поТУ	≤0,7	≤0,5
3	Электродв-игатели, ге-нераторы, электрома-	Uя	Напряжение якоря по отношению к номинальному по ТУ	=Uя. раб/ Uя. поТУ	0,9-1,0	0,9-1,0
		Iя	Ток якоря по отношению к номинальному по ТУ	=Iя. раб. поТУ	≤1,0	≤0,9
		Uв	Напряжение возбуждения по отношению к номинальному по ТУ	=Uв. раб/ Uв по ТУ	0,9-1,0	0,9-1,0
4	Конденсаторы постоянной емкости всех типов	Uпр	Напряжение приведенное (сумма постоянной и переменной составляющих) по отношению к номиналь-ному поТУ	=Uпр. раб/ Uпр. поТУ	≤0,7	≤0,8
5	Резисторы непроволочные типа МТ	Pрасс	Мощность рассеяния по отношению к номинальной по ТУ	Ррасс. раб/ Ррасс. поТУ	≤0,8	≤0,7
	Непроволо-чные типа МЛТ, УЛИ КЛВ, СПО,				≤0,6	≤0,5
	Непроволо-чные типа ОВС, СП, УЛМ				≤0,4	≤0,3
	Проволоч-ные всех типов				≤0,5	≤0,4
6	Трансформаторы силовые, импульс-ные	Iнг	Ток нагрузки рабочий по отношению к номинальному по ТУ	=Iнг. раб/ Iнг. поТУ	≤0,9	≤0,7
		j	Плотность тока в обмотках трансформато-ра по отноше-нию к плотно-сти тока обмоток по ТУ	jоб.раб/ jоб. по ТУ	≤0,9	≤0,8
	Катушки индуктив-ности и дроссели	j	Плотность тока в обмотке по отношению к плотности по ТУ	jоб.раб/ jоб. по ТУ	≤0,9	≤0,8
7	Реле и переключа-ющие устройства	Iконт	Ток через контакты по отношению к номинальному поТУ	Iконт.раб/ Iконт.поТУ	0,7	0,5
		Uперекл. цепи	Напряжение переключаемой цепи по отношению к номинальному по ТУ	Uперек.раб /Uперек. поТУ	0,8	0,6
8	Механиче-ские переключа-ющие и соедините-льные устройства (пакетные перекл. тумблеры, кнопочные, разъемы, вилки, розетки)	Iконт	Ток через контакты по отношению к номинальному по ТУ	Iконт.раб/ Iконт.поТУ	0,8	0,5
9	Монтаж-ные элементы (панели, платы, клеммы)	Iконт	Ток через контакт по отношению к номинальному по ТУ	=Iконт.раб/ Iконт.поТУ	0,8	0,8
		Uконт	Напряжение между соседни-ми контактами по отношению к номиналь-ному поТУ	=Uконт. раб/ Uконт.поТУ	0,7	0,7
10	Провода	j	Плотность тока		≤08А/ мм2	≤08А/ мм2
		Количес-тво прово-дов	Полусумма всех рабочих контактов плюс 25% от нее	5/8 коли-чество рабочих контактов	-	-
11	Пайки	Количе-ство паек	Удвоенное количество проводов	Удвоен-ное количе- ство проводов

Вопросы для самоконтроля

1.Сформулируйте основные определения теории надежности.

2.Приведите кривую интенсивности отказов для трех периодов работы устройства и дайте качественную характеристику каждому из трех периодов.

3.Поясните суть метода расчета надежности ЭП, основанный на использовании абсолютных значений интенсивности отказов всех элементов устройства.

4. Поясните суть коэффициентного метода расчета надежности ЭП.