книги из ГПНТБ / Мирцхулава, Ц. Е. Надежность гидромелиоративных сооружений

Рис. 9. К примеру применения алгеб­ ры Буля для расчета надежности.

I

D J

ЧЕН

Коммутативные, ассоциативные и дистрибульные правила обыч­ ной алгебры применимы и для булевой алгебры, например:

Черточка над переменной А означает отрицание А и читается как «не А». Таким образом, если Л = 1, то А = 0, и, наоборот, если

/4= 0, то Л=1:

Из изложенных правил можно вывести следующие зависимости:

Во избежание ошибок следует пользоваться толыко нормаль­ ными переменными и использовать равенство (105) / 4 = 1 — Л для

•преобразования всех отрицаний в нормальные переменйые. Сле­ дует напомнить, что знак (—) не применяется. Например, когда Л + £ = Л + С, то Л нельзя вычесть из обеих частей, чтобы получи­

лось В = С.

Использование указанных приемов булевой алгебры эффектив­ но при выборе возможных комбинаций блоков системы при слож­ ных устройствах. Для иллюстрации использования приемов буле­ вой алгебры рассчитаем функции надежности сложной системы, представленной на рисунке 9.

P ( x ) = P [ A + ( B + C ) D ] = P ( A ) + P [ ( B + C ) D ] ~

-P [ A ( B + C ) D ] = P ( A f + P ( B + C ) P { D ) -

-P ( A ) P ( B + C ) P ( D ) = P ( A ) + [ P ( B ) + P ( C ) - —P(BC)]P(D)—P(A) [P( B) +P (C) —P(BC)]P(D) = = P(A) + [ P ( B ) + P ( C ) - P ( B ) P ( C ) ] P ( D ) -

-P ( A ) P ( D ) [ P ( B ) + P ( C ) - P ( B ) P { C ) ] .

70

4. РЕЗЕРВИРОВАНИЕ

Вероятность безотказной работьц объем выполненной работы, производительность, среднее время безотказной работы, то есть надежность систем, объектов гидромелиорации можно повысить следующими путями: проведением предварительных испытаний; ис­ пользованием оптимальных конструктивных решений; применени­ ем унифицированных узлов и деталей; созданием удобств для ре­ монтных работ; применением наиболее подходящих для данного сооружения (объекта) высококачественных материалов; разра­ боткой рациональных способов и условий хранения оборудова­ ния до его эксплуатации; разработкой рациональных правил эк­ сплуатации и установлением оптимальной очередности ремонтных и профилактических работ.

Если при проектировании системы все принятые меры по по­ вышению надежности не позволяют достичь требуемого уровня ее, прибегают к резервированию. Сущность резервирования за­ ключается в том, что в систему вводятся дополнительные (дубли­ рующие) элементы, избыточные узлы, детали, иногда резервные технологические линии [7, 10, 26, 33, 35, 39, 42, 44, 63, 92, 103].

Этот способ позволяет создать систему, надежность которой выше надежности входящих составляющих. '

Любой метод резервирования основан на принципе избыточ­ ности, так как наряду с основными элементами предусматрива­ ются резервные, которые не являются функционально необходи­ мыми, а предназначены лишь для замены соответствующих ос­ новных единиц в случае их отказа.

Поиски новых путей решения проблемы надежности в настоя­ щее время ведут, опираясь на аналогию с биологическими систе­ мами, которые совершенствовались сотни миллионов лет. Непри­ способленные к окружающей среде системы отмирали и уничто­ жались. Поэтому, если удастся построить технические системы, аналогичные природным, они будут обладать несравненно более высокой надежностью.

Наряду с резервированием применяется и буферование. Оно заключается в применении в различных системах буферных ус­ тройств (бункера, накопители и т. д.). Они могут быть исполь­ зованы в поточных линиях, в карьерном хозяйстве и т. д.

Втеории надежности резервным соединением элементов назы­ вается такое, при котором отказ одного из элементов не приводит

котказу остальных. Резервное соединение может быть как парал­ лельным, так и последовательным.

Вобъектах гидромелиорации имеются сложные комбинации резервных соединений. Поэтому надежность этих сооружений за­

висит не только от надежности их составляющих элементов, но и от их структуры.

