2.4.3. Расчет надежности по коэффициентам надежности

При таком расчете предполагается, что при изменении условий эксплуатации интенсивности отказов меняются одинаково для всех элементов. Поэтому режимы работы и условия окружающей среды могут быть учтены поправочными коэффициентами к величине K_i. Для расчета в качестве исходных данных используются коэффициенты надежности K_нiдля равнонадежных элементов (их групп), число элементов данного типа и интенсивность отказов базового элемента в заданных условиях эксплуатации.

Коэффициент надежности – отношение λ_i к λ_δ :

где K_нi – коэффициент надежности для j-го элемента;

λ_ί – интенсивность отказов для ί – го элемента;

λ_б – интенсивность отказов для базового элемента.

Методика расчета:

а) Принимается базовый элемент и на основании базы данных определяются коэффициенты надежности для остальных элементов.

где λ_нi – интенсивность отказов, полученная для номинальных условий работы ί – го элемента.

λ_δ– интенсивность базового элемента.

б) Определяется параметр поток отказов :

или

где N_i –количество элементов в группе равнонадежных элементов;

K_Hi – коэффициент надежности для группы равнонадежных элементов;

r - число групп равнонадежных элементов (смотри 2.4.1.);

a₁, a₂, a₃, a_j – коэффициенты учета факторов влияния, применяемые по рекомендациям и

учитывающие отклонение режима работы и условий эксплуатаций от номинальных.

j – количество факторов влияния.

в) Определяется среднее время наработки на отказ :

г) Проверяется условие Т₃ ≤ Т_cр и при его невыполнении производится корректировка Т₃ в сторону уменьшения либо применяются меры по повышению надежности.

д) Определяется вероятность безотказной работы и вероятности отказа для t = Т_З:

;

Достоинства: 1. Не требуется знания интенсивности отказов по каждому элементу.

2. В расчете могут быть учтены любые исследуемые отклонения режима работы и условий эксплуатации от номинальных.

3. Способы повышения надежности

3.1. Общие сведения

Повышение надежности обычно связано с избыточностью, т.е. с введением в ТС дополнительных элементов либо специальных конструктивных решений сверх минимально необходимых для выполнения функции по назначению.

Избыточность всегда связана с повышением сложности и стоимости технической системы, либо ее обслуживания по сравнению с исходным вариантом, учитывающим только выполнение функции по назначению.

Для повышения надежности используются следующие методы:

- упрощение ТС;

- внутри элементная избыточность;

- структурная избыточность;

- временная избыточность;

- информационная избыточность;

- улучшение условий эксплуатации;

- повышение ремонтопригодности.

3.2. Повышение надежности упрощением ТС

Выше было показано, что вероятность безотказной работы зависит от общего числа элементов ТС:

где ί – общее число элементов.

Отсюда следует, что с уменьшением общего числа элементов(упрощением ТС) вероятность безотказной работы повышается.

Недостаток: из истории техники известно, что простые решения всегда труднодостижим («гениальное – всегда просто»).

3.3. Внутри-элементная избыточность.

Достигается использованием элементов с большей вероятностью безотказной работы, что достигается 3 – мя путями:

а) Деноминация – использование элементов, недогруженных по сравнению с номинальной нагрузкой.

б) Применение элементов, имеющих большую надежность, чем первоначально принятые;

в) Принятие мер против снижения влияния на элементы внешних вредных факторов за счет внесения в конструкцию элементов некоторых дополнительных (избыточных) изменений в конструкцию изделия (герметизация, амортизация, искусственное охлаждение и т.д. и т.п.)

Достоинства: возможность применения еще на этапе проектирования;

Недостатки: избыточность, повышение затрат.

3.4. Структурная избыточность.

Предполагает применение дополнительных (избыточных) путей передачи сигнала ИС:

1 2 3 n

в ход выход

X

Примером структурной избыточности является резервирование, позволяющее создать

высоконадежную ТС из элементов с относительно низкой надежностью.

Резервирование может быть общим и раздельным: под общим понимается такое, когда резервируется вся ТС в целом; при раздельном резервировании ТС резервируется по отдельным узлам, блокам и поэлементно.

При комбинации блочного и поэлементного получается смешанное резервирование.

