книги из ГПНТБ / Рябинин И.А. Надежность судовых электроэнергетических систем и судового электрооборудования учебник

Особенно часто резервирование как средство повышения надеж­

и общее резервирование. Число запасных изделий, резервирующих основное изделие, определяет кратность резервирования. Если груп­ па, состоящая из п элементов, предназначена для резервирования т однотипных рабочих элементов системы и каждый из резервных элементов может занять место любого рабочего (в случае отказа

Выигрыш, получаемый в результате резервирования, опреде­ ляется относительным улучшением показателей надежности резер­ вированных изделий по сравнению с показателями надежности нере­ зервированных изделий. В частности, увеличение надежности по таким показателям, как вероятность безотказной работы, вероят­ ность отказа, среднее время безотказной работы определяется ве­ личинами

Получаемый при резервировании выигрыш увеличивается в слу­ чае дробления резерва, т. е. при введении резервирования в мень­ шем масштабе. Поэтому казалось бы, что самым выгодным является поэлементное резервирование. Однако увеличение объема вспомога­ тельного оборудования при уменьшении масштаба резервирования приводит к тому, что поэлементное резервирование часто не обеспе­ чивает максимального выигрыша надежности.

Уровень, на котором наиболее выгодно остановиться при умень­ шении масштаба резервирования, можно найти путем решения задач программирования. При определении показателей надежности резер­ вированного оборудования можно рассматривать группу элементов,

244

состоящую из основного рабочего и резервных элементов, как один сложный элемент с повышенной надежностью (таким «элементом» может быть устройство, узел, блок, модуль и даже вся система). Степень улучшения показателей надежности такого составного эле­ мента зависит прежде всего от способа функционирования резерва. Существует три способа: 1) нагруженный резерв; 2) ненагруженный резерв и 3) облегченный резерв.

Вусловиях нагруженного резерва запасные элементы содер­ жаться в том же рабочем режиме, что и основной элемент, и несут полную нагрузку независимо от того, выполняют ли они функции отказавшего основного элемента или находятся в режиме ожидания. Такое резервирование часто позволяет избежать применения вспо­ могательной аппаратуры, а поэтому обычно используется при по­ элементном резервировании. Резервирование в условиях нагружен­ ного резерва имеет еще одно преимущество: переход на резервные элементы происходит без перерывов в работе аппаратуры. Основным недостатком этого способа является существенный износ резервных элементов.

Вусловиях ненагруженного резерва запасные элементы нахо­ дятся в отключенном состоянии и до момента включения сохраняют неизменными свои параметры. Очередной резервный элемент вклю­

чается в работу, замещая рабочий элемент, при выходе последнего из строя. Преимущества этого способа резервирования состоят в воз­ можности применения однотипных изделий в качестве основного и резервных, а также в меньшем износе оборудования. Однако в ус­ ловиях ненагруженного резерва неизбежны перерывы в работе устройства при переходе на резервные элементы; кроме того, тре­ буются вспомогательные устройства сигнализации отказов и пере­ ключатели, что, естественно, снижает надежность резервированной системы. Ненагруженный резерв фактически является некоторой

В условиях облегченного резерва запасные элементы в период ожидания несут частичную нагрузку и вероятность их отказа меньше, чем вероятность отказа основного элемента.

Облегченный резерв с дробной кратностью иногда называют скользящим резервом.

Предположим, что для рассматриваемых изделий справедлив показательный закон распределения времени исправной работы основного и резервных элементов и что основной элемент с интен­ сивностью отказов А,о с н резервируется группой из п элементов. Ин­ тенсивность отказов резервного элемента составляет ^ р е з . Кривые, показывающие улучшение показателей надежности Q и Т при раз­ личных методах резервирования, приведены на рис. 70 и 71.

Как видно из рис. 70, а, выигрыш в надежности по вероятности отказов получается тем больше, чем больше кратность резервиро-

245

с дробной кратностью, причем чем больше кратность резервирования

(/г:! > /?2 > пу), тем больше выигрыш. Применение нагруженного резерва с дробной кратностью может оказаться вообще нецелесооб­ разным, поскольку с некоторого момента времени (при k0Cllt = 0,25 и более) надежность устройств, резервированных таким методом, получается ниже, чем нерезервированных (9Q становится меньше единицы).