Если по условиям работы системы отказ хотя бы одного эле­ мента приведет к отказу всей системы, такое соединение рассмат-

71

ривается как последовательное. Надежность системы, в которой элементы соединены последовательно, то есть отказ одного эле­ мента вызывает отказ всей системы, не может быть выше на­ дежности наименее надежного элемента, так как общая надеж­ ность характеризуется произведением показателей вероятности безотказной работы элементов, составляющих систему (приложе­ ние 13):

Для сохранения работоспособности системы к моменту вре­ мени t используются дополнительные или резервные устройства.- Идея резервирования не нова. Давно известны сдвоенные ко­ леса грузовиков или запасное колесо для автомашин. Если одна шина лопнет, то есть шансы, что другая шина будет нести

нагрузку до тех пор, пока будет устранена эта неисправность. Много примеров резервных систем наблюдается в живых ор­

ганизмах, в частности в человеческом организме — почки, глаза, зубы и др.

Существуют основное, резервное, смешанное соединения си­ стем, узлов. Основным соединением систем называется такое, при котором отказ хотя бы одного узла ведет к отказу всего соеди­ нения. Основные соединения систем применяются в том случае, когда в системе нет резервных узлов.

При включении в систему резервных узлов создается резерв­ ное соединение систем, при котором отказ соединения наступает только после отказа основного агрегата или всех узлов.

Если ожидаемые в системе отказы деталей относятся к типу коротких замыканий, то в этом случае целесообразно вводить дополнительную деталь или детали, соединенные последователь­ но, а если ожидаемые отказы деталей будут создавать неисправ­ ности типа обрыва цепей, то в этом случае необходимо ввести дополнительно деталь или. детали, соединенные параллельно.

В смешанном соединении сочетается основное и резервное соединения.

При раздельном резервировании при прочих равных условиях обеспечивается большая надежность, чем при общем. Раздельное резервирование особенно выгодно при значительном числе эле­ ментов и большой кратности резервирования.

Основной параметр резервирования — это кратность, под ко­ торой понимают отношение числа резервных систем к числу ре­ зервируемых (основных).

Резервирование бывает с целой и дробной кратностью. При резервировании с целой кратностью для нормальной работы ре­ зервного соединения достаточно, чтобы исправным был хотя бы один узел.

. При резервировании с дробной кратностью за основным уз­ лом не закреплены резервные. При резервировании с дробной

72

кратностью определенное число резервных узлов приходится на несколько основных, а при резервировании с целой кратно­ стью то же число резервных узлов приходится только на один основной.

К резервированию с дробной кратностью относится также ре­ зервирование со скользящим резервом. При этом виде резерви­ рования любой из резервных узлов может замещать произволь­ ный узел основной системы. После замещения этот узел стано­ вится основным, и он также может замещать произвольный узел основной системы.

Этот вид резервирования характеризуется наибольшим выиг­ рышем надежности. Недостаток состоит в необходимости иметь однотипные узлы.

Резервные агрегаты или системы можно включать на все вре­ мя эксплуатации или при отказе основных. В связи с этим раз­ личают два способа включения резерва — постоянное и замеще­ нием. Постоянное резервирование иногда называется параллель­ ным, а резервирование с замещением — переходным.

Постоянным нагруженным резервом называется такое резерви­ рование, при котором резервные системы присоединены к основ­ ным в течение всего времени и работают одновременно с основ­ ными. Постоянное резервирование применяется в том случае, когда недопустимы даже кратковременные остановки для перехода основной системы на резервную.

Преимущество постоянно включенного резерва состоит в от­ сутствии переключателей. Недостатком является то, что резерв­ ная система, как и основная, расходует свой ресурс.

Резервированием замещением или замещением с нагруженным резервом называется такое резервирование, при котором резерв­ ные системы включают в работу только после отказа основных.

Замещение может осуществляться вручную или автоматиче­ ски. Резервирование замещением практически возможно без ре­ гулировки параметров устройства после отказа основного эле­ мента. До момента включения резервный элемент находится в облегченном (ненагруженном) состоянии, это дает возможность экономить его технический ресурс.

Преимущество резервирования замещением состоит также в том, что один резервный элемент может быть использован для замены основных элементов. Такой вид резервирования называют скользящим. Его применяют тогда, когда в рабочем устройстве допускается перерыв, необходимый для переключения. Ответст­ венными узлами здесь следует считать переключающие устройст­ ва, которые не обладают идеальной точностью.

