Надежность технических систем

Содержание Ведение

1. Общая часть

1.1 Надежность. Основные количественные показатели надежности технических систем

1.2 Методы повышения надежности

2. Расчетная часть

2.1 Расчет структурной схемы надёжности

2.2 Расчетов для системы с увеличенной надежностью элементов

2.3 Расчетов для системы со структурным резервированием Заключение Литература Графическая часть Ведение Надежностью называют свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортировки. Расширение условий эксплуатации, повышение ответственности выполняемых техническими системами (ТС) функций, их усложнение приводит к повышению требований к надежности изделий.

Надежность является сложным свойством, и формируется такими составляющими, как безотказность, долговечность, восстанавливаемость и сохраняемость. Основным здесь является свойство безотказности — способность изделия непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение времени. Потому наиболее важным в обеспечении надежности ТС является повышение их безотказности.

Особенностью проблемы надежности является ее связь со всеми этапами «жизненного цикла» ТС от зарождения идеи создания до списания: при расчете и проектировании изделия его надежность закладывается в проект, при изготовлении надежность обеспечивается, при эксплуатации — реализуется. Поэтому проблема надежности — комплексная проблема и решать ее необходимо на всех этапах и разными средствами. На этапе проектирования изделия определяется его структура, производится выбор или разработка элементной базы, поэтому здесь имеются наибольшие возможности обеспечения требуемого уровня надежности ТС. Основным методом решения этой задачи являются расчеты надежности (в первую очередь — безотказности), в зависимости от структуры объекта и характеристик его составляющих частей, с последующей необходимой коррекцией проекта. Некоторые способы расчета структурной надежности рассматриваются в данном пособии.

Глава 1. Общая часть

1.1 Надежность. Основные количественные показатели надежности технических систем Надежность — свойство системы сохранять во времени и в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность системы выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях эксплуатации Надежность, в сущности, является характеристикой эффективности системы.

Обобщенное количественное значение надежности системы в большинстве случаев трудно непосредственно получить из первичной информации, кроме того, она не позволяет оценить влияние различных этапов разработки и эксплуатации системы, поэтому надежность целесообразно рассматривать по трем главным составляющим, которые являются свойствами системы и могут характеризоваться как качественно, так и количественно:

— безотказность;

— восстанавливаемость (ремонтопригодность);

— готовность;

Безотказность — свойство системы сохранять работоспособность в течение требуемого интервала времени непрерывно без вынужденных перерывов.

Безотказность системы является одной из главных и определяющих составных частей надежности автоматической системы.

Для фиксированного интервала времени безотказной работы и заданных условий эксплуатации автоматическая система может находиться в одном из двух состояний: работоспособном (состояние, при котором значения параметров, характеризующих способность системы выполнять заданные функции, находятся в пределах, установленных нормативно-технической документацией) и неработоспособном (состояние системы, при котором значение хотя бы одного параметра не находится в указанных пределах). Эти состояния системы представляют противоположные события, поэтому для них справедливо равенство, основное статическое уравнение безотказности системы:

P+Q=1

где: Р — безотказность (надежность) системы;

Q — вероятность возникновения отказа системы.

Безотказность автоматической системы может служить лишь общей характеристикой системы, не позволяющей проследить влияние безотказности отдельных ее частей на безотказность автоматической системы в целом Разделение автоматической системы на элементы зависит от решения конкретной задачи при оценке ее надежности.

Восстанавливаемость — свойство системы, заключающееся в ее приспособленности к предупреждению, обнаружению и устранению причин возникновения отказов, а также поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем проведения технического обслуживания и ремонтов.

Восстановлением называется событие, заключающееся в переходе системы из неработоспособного состояния в работоспособное, вследствие не только корректировки, настройки, ремонта, но и вследствие замены отказавшего оборудования или элемента на работоспособный. Соответственно, к невосстанавливаемым относят системы, восстановление которых непосредственно после отказа считается нецелесообразным или невозможным, а к восстанавливаемым — системы в которых производится восстановление непосредственно после отказа.

Восстанавливаемость автоматической системы является характеристикой ее качества, поэтому восстанавливаемость можно определить как свойство системы, позволяющее обслуживающему персоналу определенной квалификации восстановить систему при заданных окружающих условиях.