Выигрыш в надежности по среднему времени безотказной ра­ боты получается тем больше, чем менее нагружен резервный эле­ мент (рис. 71, а). Из рис. 71,6 видно, что поэлементное резервирование

246

(кривые / / / и /V) является более эффективным, чем общее (кривые / и / / ) независимо от того, является ли резерв нагруженным или нет. Однако получить увеличение наработки на отказ более чем на поря­ док за счет резервирования невозможно, так как начинает сказы­ ваться ненадежность переключателей и вспомогательной аппаратуры. При большой кратности резервирования объем вспомогательного оборудования существенно ограничивает достижимый выигрыш на­ дежности. Кроме того, увеличение массы, габаритов и стоимости оборудования обычно не позволяет практически использовать резер­ вирование с кратностью, превышающей два-три. Поэтому общее ре-

Эг

5Н

Ж

ж/

О 1 2 3 п

Рис. 71. Зависимость выигрыша в надежности по среднему времени безотказной ра­ боты от кратности резервирования: а — в случае общего резервирования при различ­ ных режимах работы резервных цепей; б — при различных способах резервирования.

зервирование целесообразно использовать для увеличения вероят­ ности безотказной работы в течение времени, значительно меньшего, чем средняя наработка на отказ резервированного изделия. Дости­

построены в предположении, что значения Яр е з , Х о с н известны. Однако следует заметить, что значения этих величин для элементов судового электрооборудования до настоящего времени точно не установлен^. Поэтому в реальных расчетах, а также во всех приводимых в на­

247

ственно, занижает получаемые показатели надежности, что хорошо видно из графиков, представленных на рис. 70, 71.

Совершенно особым случаем резервирования отдельных элементов или изделий является использование ЗИПа. По мере усложнения судовых электроэнергетических систем и систем электроавтоматики расширяется номенклатура судового ЗИПа, уве­ личиваются вес и габариты его комплектов, затрудняется обеспечение необходимым количеством запасных деталей. Специфика проектирования судового электрообору­ дования состоит в необходимости создания устройств, обладающих сравнительно небольшими массой, габаритами, стоимостью. С учетом этих же требований должен быть скомплектован ЗИП.

Покажем возможность комплектования ЗИПа таким образом, чтобы при заданной допустимой массе ЗИПа количество запасных элементов я обеспечивало максимальную надежность или при минимальной массе ЗИПа обеспечивалась заданная его надеж­ ность. За количественную меру надежности ЗИПа принимается вероятность того, что в течение заданного периода эксплуатации системы т в ее ЗППе будет находиться запасной элемент, которым можно заменить вышедший из строя.

Допустим, что в ЗИПе содержится я,- элементов ('-го типа массой gi каждый. Применительно к этим элементам количественной мерой надежности будет служить вероятность события, состоящего в том, что в течение заданного периода эксплуа­ тации [0, т] число отказов элементов i'-го типа не превысит числа запасных элементов

Если в системе имеются элементы I различных типов, определяющих надежность системы и требующих резерва, то надежность ЗИПа такой системы R (т) за промежу­ ток [0, т] будет характеризоваться вероятностью Р (т) совместного выполнения собы-

i=i

ментов независимы, что, как было показано в гл. 2, § 8, практически выполняется, то можно записать

(8.3)

Математическое решение задачи комплектования ЗИПа состоит в максимизации функции надежности (8.3) при условии ограничения ЗИПа по массе G

или в минимизации массы ЗИПа G при условии

где ОдО П и Рдоп — допустимые масса и вероятность безотказной работы ЗИПа за расчетный промежуток времени [0, т] соответственно.

Согласно изложенному в гл. 2, § 8, будем считать, что для рассматриваемых су­ довых систем случаи отказов элементов подчинены закону Пуассона и для них спра­ ведливо выражение (2.47), на основании которого вычисляется вероятность того, что в промежутке времени [0, т] наступит ровно я отказов:

где Q/. (т) — среднее число отказов одного элемента i-ro типа на промежутке [0,т] .

248

Тогда надежность ЗИПа R[ (т) элементов i-готнпа за промежуток [0, т] будет равна, согласно определению, сумме вероятностей отказов всех /г,- запасных элементов:

не совпадающем с приведенными в таблице, значения искомых вероятностей опреде­ ляются методом интерполяции.

