Учебное пособие 800528

Поэтому закон распределения времени их безотказной работы несколько отличен от распределения времени безотказной работы основных элементов. Время перехода резервных элементов в рабочее состояние больше, чем при нагруженном резерве.

Ненагруженный резерв имеет резервные элементы, практически не несущие нагрузок. Ресурс работы ненагруженного резерва начинает расходоваться только с момента его включения. Время перехода резервных элементов в рабочее состояние наибольшее.

Преимущество резервирования замещением состоит в том, что в большей степени может сохраняться ресурс работы резервных элементов (облегченный и ненагруженный резервы), не изменяются режимы объекта (элементов) при отказах, отпадает необходимость в специальных регулировках при отказах, появляется возможность использовать один резервный элемент для резервирования нескольких однотипных основных элементов.

К недостаткам нужно отнести: необходимость коммутирующего устройства для подключения резерва, дополнительного времени на переключение резерва и выход его на режим.

Включение резервных элементов может осуществляться вручную или автоматически (автоматическое резервирование). Резервирование замещением, при котором группа основных элементов объекта резервируется одним или несколькими резервными элементами, каждый из которых может заменить любой отказавший основной элемент в данной группе называют скользящим резервированием (рис. 3.3).

31

Вероятность наступления отказа всей системы при общем резервировании определяется одновременным отказом основной и m резервных цепей [2].

Вероятность отказа основной цепи

n

Qосн (t) 1 Pi (t);

i 1

для всей системы

m

Qс (t) Qосн (t) qi (t)

j 1

Зная, что Qосн (t) = qj (t), получим

Переходя к вероятности безотказной работы,

где n – количество элементов основной цепи; Рi(t) – вероятность безотказной работы i-го элемента основной цепи; m – количество резервных цепей.

Из формулы (3.1) можно определить необходимое количество резервных цепей для получения заданной вероятности безотказной работы системы при общем резервировании

При экспоненциальном законе надежности, когда

Pi= e −λit , при

n t m 1 t m 1

Pобщ(t) 1 1 e i 1 1 e

33

Если все элементы обладают одинаковой вероятностью безотказной работы р(t), то для обеспечения требуемой надежности число резервных цепей при поэлементном резервировании

Для раздельного резервирования и экспоненциального закона надежности при одинаковой вероятности отказов всех элементов

Из анализа схем построения систем при общем и раздельном (поэлементном) резервировании с учетом выражений (3.1)–(3.6) следует, что раздельное резервирование (в предположении абсолютной надежности устройств переключения резервных элементов) приводит к большому эффекту в повышении надежности системы по сравнению с общим резервированием.

Сравнительную оценку эффективности общего и раздельного резервирования произведем на гипотетическом примере: оценке надежностей системы, у которой все блоки равнодежные. При этом Pi = 0,9; m = 1; n = 3. Для этой системы безотказность работы при общем резервировании (3.1)

35

При раздельном резервировании по формуле (3.4)

Pp(t) 1 (1 Pi)m 1 n 0,97.

Из сравнительной оценки результатов расчета видно, что для нашего случая при раздельном резервировании надежность системы выше приблизительно на половину порядка.

Однако раздельное резервирование в реальных условиях требует гораздо большего количества переключателей и устройств контроля технического состояния и резервных элементов системы. Эти устройства обладают своей ненадежностью, что необходимо учитывать при построении систем со структурной избыточностью.

Всегда следует иметь в виду, что резервирование целесообразно применять в системах, у которых большие последствия отказов (средства управления воздушным движением, зенитно-ракетные комплексы и др.). Построение таких систем требует проведения очень серьезного конструктивного и экономического предварительного анализа. При этом должны учитываться всевозможные тактические задачи, возложенные на систему. Это вызвано тем, что во всех случаях резервирование приводит к росту стоимости, массы габаритов и энергопотребления системы.

3.3. Оптимизация резервирования

Под оптимальным резервированием понимают резервирование, обеспечивающее получение наибольшего эффекта повышения надежности с минимальными затратами

[1].

Под «затратами» понимают факторы, определяющие оптимальность резервирования в зависимости от конкретных требований.

36

Максимальная надежность аппаратуры с раздельным резервированием может быть обеспечена только лишь при некотором оптимальном числе резервирующих элементов, если известна вероятность отказов коммутирующих устройств и кратность резервирования.