- Различают следующие виды резервирования замещением. Внешние условия резерва полностью совпадают с условиями,

в которых находится действующая система; этот вид называется горячим или нагруженным резервом. В этом случае система ра­ ботает следующим образом. Сначала работают обе системы, после

7 3

отказа одной системы вторая продолжает работать, отказавшая ремонтируется. Системы считаются исправными, если исправно работает хотя бы одна система.

Когда внешние условия, действующие на систему до момента включения в работу, облегченные, в этом случае резервное ус­ тройство находится в неполном (в теплом) рабочем режиме.

При ненагруженном холодном резерве резервное устройство не может отказать до момента включения. Холодное резервиро­ вание с восстановлением резерва (восстановлением отказавших систем) повышает надежность резервированных систем. Оно вы­ годно экономически.

мента включения. Ненагруженный резерв — резервные изделия находятся в облегченном режиме до момента ввода их в дейст­ вие. Во время «ожидания» они могут отказать, но с меньшей ве­ роятностью, чем основные.

Надежность облегченного резерва больше, чем нагруженного и меньше, чем ненагруженного.

Для достижения высокой надежности рассматриваемые ниже способы резервирования отдельных элементов нередко оказывают­ ся невыполнимыми из-за .неприемлимо высоких расходов. Неред­ ко приходится мириться с низкой надежностью. Резервирование не является универсальным средством. Прежде чем решать во­ прос о вводе дополнительного резерва, необходимо его тщатель­ но обосновать, так как введение дополнительного элемента свя­ зано с определенными затратами.

В большинстве случаев применение резервирования себя оп­ равдывает, так как увеличение стоимости из-за дополнительных узлов компенсируется повышением надежности.

Резервные системы начинают расходовать свой ресурс только с момента отказа основных, когда они включаются в работу. Повидимому, со временем здесь можно будет использовать другой путь, котбрый открывают нам биологические системы. Нейронные сети обладают высокой способностью к «самокоррекции». Это означает, что, если часть сети нарушена, другие части берут на себя выполнение ее функции и деятельность системы в целом (в основном) остается неизменной. Имеется попытка создать такие электронные схемы.

Примером постоянного включения резерва на объектах гидро­ мелиорации могут служить насосные станции, когда насосы рабо­ тают одновременно, многокамерные отстойники и т. д.

В будущем при достаточном повышении надежности отдель­ ных элементов необходимость в резервировании отпадет. На­ пример, в новых моделях автомашин не применяются сдвоенные колеса благодаря повышению надежности и долговечности шин.

Различают два метода резервирования: общее, при котором

74

В некоторых случаях на практике целесообразно применять простейшее резервирование, заключающееся в заблаговременном создании узлов, наиболее подверженных отказам.

75

Рис. Л . Схема общего резервирования с постоянно включенным ре­ зервом.

Приведем основные расчетные формулы для различных видов

резервирования невосстанавливаемых систем [92, 110].

Общее резервирование с постоянно включенным резервом и с целой кратностью (рис. 11).

гдеЯг(^) — вероятность безотказной работы i-то элемента в течение

76

Предполагая, что системы равнонадежны и имеют вероят­ ность безотказной работы, описываемую экспоненциальным за­ коном, получаем:

Т'с — среднее время безотказной работы системы.

Внося (114) в формулу (113), получим вероятность безотказ­ ной работы системы с двумя параллельно работающими подси­

резерВ _q J Lq J L 0 j Lq J L 0 j

Рис. 12. Схема раздельного резервирования с постоянна вклю­ ченным резервом.

77

Зная эту зависимость, можно установить выигрыш надежно­

сти по среднему времени безотказной работы Втпо среднему времени безотказной работы Тс’ при системе из двух парал­

лельно работающих подсистем. По сравнению со средним вре­ менем Т' безотказной работы с одной нерезервирующей под­

Аналогично можно, установить выигрыш надежности по сред­ нему времени безотказной работы при работе системы из (п+1) параллельно работающих равнонадежных подсистем по сравне­ нию со средним временем Тср безотказной раобты одной нерезервируемой подоистемы:

При равнонадежных элементах и одинаковой кратности их резервирования

78

где Я0 и 7 Ср .о — интенсивность отказов и средняя наработка до

первого отказа основного устройства.

При экспоненциальном законе и ненагруженном состоянии ре­ зерва

ЦП™}-»

Рис. 15. Схема общего резервиро­ вания (резервирование способом за­ мещения) .

-с (п - /)ирезервный

79