Ненадежность ЗИПа элементов i-ro типа за тот же промежуток времени можно

физический смысл которой понятен из анализа формул (2.1) и (2.2).

Количество слагаемых в формуле (8.8) определяется количеством численных зна-

а1 -а

алгоритма, описанного К. В. Недялковым [22].

Согласно [22], выбор требуемого числа элементов ЗИПа я,- осуществляется мето­ дом последовательных приближений, при котором сначала произвольно, а затем целенаправленно выбирают дискретные, положительные значения коэффициентов г

249

Предположим, что при имеющихся в схеме семи сельсинах типа БД-160 в ЗИПе

2.Занесем в графу 7 произведения rgi — 0,18g,- для всех элементов, которые предполагается включить в состав ЗИПа.

3.По табл. 5.3 работы [5] и по величине я,- находим число запасных элементов n-t

Поэтому выполняем второй шаг расчета, уменьшив коэффициент г до 0,06 1/кг. Полу­ ченные в результате значения G = 6,5 кг, Q = 0,068501 показывают, что, несмотря на довольно низкую ненадежность, мы могли бы уменьшить ее еще больше за счет уве­ личения массы ЗИПа до допустимого значения С д о п - Поэтому берем коэффициент г = 0,02 1/кг и выполняем третий шаг расчета. Далее расчет можно прекратить, так как масса ЗИПа стала достаточно близкой к заданной, а ненадежность снизилась до 0,022529.

Из рассмотренного примера можно сделать следующий вывод. Во-первых, при разработке ведомости ЗИПа (см. графу 3) была допущена ошибка, а именно в ЗИПе не дано ни одного триода, что уменьшило его надежность. Приведенный расчет помог выявить ошибку. Во-вторых, уже при массе 6,5 кг мы получаем достаточно низкую ненадежность — около 0,07. Поэтому можно было бы выбрать ЗИП в составе, ука­ занном в графе 13 таблицы, что позволило бы снизить массу на 1,5 кг, а следовательно, уменьшить объем и стоимость ЗИПа.

Расчеты показывают, что для повышения надежности целесообразно объединять однородные ЗИПы различных судовых систем. Например, если в одной системе имеется 19 сельсинов типа БС-151, а в другой — семь таких же сельсинов и в ЗИПе первой системы находится четыре, а второй —- два сельсина, то, выполнив расчет изложенным методом при at = 19-0,0657 = 1,2, а2 = 7-0,0657 = 0,5, найдем не­ надежность сельсинов первой системы Qx = 0,007746, а второй—. Q2 == 0,014388. С точки зрения обеспечения безотказности работы всей установки недопустим отказ сельсинов как первой системы (это событие обозначим А), так и второй системы (это событие обозначим Б). Если ЗИП строго разделен по системам и не допускается

т. е. почти в 12 раз меньшую. Таким образом, целесообразно организовать совместное использование ЗИПов отдельных систем. Это дает возможность уменьшить ЗИП путем комплектации его в общесудовом масштабе и существенно повысить надеж* ность.резервируемых систем,

252

Правильный выбор режимов работы изделий при проектирова­ нии систем и устройств является действенным средством повышения их надежности.

В связи с тем, что значительная часть отказов палубных электро­ приводов возникает под воздействием климатических факторов, одним из основных направлений повышения надежности следует считать сокращение количества элементов, располагаемых на откры­ той палубе. Весьма целесообразно конструктивное объединение ряда элементов (например, концевых выключателей) в укрупненные узлы и блоки и размещение основных элементов в закрытых отапливаемых помещениях. Следует избегать применения подвижных узлов, ра­ ботающих на открытой палубе (например, вентиляционных устройств электродвигателей, сложных кинематических узлов конечных выклю­ чателей и командоаппаратов).

При планировании заводских испытаний комплектующих изде­ лий на надежность целесообразно предусматривать режимы с сов­ местным воздействием климатических условий и механических нагрузок, при которых наиболее быстро обнаруживаются слабые места изделий.

