Показатели надежности. 
Эксплуатация и ремонт электрооборудования и средств автоматизации

Показатели надежности предназначены для количественной оценки уровня надежности объекта, т. е. служат единицами измерения надежности. Они позволяют количественно сравнить надежность различных объектов между собой или надежность одного и того же объекта в разных условиях либо на разных этапах эксплуатации. По признаку ремонтопригодности выделяют дополнительно показатели для восстанавливаемых и невосстанавливаемых объектов. Кроме того, показатели могут быть единичными и комплексными. Единичный показатель относится к одному из свойств, а комплексный — к нескольким свойствам. Государственными стандартами устанавливается более 20 единичных и около 10 комплексных показателей, в том числе 7 показателей безопасности, 8 — долговечности, 2 — ремонтопригодности и т. д.

Введение

показателей надежности основывается на рассмотрении эксплуатации как процесса случайного изменения свойств объекта в виде последовательного чередования его работоспособного и неработоспособного состояний. Другими словами, процесс изменения свойств объекта — это поток случайных дискретных изменений состояний. При таком представлении мерой надежности выступают характеристики перехода объекта из одного состояния в другое. Они позволяют определить, как часто осуществляются переходы, как долго объект находится в работоспособном и неработоспособном состояниях, какова вероятность наступления этих событий и т. д.

Показатели безотказности. Это такие показатели, которые оценивают способность объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени (некоторой наработки).

Предположим, что в эксплуатацию одновременно введено N ламп накаливания и поставлена задача найти количественные показатели их безотказности. Параметром работоспособности лампы служит ее световой поток. Лампа работоспособна, когда создаваемый ею световой поток находится в допустимых пределах от номинального значения. Выход параметра за пределы допустимого отклонения означает наступление отказа лампы.

Результаты наблюдения за изменением светового потока Ф каждой лампы со временем (рис. 4.2) показывают, что для некоторых из них характерно медленное, а для других — резкое снижение светового потока по сравнению с номинальным Ф_н. Моменты отказов наступают случайно. Продолжительности безотказной работы образуют группу случайных величин с разбросом от /_0min до /о_тах;

Количественное описание группы данных о безотказности возможно с помощью следующего минимального состава показателей: вероятность безотказной работы в течение некоторого времени /, находящегося в интервале /_0min < 1 < /_0тах, интенсивность отказов и средняя наработка до первого отказа.

Рис. 4.2. Результаты наблюдения за изменением светового потока Ф ламп накаливания за время эксплуатации /.

Вероятность безотказной работы — вероятность того, что в пределах заданного времени (наработки) не возникнет отказа. Математическая запись этого показателя соответствует вероятности того, что продолжительность безотказной работы Т будет больше заданного времени /:

Вероятность безотказной работы — это численная мера объективной возможности успешной работы объекта в течение интересующего нас периода времени /,-.

Если в рассматриваемом примере (см. рис. 4.2) из jV (0) ламп, пущенных в эксплуатацию при 1 = 0, после некоторого времени / = /| сохранили свою работоспособность N (1), а отказало m (t{) = jV (0) — N ( 1) ламп, то статистическая вероятность безотказной работы за время / находится из классического определения вероятности события:

где т (Г|) — число отказов объектов за время t 7V (0) — число объектов в начале наблюдения.

Пусть N (0) = 1000 ламп. Наблюдения показали, что через t_{ = 1000 ч сохранили работоспособность N () = 950 ламп, а через /₂ = 2000ч — N (2) = 450 ламп. Тогда по уравнению (4.1) находим:

Вероятность безотказной работы за время / численно равна доле объектов, сохраняющих работоспособность за это время. Иногда используют понятие вероятности отказа q (t) — вероятность того, что в пределах заданной наработки возникает отказ. Событие отказа противоположно событию безотказной работы. Поэтому вероятность отказа определяется так:

Средняя наработка до отказа — это математическое ожидание наработки объекта до первого отказа. По статистическим данным эксплуатации или испытаний этот показатель вычисляют по следующей формуле:

где i — наработка (продолжительность безотказной работы) /-го элемента до первого отказа; /У (0) — число испытуемых элементов.

В рассматриваемом примере t = 1000; УУ (1) = 950; /₂ = 2000; N (2) = = 450. Тогда по уравнению (4.3) находим:

Для восстанавливаемых объектов вместо наработки до отказа используют показатель средней наработки на отказ как среднюю продолжительность (наработку) между отказами:

где /Я/ — число отказов /-го элемента; Я, — наработка /-го элемента за время наблюдений; Я (0) — число элементов в эксплуатации (Яо = const).

