26. Назначенный ресурс проектируемого объекта

Это суммарная наработка, при достижении которой эксплуатация должна быть прекращена независимо от его состояния. (Бурильные трубы после определенной наработки д.б сняты с эксплуатации.)

Проектировании оборудования должно обеспечить заданные требования надежности.

На первом этапе – предварительный анализ различных вариантов конструкции. На втором этапе – разработка рабочего проекта конструкции, анализ надежности выбранного варианта.

На третьем этапе – испытание опытных образцов и сравнительный анализ с данными второго этапа.

Для оценки эффективности проектируемого объекта выбирают эталон и определяют вероятность отклонения надежности от эталонного.

Количественная оценка надежности – мера способности объекта выполнять поставленную задачу (в %, или как отношение числа объектов выполнивших свою задачу к общему числу объектов взятых для наблюдения).

30. Надежность систем с параллельным соединением элементов. Структурное резервирование элементов систем

К системам с параллельной структурой относятся такие, в которых отказ всей системы происходит в случае, когда отказали все элементы системы или определенное число элементов. В системах с параллельной структурой используется принцип структурного резервирования элементов систем. Рассмотрим различные варианты реализации этого принципа.

Постоянное (нагруженное, "горячее") резервирование элементов систем При постоянном резервировании (рис. 6.4) резервные элементы постоянно присоединены к основному и с самого начала работы системы подвергаются опасности отказа.

Структурные формулы для безотказной работы и отказа для такой системы имеют вид:

;

.

. На основании структурной формулы отказа с использованием формулы умножения вероятностей независимых в совокупности случайных событий, вероятность отказа системы в рассматриваемый момент времени t составит:

. .

Вероятность безотказной работы системы

(6.2)

Если все элементы системы одинаковы и отказы только внезапные, т е. , то вероятность безотказной работы системы .

Функция плотности распределения наработки до отказа системы .

. Интенсивность отказов системы .

. Из последней формулы следует, что интенсивность отказов в начальный момент времени (наработки) l (0) = 0 при n ³ 2, т.е. безотказность параллельных систем при малой наработке весьма высока.

Резервирование замещением (ненагруженное, динамическое, "холодное") При резервировании замещением резервные элементы находятся в отключенном состоянии и не подвергаются опасности отказа до момента включения, наступающего при отказе основного (предшествующего резервного) элемента. В этом случае необходимо специальное контролирующее и переключающее устройство, служащее для обнаружения отказа и включения очередного резервного элемента. Рассмотрим систему с резервированием замещением, состоящую из основного и одного резервного элементов (рис.6.5). Отказы считаем внезапными, наработка до отказа элементов распределена по экспоненциальному закону. Вероятности безотказной работы элементов:

,

, где i = 1, 2 - номера элементов; q i - наработка до отказа i-го элемента.

Функции плотности распределения наработки до отказа элементов:

. (6.3)

Функция плотности распределения наработки до отказа системы из двух элементов f(t) является сверткой функций f1(t) и f2(t). Рассмотрим два случая: а) интенсивности отказов основного и резервного элементов различны l 1 ¹ l 2

.

Вероятность безотказной работы системы (6.4)

Средняя наработка до отказа системы

; б) основной и резервный элементы имеют одинаковую интенсивность отказов l 1 = l 2 = l

. Вероятность безотказной работы системы из двух одинаковых элементов

. (6.5)

Обобщение последней формулы для системы из n одинаковых элементов, полученное применением (n-1)-кратной свертки функции плотности распределения (6.3), имеет вид

. (6.6)

Средняя наработка до отказа системы из n одинаковых элементов .

Если необходимо учесть влияние отказов контролирующего и переключающего устройства на надежность системы с замещением элементов, правые части формул (6.4)-(6.6) должны быть умножены на функцию надежности этого устройства. В табл. 6.1 приведены расчетные данные сравнительной оценки эффективности способов постоянного резервирования и резервирования замещением (элементы одинаковы). Сравнение этих данных показывает, что резервирование замещением является более эффективным способом повышения безотказности элементов систем, чем постоянное резервирование, причем относительное увеличение вероятности безотказной работы особенно велико при больших значениях наработки. Таблица 6.1 Сравнительная оценка эффективности способов постоянного резервирования и резервирования замещением Вероятность безотказной работы один элемент постоянное резервирование резервирование замещением Наработка t

0,5t1* 0,60653 0,84518 0,90980

t1 0,36788 0,60042 0,73576

2t1 0,13534 0,25235 0,40601

3t1 0,04979 0,09710 0,19915 * t1 = 1/l - средняя наработка до отказа одного элемента Облегченный резерв При облегченном резерве резервные элементы до момента включения находятся в облегченном режиме работы, характеризуемом пониженным значением

интенсивности отказов. Для случая, когда все элементы (основной и резервные) одинаковы, и отказы имеют внезапный характер (наработка до отказа элементов распределена по экспоненциальному закону), акад. Гнеденко Б.В. /17/ получена приближенная формула, справедливая при высоких значениях вероятности безотказной работы (малых l t):

, (6.7)

где l - интенсивность отказов в рабочем режиме; l 1 - интенсивность отказов в облегченном режиме (l 1 < l ).

Частичное резервирование (системы "r из n") Частным случаем параллельной системы является система из n параллельно соединенных элементов, которая отказывает при числе отказавших элементов, большем или равном r. Если в такой системе все элементы одинаковы, т.е. вероятность безотказной работы элемента в течение некоторой наработки t и вероятность отказа для всех i=1, 2,:, n, то для расчета вероятностей событий можно применить схему Бернулли (биноминальное распределение) /21/. Тогда вероятность того, что в течение наработки t в системе будет k отказов (или (n - k) работоспособных элементов) составит ,

где - число сочетаний из n элементов по k. Вероятность безотказной работы системы:

. (6.8)

Мажоритарное резервирование Разновидностью структурного резервирования является мажоритарное резервирование (с использованием "голосования"). Этот способ применяется в системах управления и линиях передачи данных; он основан на использовании дополнительного элемента - мажоритарного или кворум-элемента. Этот

элемент производит сравнение сигналов от параллельно включенных элементов, выполняющих одну и ту же функцию, и передает на выход системы сигнал, поступающий от большинства элементов (рис. 6.6).