Техническое состояние электрооборудования и время восста­ новления после отказа зависят от ремонтопригодности изделий и от удобства выполнения ремонтных и профилактических работ. Известно, что из общего времени ремонта примерно 70% составляет время отыскания и локализации неисправности. Поэтому при раз­ работке конструкции и компоновке элементов необходимо обеспе­ чить возможность легкого доступа к месту повреждения, наличие средств для определения места и причины отказа, возможность и удобство регулировки отдельных характеристик (параметров) изде­ лия, изменяющихся в процессе эксплуатации (зазоров, нажатия пружин и контактов, сопротивления, емкости и т. д.).

При проектировании необходимо предусматривать меры, умень­ шающие возможность прямых ударов волн по водозащитным уплотнениям и повреждения оборудования во время шторма, гру­ зовых операций и т. д. (например, установка защитных ограждений, отбойных щитов, дополнительных креплений, ограничителей дви­ жения). Необходимо исключить попадание забортной воды в поме­ щения, где располагаются электрические машины и аппаратура открытого и брызгозащищенного исполнения. При компоновке и размещении на судне оборудования палубных электроприводов следует соблюдать требование доступности деталей и узлов для разборки, чистки, замены и регулировки. Крепление электрообору­ дования (с помощью каркасов, кронштейнов, скоб и т. д.) должно полностью исключить возникновение местных вибраций при любых условиях работы.

§ 30. Мероприятия по повышению надежности при изготовлении электрооборудования

Реализация надежности оборудования, предусмотренной на этапе проектирования, в значительной степени связана с организацией

253

производства. Известно, что удельный вес отказов, обусловленных производственно-техническими факторами, составляет в среднем около 30%. Поэтому процесс производства должен быть организован таким образом, чтобы обеспечить использование предусмотренных конструктором материалов, деталей, допусков, а следовательно, и предусмотренный конструктором уровень надежности.

Мероприятия, связанные с обеспечением надежности в процессе производства, можно свести в следующие группы: а) строгое соблю­ дение и совершенствование технологии производства; б) автомати­ зация производства; в) тренировка элементов и систем; г) входной контроль; д) настройка и налаживание; е) текущий и выходной контроль; ж) испытание опытных образцов.

Строгое соблюдение технологии производства во многом опреде­ ляет надежность электрооборудования. Любое отклонение техноло­ гического процесса от нормы вызывает отклонение каких-либо параметров пли свойств аппаратуры. Несоблюдение режимов обра­ ботки материалов и деталей, пропитки, сушки, монтажно-сборочных работ приводит к сокращению сроков службы и к снижению надеж­ ности изделий.

Автоматизация процессов производства позволяет в значительной степени уменьшить отклонения, обусловленные субъективными фак­ торами, связанными с участием в производстве человека. При авто­ матизации исключаются случайные ошибки, обусловленные воздей­ ствием человека, обеспечивается устойчивость качества изделия, высокая точность соблюдения заданного технологического режима. Следствием этого является меньший разброс параметров отдельных элементов и более высокая их надежность.

Тренировкой элементов достигается сокращение этапа прира­ ботки, характеризующегося повышенной интенсивностью отказов. При тренировке важно правильно выбрать коэффициенты нагрузки элементов. Чем ниже коэффициент нагрузки при тренировке, тем длительней оказывается этап нормальной работы и тем позднее наступает износ тренированных элементов, установленных в аппара­ туре. Однако при этом возрастает длительность процесса тренировки.

Элементы с внутренними дефектами могут отбраковываться в пе­ риод испытаний (при так называемом «выжигании»). Режим работы при этом можно выбирать, если известна зависимость интенсивности отказов от времени при различных коэффициентах нагрузки. «Выжи­ гать» элементы можно при режиме, для которого характерно наличие участка нормальной работы (т. е. % = const). Для установления численных значений коэффициентов нагрузки и времени «выжига­ ния» необходимо знать технические характеристики элементов при различных коэффициентах нагрузки. Время и режим тренировки и «выжигания» следует выбирать таким образом, чтобы полностью удалить слабые элементы и вместе с тем не ухудшить качества нор­ мальных элементов.

Отдельные элементы оборудования производятся на специализи­ рованных предприятиях и поступают на завод-изготовитель оборудо­ вания и аппаратуры в виде полуфабрикатов и готовых изделий.

254