Интенсивность отказов — среднее число отказов, приходящихся на единицу наработки невосстанавливаемого объекта:

N N.

где X ^т«(Я₂), X ^mi (//j) — число отказов объектов Яот начала наблюдений до наработ;

i = I / = I.

ки Hi и Н соответственно; N_n(H () — число исправных объектов от начала наблюдений до наработки Н (Hi — Н) — изучаемый интервал наработок.

Возвращаясь к лампам накаливания, имеем X т (1000) = 50;

Тогда по уравнению (4.5) находим:

Интенсивность отказов характеризует стабильность свойств объекта и показывает скорость снижения вероятности безотказности работы. Для восстанавливаемых объектов интенсивность отказов не всегда правильно характеризует свойство безотказности. Причина в том, что в отличие от невосстанавливаемых объектов, у которых моменты появления отказов образуют группу случайных величин, для ремонтируемых объектов эти моменты образуют поток случайных событий. Поэтому для восстанавливаемых объектов вместо интенсивности отказов используют параметр потока отказов — среднее число отказов, приходящихся на единицу наработки:

где я"/ — число отказов /-го элемента; Я, — — наработка /-го элемента за время наблюдений.

Показатели ремонтопригодности. Делятся на конструктивные и эксплуатационные. Конструктивная ремонтопригодность характеризует лишь техническую сторону восстанавливаемости объекта. Эксплуатационная ремонтопригодность характеризует дополнительную быстроту восстановления и зависит от квалификации обслуживающего персонала, а также от его материально-технического обеспечения.

Среднее время восстановления — это математическое ожидание продолжительности восстановления работоспособности после отказа элемента:

где — время восстановления работоспособного состояния /-го объекта; т — число обнаруженных и устраненных отказов.

Эта величина зависит от многих факторов: характера отказа, условий его отыскания и устранения, квалификации специалистов и т. п. Поэтому важно знать не только среднюю величину, но и другие вероятностные характеристики.

Вероятность восстановления работоспособного состояния:

где t — заданное время устранения отказа.

Интенсивность восстановления — число ремонтов (устраненных отказов) в единицу времени:

где п — число восстановленных элементов; /",• — продолжительность восстановления /-го элемента.

Показатели долговечности. Безотказность элемента, характеризуя непрерывность сохранения работоспособности, не отвечает на вопрос, как долго может или должен функционировать объект. Чтобы получить ответ, надо учесть особые свойства элемента, характеризующие длительность сохранения работоспособности, т. е. долговечность.

Под долговечностью понимают свойство элемента сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при соблюдении системы технического обслуживания и ремонта. Для невосстанавливаемых элементов значение долговечности совпадает со временем их эксплуатации до отказа. Количественными оценками (показателями) долговечности служат срок службы и ресурс.

Средний срок службы — это средняя календарная продолжительность службы объектов. Различают средний срок службы до первого капитального ремонта и между капитальными ремонтами.

Средний срок службы до списания — это средняя календарная продолжительность эксплуатации до предельного состояния.

Гамма-процентный срок службы — средняя календарная продолжительность эксплуатации, в течение которой объект не достигает предельного состояния с заданной вероятностью в процентах.

Ресурсом называют наработку объекта от начала эксплуатации или после ремонта до наступления предельного состояния. По аналогии со сроком службы различают средний ресурс и гамма-процентный ресурс.

Показатели сохраняемости. Характеризуют свойство элемента сохранять эксплуатационные качества во время хранения и транспортировки. Для этого используют средний срок сохраняемости и интенсивность отказов при хранении. Как видно по определению и по показателям, свойство сохраняемости может рассматриваться как специфический случай безотказности в период хранения и транспортировки. В сельском хозяйстве большая часть энергетического оборудования занята в течение года от двух до шести месяцев, а остальное время не используется. Для такого оборудования свойство сохраняемости имеет первостепенное значение.

Комплексные показатели надежности. К ним относятся коэффициент готовности, коэффициент оперативной готовности и коэффициент технического использования. Коэффициент готовности характеризует готовность объекта к функционированию, т. е. к применению по назначению:

где Т_а — средняя наработка на отказ; Т_ь — среднее время восстановления.

Можно показать, что коэффициент готовности — это вероятность застать объект в работоспособном состоянии в произвольный момент времени (без учета простоя по организационным причинам).

Коэффициент оперативной готовности характеризует готовность объекта к функционированию с учетом простоев по организационным причинам:

где Т_орГ— простой по организационным причинам: вызов ремонтных бригад, доставка запасных частей и т. п.

