Лабораторна робота № 7

Тема: Методи підвищення надійності електромеханічних систем.

Мета роботи: ознайомитися із методами підвищення надійності систем та практично освоїти способи розрахунку надійності електромеханічних систем на стадії проектування.

Загальні відомості

Для складних систем можливі два шляхи підвищення надійності: підвищення надійності елементів і зміна структурної схеми.

Підвищення надійності елементів реалізується за рахунок:

• зменшення інтенсивності відмовлень (спрощення системи, вибір найбільш надійних елементів, полегшення механічних, електричних, теплових та інших режимів роботи елементів);

• зменшення необхідного часу безвідмовної роботи;

• створення схем з обмеженими наслідками відмовлень елементів;

• зменшення середнього часу відновлення (вбудований контроль, автоматизація перевірок, стандартизація та уніфікація елементів).

Підвищення надійності елементів на перший погляд є найпростішим прийомом підвищення надійності системи. Дійсно, теоретично завжди можна вказати такі характеристики надійності елементів, щоб імовірність безвідмовної роботи системи задовольняла заданим вимогам. Однак практична реалізація такої високої надійності елементів може виявитися неможливою. У будь-якому випадку, високонадійні елементи, як правило, мають великі габарити, масу і вартість. Виключення становить використання більш досконалої елементної бази, реалізованої на принципово нових фізичних і технологічних принципах (наприклад, в електромеханічних системах – перехід від дискретних елементів на інтегральні схеми).

Зміна структури системи з метою підвищення надійності передбачає два аспекти.

З одного боку, це означає перебудову конструктивної чи функціональної схеми технічної системи (структури зв'язків між складовими елементами), зміну принципів функціонування окремих частин системи (наприклад, перехід від аналогової обробки сигналів до цифрової). Такого роду перетворення технічної системи можливі винятково рідко, тому цей прийом не вирішує проблеми надійності.

З іншого боку, зміна структури розуміється як введення в технічну систему додаткових, надлишкових елементів, що включаються в роботу при відмовленні основних. Застосування додаткових засобів і можливостей з метою збереження працездатного стану об'єкта при відмовленні одного чи декількох його елементів називається структурним резервуванням.

Основною характеристикою структурного резервування є кратність резервування – відношення числа резервних елементів до числа основних елементів, що ними резервуються. Кратність резервування виражається дробом, що не скорочується (типу 2:3; 7:2 тощо). Резервування одного основного елемента одним резервним (тобто з кратністю 1:1) називається дублюванням.

Резервування є найбільш ефективним методом підвищення надійності складних систем, призначених для короткочасної дії. Зменшення інтенсивності відмовлень системи – найкращий спосіб підвищення надійності складних систем довготривалого використання.

Резервування найбільш широко використовується у радіоелектронній апаратурі, у якій резервні елементи мають невеликі розміри та легко перемикаються. Також резервування часто використовується у транспорті – подвійна або потрійна система гальм у автомобілях, подвійні шини на задніх колесах вантажних машин. У літаках використовують 3-4 двигуни та декілька видів електричних машин. Вихід із ладу однієї або навіть декількох машин, крім останньої, не призводить до аварії літака. Кількість ескалаторів вибирають з урахуванням можливості відмовлення та необхідності ремонту. При цьому у часи «пік» можуть працювати всі ескалатори. У станках використовують запасні комплекти спеціальних інструментів. У автоматичному виробництві використовують накопичувачі, додаткові станки та навіть дублюючі ділянки автоматичних ліній.

Класифікація різних способів структурного резервування здійснюється за наступними ознаками:

за схемою включення резерву:	- загальне резервування, при якому резервується об'єкт у цілому; - поелементне резервування, при якому резервуються окремі елементи чи групи елементів; - змішане резервування, при якому різні види резервування сполучаються в одному об'єкті.
за станом резерву:	- навантажене резервування, при якому резервні елементи знаходяться в режимі основного елемента; - полегшене резервування, при якому резервні елементи знаходяться в менш навантаженому режимі в порівнянні з основними; - ненавантажене резервування, при якому резервні елементи до початку виконання ними функцій знаходяться в ненавантаженому режимі, а в роботу включаються тільки після відмовлення основних.
за способом включення резерву:	- постійне резервування, без перебудови структури об'єкта виникненні відмовлення його елемента; - динамічне резервування, при якому при відмовленні елемента відбувається перебудова структури схеми. У свою чергу підрозділяється на резервування заміщенням, при якому функції основного елемента передаються резервному після відмовлення основного; ковзне резервування, при якому декілька основних елементів резервуються одним чи кількома резервними, кожен з яких може замінити будь-який основний (тобто групи основних і резервних елементів ідентичні)

Надійність системи із постійним резервуванням.

При навантаженому резервуванні резервні елементи витрачають свій ресурс, мають однаковий розподіл напрацювань до відмовлення й інтенсивність відмовлень основних і резервних елементів однакова.

1. Загальне резервування:

- кількість елементів основної системи; - кратність резервування. Введемо такі припущення: Всі резервні системи рівнонадійні. Всі елементи системи рівнонадійні. Ремонт системи у процесі експлуатації неможливий.

Імовірність безвідмовної роботи будь-якої з систем дорівнює добутку імовірностей безвідмовної роботи її елементів:

Відмовлення системи відбувається тільки при відмовленні всіх ланцюгів. Імовірність відмовлення резервованої системи

Тоді імовірність безвідмовної роботи системи із постійним загальним резервуванням

(7.1)

2. Поелементне резервування.

Імовірність того, що відбудеться відмовлення системи через відмовлення елементів, дорівнює добутку імовірностей відмовлень цих елементів:

Тоді імовірність безвідмовної роботи елементів даного типу

Імовірність безвідмовної роботи системи із постійним поелементним резервуванням

. (7.2)

Надійність системи із резервуванням заміщенням.

При ненавантаженому резервуванні резервні елементи не навантажені, їх показники надійності не змінюються і вони не можуть відмовити протягом часу перебування в резерві. У цьому випадку резервні елементи послідовно включаються в роботу після відмовлення основного, потім першого резервного і т.д., тому надійність резервних елементів залежить від моменту їхнього переходу в основний стан. Таке резервування в різних технічних системах зустрічається найбільш часто, воно по суті аналогічне заміні елементів, що відмовили, на запасні.

 Перемикання може відбуватися як вручну, так і автоматично (автоматично – вмикання резервних машин і елементів в енергетиці, у бортових мережах судів і літаків; вручну – заміна інструмента чи оснащення на виробництві, вмикання ескалаторів у метро в годинник «пік»).

При резервуванні заміщенням надійність резервованої системи можна визначити з умови

.; (7.3)

, (7.4)

тобто, імовірність відмовлення у разів менша, ніж при навантаженому резерві (паралельному з'єднанні).

Якщо основний та резервні елементи рівнонадійні, то

. (7.5)

Якщо порівняти навантажене та ненавантажене резервування, то очевидно, що при однаковій кількості основних і резервних елементів ненавантажений резерв забезпечує більшу надійність. Але це справедливо тільки тоді, коли вмикання резервного елемента в роботу відбувається абсолютно надійно (тобто імовірність безвідмовної роботи перемикача повинна дорівнювати 1,0). Виконання цієї умови пов'язано зі значними технічними труднощами та іноді є недоцільним з економічних чи технічних причин.