Под количественным значением восстанавливаемости системы понимается вероятность того, что параметры ее будут восстановлены до требуемых значений за данный интервал времени обслуживающим персоналом определенной квалификации при заданных окружающих условиях.

Восстанавливаемость систем в значительной степени влияет на готовность системы к выполнению заданных ей функций.

Восстановление системы может быть двух типов:

— профилактическое;

— корректирующее.

Профилактическое, или плановое восстановление, предупреждает отказы или неправильное функционирование системы настройкой, регулировкой, а также чисткой, смазкой системы и замену узлов или деталей системы, которые имеют критические значения параметров.

Корректирующее, или неплановое восстановление, требуется при отказах системы.

Восстанавливаемость и не восстанавливаемость представляют противоположные события, поэтому, как и в случае безотказности системы, основное уравнение восстанавливаемости имеет вид Рв + Qb =1

технический система надежность резервирование где Рв — восстанавливаемость;

Qb — не восстанавливаемость системы.

Восстанавливаемость системы определяется двумя группами основных факторов.

Первую группу составляют факторы, относящиеся к схеме и конструкции системы (сложность системы, взаимозаменяемость отдельных узлов и блоков, конструктивное оформление системы для удобства обслуживания, доступность к отдельным элементам и некоторые другие).

Вторую группу составляют эксплуатационные факторы (опыт, подготовка и мастерство обслуживающего персонала, а также степень совершенства руководства обслуживающим персоналом, методика проверочных испытаний системы, совершенство снабжения запасными частями и др).

Восстанавливаемость можно существенно увеличить, применяя современные методы обнаружения и устранения неисправностей в системе. Эти методы развиваются в трех направлениях:

1 создание встроенных в систему диагностирующих устройств или применение специальных автоматических тестеров;

2 разработка методов и оборудования для граничных испытаний позволяющих профилактически заменять элементы, параметры которых в значительной степени изменились вследствие износа или старения;

3 перераспределение функций, выполняемых элементами при появлении отказов, и самонастройка параметров системы, При этом структура системы выбирается таким образом, чтобы элементы, принявшие на себя функции отказавших элементов, в условиях повышенных на них нагрузок были бы в состоянии обеспечить эффективную работоспособность системы до окончания выполнения стоящих перед системой задач. Отказавшие элементы можно восстановить в период проведения профилактических мероприятий.

Готовность — свойство системы выполнять возложенные на нее функции в любой произвольно выбранный момент времени в установившемся процессе эксплуатации. Готовность определяется как безотказностью, так и восстанавливаемостью системы.

Готовность системы определяется ее безотказностью и восстанавливаемостью, которые в свою очередь являются вероятностными характеристиками системы. Таким образом, готовность системы также является вероятностной характеристикой.

Готовность — вероятность того, что система в рассматриваемый момент времени готова для выполнения предназначенных ей функций, т. е. система должна быть готова к выполнению предназначенных ей функций к началу рабочего интервала времени. Для ряда автоматических систем связи, защиты, блокировки обычно требуется постоянная готовность.

В общем виде готовность системы определяется через вероятность отказа Q и невосстанавливаемость Qв по следующей формуле:

Рг = 1 — Qв Q

Уравнение (1.4) показывает, что готовность системы при фиксированной одной характеристике безотказности или восстанавливаемости может быть повышена за счет увеличения другой. В частности, при низкой безотказности системы готовность может быть увеличена соответствующим увеличением восстанавливаемости. Если восстановление систем не производится, то, как следует из уравнения (1.4), готовность определяется безотказностью системы.

1.2 Методы повышения надежности В соответствии с тремя главными фазами, которые проходит каждая система, будем рассматривать три метода повышения надежности систем: при проектировании, производстве и эксплуатации.

Следует отметить, что только объединенными мерами на каждой из этих фаз можно добиться высокой надежности создаваемой и эксплуатируемой системы. Тем не менее, решающее влияние на надежность автоматических систем оказывает фаза проектирования.

Наряду с выбором простой схемы, большое влияние на безотказность системы имеет выбор стабильной схемы. В стабильной по принципу действия схеме обычно наблюдаются минимальные связи между параметрами отдельных элементов, а также обеспечивается минимальное влияние отклонений параметров элементов на величину ошибки в выходной величине системы. Таким образом, выбор простой и стабильной по принципу действия схемы является одной из главных мер обеспечения высокой безотказности системы как при внезапных, так и при постепенных отказах.