По способу влияния избыточных элементов резервирование разделяют на постоянное и замещением: при постоянном резервировании резервные (избыточные) элементы присоединены с основным рабочим элементам в течение всего времени работы ТС и находятся в одинаковых с ними условиях; при резервировании замещением резервные элементы включаются в работу только после отказа основного, при этом до включения в работу они могут находиться в одном из 3 – х состояний:

- нагруженном – когда внешние условия и режим работы основных и резервных элементов одинаковы;

- облегченном – когда резервные элементы находятся под пониженной нагрузкой по сравнению с основной;

- ненагруженном – когда резервные элементы отключены от источников питания.

Одним из основных параметров, характеризующих резервирование, является кратность резервирования – отношение числа резервных элементов к числу резервируемых, выполняющих основную функцию по назначению:

где m – краткость резервирования может быть целой и дробной ;

l – общее число элементов ТС ;

h – число элементов, достаточное для выполнения основной функции по назначению.

Различные способы резервирования показаны на рис.2.5.1.

Если кратность – целое число, то l = m + l.

Определим эффективность резервирования, для чего рассмотрим ТС с целой кратности:

Предположим, что все элементы равно надежны; тогда вероятность безотказной работы каждой из одинаковых параллельных ветвей:

количество параллельных равно надежных ветвей – m +1.

Вероятность безотказной работы для всей рассматриваемой ТС можно определить по известному выражению:

P_тс(t) = 1 – Q_тс(t),

где вероятность отказа в соответствии с теорией вероятности равна произведению вероятностей отказа для каждой из параллельных ветвей:

. Поскольку вероятность отказа для всех ветвей одинакова, то получаем:

,

откуда

;

при этом .

Пример: предположим, вероятность безотказной работы для рабочей ветви P(t) = 0,9.

Определим эффективность резервирования при кратном резервированием:

при m= 1 P_тс(t)= 1-(1-0,9)^m+1= 1-0,1=0,99;

при m=2 P_тс(t) = 1-(1-0,9)^m+2=1-(1-0,9)2+1=1-(1-0,9)3=0,999 - эффективность очевидна.

Рис.2.5.1. Виды резервирования

а) Постоянное общее резервирование с целой кратностью

б) Постоянное раздельное резервирование с целой кратностью

в) Общее резервирование с замещением и с целой кратностью

г) Раздельное резервирование с замещением с целой кратностью

д) Общее постоянное резервирование с дробной кратностью

е) Скользящее резервирование

Выводы:

- путем структурной избыточности можно достаточно эффективно увеличить надежность в

системе, состоящей даже из относительно низко-надежных элементов;

- физическая природа резервируемых элементов может отличаться от основных;

- при наличии элементов, имеющих более одного вида отказа, необходимо их резервировать по всем видам отказа;

- структурное резервирование всегда связано с увеличением затрат и применяется в полной мере, когда другими путями добиться надежности невозможно;

-структурное резервирование всегда ведет к увеличению элементов в системе.

3.5. Временная избыточность.

Реализуется введением в структуру ТС накопительного звена, позволяющего в течение определенного времени выполнять основную функцию по назначению при отказе элемента за накопительным звеном. Если избыточное время будет выше времени восстановления отказавшего элемента, то функция по назначению будет выполняться непрерывно и даже при отказе.

3.6. Информационная избыточность

Под ней понимается введение в ТС дополнительной информации по сравнению с той, которая необходима для выполнения функции по назначению при исправном состоянии системы: различного рода защиты, блокировки и другие устройства, которые контролируют исправное состояние ТС.

3.7.Повышение ремонтопригодности

Сущность метода состоит в применении конструктивных решений, повышающих ремонтопригодность ТС, что приводит к к уменьшению времени восстановления при отказе и соответствующему повышению коэффициента готовности.

Основные направления:

а) применение блочных элементов (при отказе блок меняется на заведомо исправный);

б) использование встроенных идентификаторов отказа, что значительно снижает время восстановления;

в) применение специальных средств технической диагностики и восстановления, снижающих время восстановления.

3.8. Улучшение организации и качества обслуживания

Основные принципы:

а) эксплуатация любой ТС должна осуществляться в полном соответствии с НТД и действующими Инструкциями и Правилами;

б) осуществлять эксплуатацию необходимо в соответствии с графиком планово предупредительного ремонта.

в) Должно быть организованно непрерывное обучение эксплуатационного персонала.

Улучшение организации и качества обслуживания для ТС, находящихся в эксплуатации, является наиболее эффективным в отношении надежности мероприятием как с технической, так и с экономической точки зрения.

4.Техническая диагностика электроустановок.

4.1.Общие сведения.