Осуществляя оптимизацию резервирования с учетом ограничений по стоимости, весу или габаритам, следует рассматривать два аспекта этой задачи:

1)обеспечение заданной надежности при минимальных затратах на резервирование;

2)обеспечение максимальной надежности при известных допустимых затратах на резервирование.

Реализацию оптимизации системы (объекта) можно представить в виде следующего процесса: в качестве исходной рассматривается система (объект) без резерва, а затем отыскивается участок для резервирования, дающий наилучший результат. Далее отыскивается новый участок резервирования для новой системы (системы с одним зарезервированным участком). Аналогично процесс продолжается до тех пор, пока не будет удовлетворено условие одной из задач.

37

4. ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ НА ЭТАПАХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

4.1. Основные характеристики процесса эксплуатации РЭС

Отдавая должное роли первых двух этапов жизненного цикла техники (конструирование и производство), следует считать, что этап эксплуатации является определяющим при обеспечении требуемого уровня надежности.

Совокупность мероприятий, проводимых в определенной последовательности и протекающих во времени, образует технологический процесс эксплуатации. В этом процессе операции технического контроля состояния объекта, регулирования параметров РЭС, восстановления работоспособности аппаратуры являются важнейшими и впрямую направлены на обеспечение эксплуатационной надежности авиационного радиоэлектронного оборудования. В соответствии с ГОСТ 2412–80 указанный комплекс операций представляет собой систему технического обслуживания (ТО) [3].

При выборе и обосновании методов ТО в качестве основного требования выдвигается необходимость обеспечения безопасности и регулярности полетов при возможно малых эксплуатационных затратах.

Действие множества случайных факторов, дестабилизирующих нормальную работу аппаратуры, приводит к тому, что время наступления отказа РЭС является случайной величиной.

По характеру возникновения отказы РЭС разделяют на внезапные и постепенные. Внезапные отказы в большинстве своем непредсказуемы и вызваны случайными проявлениями скрытых дефектов, различными случайными химикофизическими изменениями в материалах и элементах конструкции РЭС.

38

Постепенные отказы вызваны процессами старения и износа аппаратуры. Накопление постепенных отказов в аппаратуре обусловлено относительно медленными изменениями параметров элементов под влиянием различных нагрузок. Обычно значения изменений возрастают с течением времени, что в конце концов приводит к выходу одного или нескольких параметров за пределы эксплуатационных допусков. Во время эксплуатации возможно такое состояние РЭС, когда ее выходные параметры находятся в пределах допусков, а параметры элементов – за пределами установленных допусков. Такие элементы являются потенциальными источниками отказов и должны быть выявлены при ТО.

Для своевременного предупреждения отказов необходимо знать и количественно описать процессы накопления отказов во времени.

4.2. Изменения параметров в процессе эксплуатации

Знание закономерностей накопления отказов позволяет определить сроки выполнения профилактических работ.

Существуют различные способы количественного описания процессов накопления неисправностей во времени. Основной из них базируется на знании закономерности изменения параметров элементов во время эксплуатации. Поскольку процесс изменения параметров является случайным, задача описания накопления неисправностей сводится к определению времени t1 , t2 ,…, t n пересечения реализаций случайной функции y(t), описывающей изменение параметра, с уровнем допуска на этот параметр yдоп (t) (рисунок).

При решении этой задачи считают, что параметр y(t) в каждый момент времени имеет нормальное распределение с математическим ожиданием y(t) и среднеквадратическим отклонением δy (t), которые, в свою очередь, являются

39

функциями времени. Если известны y(t) и δy(t) в любом сечении по оси времени, то вероятность того, что элемент исправен, равна вероятности того, что значение параметра в данный момент времени превышает уровень допуска yдоп:

Кривая накопления неисправностей

где f (y,t ) – плотность распределения параметра y в момент времени t.

Для определения этих вероятностей необходимо знать математическое ожидание параметра и среднеквадратическое отклонение в каждый момент времени.

При отсутствии полных статистических данных можно пользоваться методом статистической линеаризации случайной функции изменения параметров, который позволяет описать процесс при минимуме статистической информации по результатам измерения параметров в двух достаточно удаленных друг от друга сечениях по оси времени.

Вероятность исправной работы элемента в данный момент времени yi еще не определяет надежность, поскольку надежность есть функция времени. Чтобы определить, насколько изменяется вероятность отказа при эксплуатации элемента в течение времени, Δt, т. е. описать процесс

40