Большое влияние на безотказность системы оказывают условия ее работы, а именно: воздействующие на систему и элементы механические, климатические нагрузки и т. д. При проектировании системы необходимо максимально уменьшить влияние внешних и внутренних нагрузок на систему и ее элементы.

В качестве дополнительных конструктивных мер, обеспечивающих повышение безотказности, можно указать на методы снижения влияния механических нагрузок путем применения специальных конструктивных форм устройств, амортизаторов Таким образом, на стадии проектирования надежность нерезервированной системы обеспечивается следующими основными методами:

1 выбором простых и стабильных схем, учитывающих также возможности повышения надежности системы при эксплуатации;

2 применением качественных и перспективных элементов и выбором режимов работы элементов, соответствующих пониженным электрическим нагрузкам;

3 разработкой конструкции системы и приборов, обеспечивающей минимальные нагрузки на систему и элементы, а также удобство обслуживания системы.

Если в результате проектирования нерезервированной системы не удается обеспечить требуемую безотказность, можно применять следующие методы повышения надежности системы при эксплуатации:

1 обратные связи;

2 резервирование.

Применение отрицательных обратных связей позволяет стабилизировать параметры отдельных узлов, блоков и приборов системы, т. е. уменьшать вероятность отказа системы вследствие постепенных отказов.

Повышение надежности изделий и систем может быть достигнуто с помощью резервирования.

Резервирование бывает информационное, временное, функциональное, аппаратурное и структурное. Аппаратурное резервирование обеспечивается применением нескольких одинаковых устройств для достижения заданной цели, например, прием и запись уникальной информации одновременно на 2—3 устройства. Структурное (схемное) резервирование состоит в применении специальных схем соединений основного и резервного элементов.

Используют поэлементное резервирование и резервирование всей цепи основных элементов (нагруженный резерв). В полностью резервированной системе отказ одного или нескольких элементов не приводит к отказу всей системы. При постоянном резервировании, которое иногда называют пассивным, резервные устройства постоянно включены в схему, при этом до момента ремонта включенными в схему остаются и отказавшие устройства. Постоянное резервирование отличается простотой схем, возможностью применения к различным конструкциям (системам, приборам, узлам, элементам) и даже к внутриэлементным связям.

Для ряда устройств автоматических систем постоянное резервирование технически трудно осуществить, а в некоторых случаях даже невозможно.

Постоянному резервированию присущи также недостатки, связанные с увеличением веса, объема, стоимости аппаратуры и усложнением эксплуатации. Вес системы с постоянным резервированием может быть значительно уменьшен благодаря применению микроминиатюрных и молекулярных элементов.

Резервирование с поэлементным замещением (ненагруженный резерв). Достоинство — в сохранении ресурса резервных элементов. Недостаток — в дополнительной возможности отказа переключающего элемента.

Резервирование с общим замещением (ненагруженный резерв). Общее правило, которое можно применять в схемном резервировании, гласит: чем мельче масштаб резервирования, тем больше надежность.

Широко используется схема мажоритарного резервирования, которая носит также название «схема голосования из трех по два». Неисправный канал автоматически исключается из линии передачи информации.

Резервирование осуществляют также с применением логических схем. Такое резервирование называют активным. Применение логических схем обеспечивает неизменность параметров схемы при отказах элементов, повышает безотказность системы при их использовании для устройств, характеризующихся отказами двух типов, позволяет сохранять ресурс резервных устройств, находящихся в режиме ожидания в ненагруженном состоянии. Резервирование с логическими схемами неизбежно связано с применением дополнительных устройств в виде индикаторов отказа, переключателей и т. д.

Надежность автоматической системы может в значительной степени снизиться также под воздействием внешних помех, перемежающихся или самовосстанавливающихся отказов и др., приводящих к искажению передаваемой информации. В этих случаях эффективным средством повышения надежности систем является применение, особенно в дискретных информационных системах, самокорректирующих кодов и избыточности передаваемой информации. Применение того или иного метода резервирования зависит от конкретных условий, от назначения и особенностей работы системы.