Непрерывное усложнение технических объектов, обусловленное требованием повышения эффективности производства, и рост степени автоматизации управления производственными процессами, выдвигают на первый план проблему оптимальной организации эксплуатации сложных технических процессов. Важная роль отводится при этом определению состояния объектов, которое вследствие воздействия внешних и внутренних факторов изменяется с течением времени. Знание состояния технических объектов в любой момент времени позволяет оператору использовать их оптимальным образом. Учёт характера и момента изменений, происходящих в объекте, позволяет в кратчайшее время осуществить ремонт и тем самым повысить надежность объекта.

Проверка и восстановление составляют суть управления техническим состоянием изделий, устройств и систем. Эффективная организация такого управления является главной целью технической диагностики, которая выступает как одно из средств повышения надёжности.

При определении технического состояния объектов перед технической диагностикой ставятся три типа задач:

а) определение технического состояния, в котором объект проверки находится в настоящее время – это задачи диагноза (техническая диагностика);

б) предсказание технического состояния объекта в некоторый момент будущего – это задачи прогноза (техническая прогностика);

в) определение технического состояния объекта в некоторый момент прошлого – это задачи генетики (происхождение, возникновение, процесс формирования);

Техническая диагностика в структурном отношении может быть определена как совокупность идей, связанных с организацией оптимальных процедур проверки технического состояния сложных объектов, постановок возникающих при этом проблем и задач, а также методов и средств технической реализации указанных процедур.

Программа проверки представляет собой последовательность отдельных проверок, тестов. Отдельная проверка определяется, с одной стороны характером управляющего воздействия (т.е. тем, что и на какие входы подаётся) и, с другой стороны, характером ответа на это воздействие.

Качество программы проверки существенно влияет на эффективность проверки, характеризуемую затратами времени, материальных или энергетических ресурсов, человеческих усилий и т.п. Оптимизация программ проверки – это определение наилучшего состава отдельных проверок и наилучшей последовательности их реализации.

Техническая диагностика зародилась как наука в 60-х годах для решения задачи диагностирования вычислительных устройств. Повышение надежности ЭВМ в те годы связывалось с элементной базой, имеющей малую интенсивность отказов, снижением нагрузок, применением различных видов аппаратурной и информационной избыточности. Однако, по мере того, как сложные электронные системы становились составной частью современной промышленной технология, становилась все яснее ограниченность такого подхода. Сложность системы росла быстрее, чем показатели надежности элементной базы. Поэтому главным становится приспособленность к условиям эксплуатации, в частности пригодность к обслуживанию, обнаружению отказавших элементов, их замене, отсутствие тяжелых последствий при отказах.

Еще одно обстоятельство потребовало коррекции подходов к обеспечению надежности – жесткая связь между отдельными звеньями сложной технологической цепи. В этом случае ущерб от отказа отдельного аппарата определяется уже не стоимостью ремонта, а потерями, обусловлены-

ми нарушением технологического процесса, иногда необратимым. В этих условиях практически

любые мероприятия, направленные на быстрое обнаружение и устранение последствий отказа,

оказываются экономически оправданными.

В качестве одного из количественных показателей надежности используют коэффициент готовности К_г = Т_р/Т_р + Т_о + Т_в ,

где Т_р, Т_о, Т_в - время работы, обслуживания и восстановления оборудования соответственно.

В сокращении времени обслуживания и восстановлении большая роль отводится методам и средствам диагностирования. Поскольку самыми сложными из технических объектов в отношении были вычислительные машины, методы и средства технической диагностики интенсивно развивались применительно к логическим и цифровым, приоритет отдавался контролю и диагностированию устройств и средств вычислительной техники. Позднее повышение требований в отношении надежности к объектам авиации, судостроения, автомобильного транспорта привело к развитию методов и средств технической диагностики в этих отраслях, где появились специализированные систем диагностирования. Значительно слабее развиты методы и средства контроля аналоговых устройств к которым относятся и электронные. Если показателем завершенности некоторого метода является его формализация, перевод на язык алгоритмов, реализуемых техническими средствами, то диагностирование аналоговых устройств нельзя считать решенной проблемой. Это положение в полной мере относится также к диагностированию шахтной аппаратуры управления и защиты, хотя она и строится по дискретному принципу. Немногочисленные работы, исследующие специфические вопросы технической диагностики рудничных электроустановок носят достаточно общий характер без широкого выхода в практику эксплуатации. Некоторое совершенствование диагностического оснащения шахтной аппаратуры, наблюдаемое в последнее время, является результатом скорее опыта и интуиции проектантов, нежели следствием корректно полученных научных рекомендаций.