Методические указания по БЖД

Временное резервирование (с применением резервов времени) реализуется

сиспользованием следующих приемов:

-увеличение расчетного времени функционирования, необходимого для выполнения поставленной задачи или выпуска заданного объема продукции;

-разработка оборудования на большее, чем расчетное, значение производительности;

-введение в структуру системы промежуточных накопителей продукции;

-обеспечение функциональной инерционности элементов системы. Использование временного резервирования может обеспечить безостано-

вочную работу системы при отказе некоторых ее элементов на время, необходимое для их восстановления или замены. Не изменяя вероятности безотказной работы системы, временное резервирование улучшает комплексные показатели надежности.

Информационное резервирование (с применением резервов информации) применяется в объектах, в которых возникновение отказа приводит к потере или искажению обрабатываемой или передаваемой информации (в системах контроля, диагностики и управления, в вычислительной технике и т. д.). Используются следующие приемы информационного резервирования:

-многократная передача информации по одному каналу;

-параллельная передача информации по нескольким каналам;

-замена полной информации кодированной.

Функциональное резервирование (с использованием функциональных резервов) предусматривает использование способности элементов выполнять дополнительные избыточные функции (например, резервирование нескольких специализированных станков одним универсальным).

Нагрузочное резервирование (с применением нагрузочных резервов) заключается в обеспечении оптимальных запасов способности элементов выдерживать действующие на них нагрузки или введении в объект дополнительных защитных или разгружающих элементов для защиты основных элементов от нагрузок (например, использование коэффициентов запаса прочности, использование предохранительных устройств).

Структурное резервирование (с применением резервных элементов) осуществляется путем введения в структуру объекта дополнительных элементов, выполняющих функции основных элементов в случае их отказа.

Классификация различных способов структурного резервирования осуществляется по следующим признакам:

1) по схеме включения резерва:

–общее резервирование, при котором резервируется объект в целом;

–раздельное резервирование, при котором резервируются отдельные элементы или их группы;

2) по однородности резервирования:

–однородное резервирование, при котором используется один способ резервирования;

–смешанное резервирование, при котором сочетаются различные виды резервирования;

21

3) по способу включения резерва:

–постоянное резервирование, при котором при отказе элемента перестройки структуры системы не происходит;

–динамическое резервирование, при котором при отказе элемента происходит перестройка структуры системы;

–резервирование замещением, при котором функции основного элемента передаются резервному только после отказа основного;

–скользящее резервирование, при котором несколько основных элементов резервируются одним или несколькими резервными, каждый из которых может заменить любой основной;

–фиксированное резервирование, при котором каждый резервный элемент закреплен за одним из основных;

4) по восстановлению работоспособности отказавших элементов:

–резервирование с восстановлением (восстанавливаемый резерв), при котором работоспособность отказавших резервных элементов восстанавливается без прекращения функционирования всей системы;

–резервирование без восстановления (не восстанавливаемый резерв), при котором работоспособность отказавших элементов не восстанавливается;

5) по состоянию резерва:

–нагруженное («горячее») резервирование (нагруженный резерв), при котором резервные элементы находятся в режиме основного элемента;

–облегченное («теплое») резервирование (облегченный резерв), при котором резервные элементы находятся в менее нагруженном режиме по сравнению

сосновным;

–ненагруженное («холодное») резервирование (ненагруженный резерв), при котором резервные элементы до начала выполнения ими функций основного элемента находятся в ненагруженном режиме.

Основной характеристикой структурного резервирования является кратность резервирования – отношение числа резервных элементов к числу основных, выраженное несокращенной дробью. Резервирование одного основного элемента одним резервным (1:1) называется дублированием.

Практически любой вид структурного резервирования сводится к замене одного или группы последовательно соединенных элементов группой элементов с параллельным соединением. Как уже отмечалось (см. разд. 2), даже при высокой надежности элементов надежность системы с последовательным соединением (или ее фрагмента) оказывается низкой и не превышает надежности самого ненадежного из элементов, то есть даже из сравнительно высоконадежных элементов нельзя создать высоконадежную систему с последовательным соединением. Структурное же резервирование позволяет создавать высоконадежные системы даже из малонадежных элементов. Теоретически, увеличивая число резервных элементов, можно создать систему любой надежности.

Количественно повышение надежности системы в результате резервирования (или любой другой модернизации) можно оценить по коэффициенту выигрыша надежности, определяемому как отношение показателей надежности до и после преобразования. Например, для системы из n последовательно со-

22

единенных элементов после резервирования одного из элементов (k-го) аналогичным по надежности элементом коэффициент выигрыша надежности по вероятности безотказной работы

Из формулы (43) следует, что эффективность резервирования тем больше, чем меньше надежность резервируемого элемента (при pk = 0,9 Gp = 1,1, при pk = 0,5 Gp = 1,5). Следовательно, при структурном резервировании максимального эффекта можно добиться при резервировании самых ненадежных элементов (или групп элементов).