В общем случае невозможно применением только одного метода резервирования добиться высокой надежности автоматической системы. Высокая надежность системы может быть обеспечена только в результате комбинированного применения методов резервирования. Одним из направлений создания высоконадежных автоматических систем на основе комбинированных методов резервирования является применение самонастраивающихся и самоорганизующихся систем. При помощи постоянного резервирования можно обеспечить функционирование системы с вероятностью, весьма близкой к единице. Однако при отказах резервных элементов в значительной степени могут измениться выходные параметры, при этом отклонения параметров могут быть такими, что, несмотря на отсутствие отказа системы, она не удовлетворяет предъявляемым требованиям. Комбинированное применение постоянного резервирования и метода самонастройки параметров при отказе резервных элементов позволяет избежать недостатков, присущих только постоянному резервированию. Еще большие возможности повышения надежности могут представиться в результате применения самоорганизующихся систем, в которых при отказах отдельных элементов или изменении внешних условий изменяется структура системы, перераспределяются функции между ее отдельными элементами.

Одним из наиболее важных средств обеспечения высокой безотказности системы на стадии эксплуатации является строгое соблюдение условий технологических процессов.

Соблюдение установленных технологических процессов должно начинаться с входного контроля материалов и изделий, применяемых в системе, обеспечении при необходимости качественной замены материалов.

Наряду с производственным контролем безотказность сложных систем может быть существенно повышена, особенно для начального периода эксплуатации, проведением тренировочных испытаний системы (приработки) в производственных условиях. Это позволяет устранить большинство производственных и скрытых отказов, если приработка системы проходит при больших, по сравнению с номинальными, нагрузками.

Правильная организация эксплуатации системы является одним из решающих факторов обеспечения высокой надежности. Большое значение имеет и своевременное проведение профилактических мероприятий, позволяющих предупредить появление отказов системы в рабочий период времени. Одним из современных методов профилактики является прогнозирование отказов, позволяющее своевременно заменить так называемые критические элементы и тем самым исключить их отказы. Естественно, что полностью исключить отказы в рабочий период не удается, поэтому необходимо проектировать систему и правила ее эксплуатации таким образом, чтобы обеспечить минимальное время восстановления отказавшей системы. В этой связи большое значение имеет разработка схем автоматической проверки и обнаружения отказов (системы диагностирования), а также, если это возможно, и схем самовосстановления отказов. Из эксплуатационных факторов важная роль в поддержании высокой надежности автоматических систем принадлежит обслуживающему персоналу, его технической подготовке, опыту и другим качествам.

Таким образом, высокая надежность автоматических систем может быть обеспечена только комплексом методов, применяемых на всех фазах создания и эксплуатации системы.

Глава 2. Расчетная часть

2.1 Расчет структурной схемы надёжности На рис. 1. представлена структурная схема установки ЭЛОУ АВТ.

Рис 1. Структурная схема установки ЭЛОУ АВТ.

На рис. 2. представлена преобразованная структурная схема установки ЭЛОУ АВТ.

Рис 2. Преобразованная структурная схема установки ЭЛОУ АВТ.

Параметры системы:

Таблица 1

Расчётные формулы :

P=eл* t — вероятность безотказно работы одного элемента;

Pa=Pn*Pm — вероятность безотказной работы последовательно соединенных элементов;

Pa=1-(1-Pn)*(1-Pm) — вероятность безотказной работы параллельно соединённых элементов, где л — наработка; P, Pa, Pn, Pm — вероятность безотказной работы; t — время;

Расчёт надёжности элементов при t= 0.1*106:

P1=e-0.4*0.1 = 0.975;

P2=e-0.3*0.1 = 0.975;

P3=e-0.5*0.1 = 0.99;

P4=e-0.2*0.1 = 0.99;

P5=e-0.5*0.1 = 0.998;

P6=e-0.3*0.1 = 0.904;

P7=e-0.7*0.1 = 0.904;

P8=e-0.7*0.1 = 0.904;

P9=e-0.1*0.1 = 0.990;

P10=e-0.5*0.1 = 0.951;

P11=e-1*0.1 = 0.951;

P12=e-1*0.1 = 0.951;

P13=e-1*0.1 = 0.932;

P14=e-0.4*0.1 = 0.970;

P15=e-0.4*0.1 = 0.960;

P16=e-0.3*0.1 = 0.980;

P17=e-0.5*0.1 = 0.951;

P18=e-0.1*0.1 = 0.980;

P19=e-0.7*0.1 = 0.980.