Главное достоинство этого способа резервирования - обеспечение надежности при любых видах отказов. Например, при отсутствии кворум-элемента и отказах типа "обрыв" (на выходе отказавшего информационно-логического устройства постоянно сигнал равен 0) постоянное резервирование повышает надежность системы, а при отказах типа "замыкание" (на выходе отказавшего информационно-логического устройства постоянно сигнал равен 1) надежность систем с параллельно подключенными элементами наоборот ниже, чем у одного устройства без резерва, и опасность отказа возрастает. Подключение кворумэлемента устраняет эту опасность, так как обеспечивает правильную передачу сигнала с входа на выход при отказе любого вида одного устройства из трех.

12. Качество проектирования и разработки продукции обеспечивается установлением и стандартизацией его основных этапов, назначением должностных лиц, ответственных за их надлежащее выполнение, выделением соответствующих ресурсов, организацией эффективного взаимодействия участников работы и оценкой проекта на всех этапах его создания. Конструктор, приступая к проекту, должен определить основные технико-экономические параметры проектируемого изделия, исходя из сметы затрат на разработку и структуры затрат по этапам внедрения, выявить объем услуг обслуживания, рассчитать прибыль. Проектирование осуществляется на основе единого плана, включающего в себя обеспечение работ всеми необходимыми техническими средствами, составления календарного графика работ и определения критериев оценки проекта по критериям качества и экономическим показателям. По завершении каждого этапа разработки проекта проводится документированный анализ результатов проектирования, в ходе которого выявляются и прогнозируются проблемы качества, требующие соответствующего решения. При этом учитываются следующие факторы, относящиеся:

ƒ к требованиям потребителя и их удовлетворению (работоспособность конструкции в предполагаемых условиях эксплуатации, случаи непреднамеренного и неправильного использования, безопасность и экологичность и др.);

ƒ техническому описанию конструкции:

− безотказность,

− работоспособность,

− пригодность к монтажу,

− ремонтопригодность,

− внешний вид,

− требования к этикетированию и др.;

ƒ технологическим требованиям:

− рациональная компоновка,

− удобное для сборки, ремонта и демонтажа членение изделия,

− выбор материала с учетом более экономного по энергетическим затратам формообразования,

− возможность механизации и автоматизации технологического процесса изготовления деталей, узлов и агрегатов,

− возможность проведения технического контроля и испытаний, − требования к комплектующим, упаковке, погрузо-разгрузочным работам и др. Разработанная конструкция должна содержать анализ, подтверждающий ее безопасность и экологичность на основе представления объективных доказательств того, что выходные

данные по всем стадиям проектирования соответствуют входным требованиям ко всему проекту. Для проверки проекта конструктор может использовать:

ƒ альтернативные расчеты, подтверждающие правильность принятых решений (на прочность, устойчивость и др.);

ƒ результаты испытаний аналогичных узлов или агрегатов проверки (например, на испытательных стендах);

ƒ данные экспертной оценки аналогичной конструкции, обеспечивающие подтверждение правильности проведенных расчетов или других работ по проектированию.

В процессе проектирования проект должен периодически рассматриваться и оцениваться. Объективность оценки обеспечивается при помощи таких аналитических методов, как анализ:

ƒ надежности и безотказности;

ƒ безопасности на основе анализа диагностического дерева отказов;

ƒ риска отказов.

Особое место при оценке проекта занимают испытания опытных или серийных образцов продукции. Объем и характер таких испытаний обусловливаются допустимыми рисками. Проведение испытаний, как правило, включает:

ƒ оценку рабочих характеристик и надежности электроустановки в предполагаемых условиях ее хранения и эксплуатации;

ƒ контрольные проверки для подтверждения того, что все особенности проекта электроустановки соответствуют установленным требованиям потребителя;

ƒ утверждение правил расчетов и их программного обеспечения. Результаты всех испытаний и оценки подлежат обязательному документированию. Проект оценивается на всех стадиях, начиная с составления технического задания и кончая выпуском опытной партии. Так, например, на стадии эскизного проекта в качестве критериев оценки могут использоваться [4]:

ƒ оригинальность вариантов и принципов построения конструкции и ее частей; ƒ обеспечение требуемой надежности изделия;

ƒ соответствие экономических данных проекта изделия требованиям технического задания;

ƒ соответствие: − уровня унификации и стандартизации конструкции регламентированным нормам, − материалов, полуфабрикатов и элементов, разрешенных к применению, − результатов испытаний требованиям технического задания;

ƒ качество изготовления макетов;

ƒ соблюдение метрологических требований. Важно отметить, что при оценке проекта на различных стадиях довольно часто возникает необходимость в использовании экспертных методов. Процедуры и правила их применения должны регламентироваться в соответствующих документах.

Результатом окончания проекта является комплект документов, устанавливающий степень его готовности к реализации. При этом оцениваются:

ƒ технологичность и технические возможности изготовления спроектированного изделия;

ƒ наличие и достаточность инструкций по монтажу, эксплуатации, техническому обслуживанию и ремонту изделия;

ƒ разработанная: − тара (если это предусматривается условиями транспортировки и хранения) или упаковки, − этикетка по условию экологичности и безопасности изделия; ƒ выработка условий физического состояния в ходе хранения и транспортировки.