Коэффициент технического использования характеризует долю времени нахождения объекта в работоспособном состоянии с учетом простоя объекта на всех видах технического обслуживания и ремонта:

где г_сум — суммарная наработка; ^т.о" *рсм — суммарное время пребывания в техническом обслуживании и ремонте.

Показатели надежности электроснабжения. Все перечисленные показатели можно использовать для оценки системы сельского электроснабжения. Но для этой системы главное требование — способность в любой момент времени снабжать электрической энергией подсоединенных к ней потребителей. Поэтому основными показателями надежности принято считать число и длительность отключений.

Отключения сельских сетей вызываются различными причинами и могут быть случайными (внезапными) или преднамеренными (плановыми). Такое деление отражает не только природу наступления отключений (первые возникают при аварийных ситуациях, а вторые осуществляет обслуживающий персонал в плановом порядке), но и последствия, которые наступают у потребителя при перерывах в электроснабжении. Аварийные отключения из-за своей неожиданности всегда приносят больший ущерб, чем плановые. Для учета этих особенностей вводят понятие эквивалентной продолжительности отключений.

где Г_ав, — продолжительности соответственно аварийных и плановых отключений; у — коэффициент, учитывающий меньшую тяжесть плановых отключений (у = 0,1 …0,4).

Практические занятия

Занятие 1.1. Измерение основных электрических величин в цепях переменного тока Оборудование и приборы. Источник переменного тока (220 В). Электрический нагревательный прибор мощностью до 1 кВт. Вольтметр на 250 В. Амперметр на 10 А. Ваттметр. Частотомер. Соединительные провода.

Порядок выполнения работы. Собрать электрическую цепь с использованием нагревательного прибора, вольтметра, амперметра, ваттметра. После разрешения преподавателя подключить ее к источнику переменного тока. Измерить напряжение, силу тока, мощность и частоту тока. Рассчитать мощность, сопротивление, коэффициент мощности. Сравнить расчетные и измеренные значения мощности и сопротивления.

Занятие 1.2. Измерение сопротивления изоляции электроустановок мсгаоммстром Оборудование и приборы. Мегаомметр на 500 В. Набор электрооборудования с качественной и некачественной изоляцией (рубильники, магнитные пускатели, провода, розетки, выключатели и др.). Соединительные провода.

Порядок выполнения работы. Проверить работоспособность мегаомметра. Измерить сопротивление изоляции исправных и неисправных электроизделий. Сравнить значения сопротивления изоляции у них.

Занятие 1.3. Включение в сеть однофазного счетчика электрической энергии Оборудование и приборы. Источник переменного тока (220 В). Однофазный счетчик электрической энергии. Электрический нагревательный прибор мощностью до 1 кВт. Вольтметр на 220 В. Амперметр на 10 А, трансформатор тока. Электросекундомер. Соединительные провода.

Порядок выполнения работы. Собрать электрическую цепь с использованием однофазного счетчика, нагревательного прибора, вольтметра, амперметра и электросекундомера. После разрешения преподавателя подключить электрическую цепь к источнику переменного тока. Повторить опыт, включив в электрическую цепь трансформатор тока. Провести измерения: количества электрической энергии за определенное время, напряжения и силы тока. Рассчитать коэффициент мощности, мощность нагревателя. Сравнить расчетные и паспортные данные нагревателя.

Занятие 1.4. Изучение датчиков систем автоматического управления Оборудование и приборы. Датчики температуры: контактный ртутный термометр, термопара и термистор. Фоторезистор. Вольтметр. Миллиамперметр. Омметр. Соединительные провода.

Порядок выполнения работы. Ознакомиться с принципом действия датчиков. Снять вольт-амперные характеристики датчиков. Установить зависимость сопротивления датчиков от температуры (для датчиков температуры) и зависимость сопротивления от освещенности для фоторезистора.

Контрольные вопросы и задания

• 1. Какие формы и виды обслуживания энергетических средств вы знаете? 2. Какой прибор используется для измерения сопротивления изоляции электроустановок? 3. Какие устройства позволяют расширить пределы измерений электрических приборов?
• 4. Перечислите основные датчики температуры. 5. Назовите основные виды испытаний электрооборудования. 6. Что характеризует коэффициент абсорбции? 7. Как влияют отклонения напряжения в сети от номинальных значений на работу электрооборудования? 8. Как влияют отклонения частоты тока в сети от номинального значения на работу электрооборудования? 9. Что такое надежность работы электроустановок? 10. Что такое ремонтопригодность оборудования?