Расчёт надёжности квазиэлементов при t= 0.1*106:

Pa=(1-(1-P1)(1-P2))(1-(1-P3)(1-P4))= 0.999;

Pb=P5(1-(1-P6)(1-P7)(1-P8) = 0.997;

Pc=P9(1-(1-P10)(1-P11)(1-P12) = 0.990;

Pd=1-(1-P13)(1-P14*P15)(1-P16*P17) = 0.999;

Pe=1-(1-P18)(1-P19) = 0.999;

Расчёт надёжности всей системы при t = 0.1*106:

Pсистемы=Pa*Pb*Pc*Pd*Pe = 0.985.

Результаты расчетов вероятностей безотказной работы всей системы представлены в таблице 2.

2.2 Расчетов для системы с увеличенной надежностью элементов Увеличение надёжности системы в 2 раза путём изменения л в 9, 10,11 и 12 элементе. Я изменяю л в этих элементах, так как их надёжность в квазиэлементах мала.

Расчёт надёжности элементов, квазиэлементов и системы при t= 0.1*106 я производил точно так же как и для структурной схемы надёжности — пункт 2.1.

Результаты расчетов вероятностей безотказной работы для системы с увеличенной надежностью элементов представлены в таблице 2.1.

2.3 Расчетов для системы со структурным резервированием Увеличение надёжности системы в 2 раза путём параллельно добавления элементов. Произвёл добавление элементов в квазиэлементы Pb, Pd и Pe, так как эти они обладают малой надёжностью. На рис. 3. представлена схема установки ЭЛОУ АВТ с добавочными элементами.

Рис. 3. Схема установки ЭЛОУ АВТ с добавочными элементами.

Расчёт надёжности элементов при t= 0.1*106 произвёл так же, как и для структурной схемы надёжности — пункт 2.1.

Расчёт надёжности добавочных элементов при t= 0.1*106:

Pд1=e-0.8*0.1= 0,923;

Pд2=e-0.6*0.1= 0,941;

Pд3=e-3*0.1= 0,740.

Расчёт надёжности квазиэлементов при t= 0.1*106:

Pa=1-(1-P1*P2)*(1-P3*P4) = 0.995;

Pb= 1-(1-P5*P6)*(1-Pд1) = 0.994;

Pc=1-(1-P7)*(1-P8) = 0.995;

Pd=1-(1-P9*P10)*(1-Pд2) = 0.995;

Pe=1-(1-P11)*(1-P12)*(1-P13)*(1-Pд3) = 0.999;

Pf=1-(1-P14*P15)*(1-P16*P17)*(1-P18*P19) = 0.999.

Расчёт надёжности всей системы при t= 0.1*106:

Pсистемы= 0.981.

Результаты расчетов вероятностей безотказной работы для системы со структурным резервированием представлены в таблице 2.2.

Заключение

В данной курсовой работе, я рассчитал надёжность установки ЭЛОУ АВТ. Далее повышал надёжность в 2 раза. Для этого было предложено два способа:

— повышение надёжности элементов и уменьшение их отказов;

— увеличение надёжности системы с помощью структурного резервирования.

Построил график рис. 4., на которых показаны 3 характеристики, которые пересекают прямую г =0.7.

Анализируя характеристики безотказной работы системы от времени, я могу сделать вывод, что способ повышения надёжности с увеличением надежности элементов предпочтительнее метода повышения надёжности с помощью структурного резервирования, так как в период наработки до 1*106 часов, вероятность безотказной работы системы при увеличении надежности элементов (кривая 2) выше чем при структурном резервировании (кривая 3) рис. 4.

Литература

Интернет, лекции по надёжности.

Графическая часть Таблица 2. Расчёт надёжности всей системы.

Характеристика безотказной работы всей системы показана на рис. 4. под цифрой 1.

Таблица 2.1. Расчёт для системы с увеличенной надежностью элементов.

Характеристика безотказной работы для системы с увеличенной надежностью элементов показана на рис. 4. под цифрой 2.

Таблица 2.2. Расчёт для системы со структурным резервированием.

Характеристика безотказной работы для системы со структурным резервированием показана на рис. 4. под цифрой 3.

Рис. 4.

1- Характеристика безотказной работы всей системы.

2- Характеристика безотказной работы для системы с увеличенной надежностью элементов.

3- Характеристика безотказной работы для системы со структурным резервированием.