В общем случае при выборе элемента (или группы элементов) для повышения надежности или резервирования необходимо исходить из условия обеспечения максимального эффекта, причем в качестве критерия эффективности могут использоваться как конструктивные, технологические, производственные или экономические показатели, так и показатели надежности.

Например, для мостиковой системы (рис. 5 а), из формулы (25) можно получить выражения для частных производных вероятности безотказной работы системы по вероятности безотказной работы каждого из элементов, которые для идентичных по надежности элементов принимают следующий вид:

Очевидно, максимальное увеличение надежности системы обеспечит увеличение надежности или резервирование того элемента, частная производная для которого при данных условиях принимает максимальное положительное значение. Сравнение выражений (44) и (45) показывает, что при любых положительных значениях p и q выражение (44) больше выражения (45) и, следовательно, в мостиковой системе с идентичными элементами эффективность повышения надежности или резервирования «периферийных» элементов 1, 2, 4 и 5 (рис.5а) выше, чем центрального элемента 3, если в качестве критерия эффективности принять вероятность безотказной работы.

В более сложных случаях для выбора элементов используются как аналитические, так и специальные численные методы оптимизации надежности.

3.3. Расчет надежности систем с резервированием

Расчет характеристик надежности систем с резервированием определяется видом резервирования. Ниже приведены методики расчета систем с резервированием для самых распространенных случаев.

Следует отметить, что все нижеприведенные зависимости получены без учета надежности переключающих устройств, обеспечивающих перераспределение нагрузки между основными и резервными элементами (то есть для случаев «идеальных» переключателей). В реальных условиях при резервировании

23

При экспоненциальном распределении характеристик надежности в случае λt << 1 можно воспользоваться приближенной формулой

i =1

или для идентичных по надежности элементов Т = nt.

Облегченное резервирование используется при большой инерционности переходных процессов, происходящих в элементе при его переходе из резервного в основной режим, но использовать нагруженное резервирование нецелесообразно из-за недостаточного выигрыша в надежности. Очевидно, облегченный резерв занимает промежуточное положение между нагруженным и ненагруженным.

Точные формулы для расчета надежности системы при облегченном резервировании довольно громоздки, однако при экспоненциальном законе распределения характеристик надежности элементов в основном и облегченном режиме можно воспользоваться приближенной формулой

где λ0 – интенсивность отказов элементов в облегченном режиме.

Скользящее резервирование используется для резервирования нескольких одинаковых элементов системы одним или несколькими резервными (рис. 14). Очевидно, отказ системы произойдет, если число отказавших элементов превысит число резервных. Расчет систем со скользящим резервированием аналогичен расчету мажоритарных систем «m из n» (разд.2.3).

25

4.Методические рекомендации

квыполнению контрольного задания

Контрольное задание содержит уже готовую структурную схему технической системы и значения интенсивности отказов ее элементов, то есть для завершения анализа надежности (разд.1) необходимо выполнить п.7 - составить расчетные зависимости для определения показателей надежности системы для различных значений наработки t, чтобы графически изобразить вероятность безотказной работы P(t) как функцию наработки.

Поскольку заданная схема надежности является комбинированной, ее следует подвергнуть декомпозиции (разд.2.5). Далее, вводя соответствующие квазиэлементы, преобразовать исходную схему к простейшему виду (системе с последовательным соединением) и, используя соответствующие формулы п.2.1- 2.4, для ряда значений наработки t в предположении простейшего потока отказов и, соответственно, экспоненциального распределения наработки отдельных элементов, вычислить значения вероятностей безотказной работы элементов, квазиэлементов и всей системы. В пояснительной записке следует привести все промежуточные преобразования исходной схемы, конкретные рабочие расчетные формулы с их обоснованием, а результаты расчета представить в виде таблицы, в которой приводятся вычисленные значения вероятностей безотказной работы элементов, квазиэлементов и всей системы, полученные по рабочим формулам, для 5-10 значений наработки. При этом диапазон измерения наработки t должен обеспечить снижение вероятности безотказной работы системы до уровня 0,1–0,2 (10-20%).

После этого по результатам расчетов строится график зависимости вероятности безотказной работы системы от наработки, по которому исходя из заданного значения γ определяется γ-процентная наработка системы Tγ.

Требуется также предложить способы увеличения γ-процентной наработки в 1,5 раза за счет повышения надежности элементов и за счет структурного резервирования.

Предварительно следует определить квазиэлемент (квазиэлементы) и элемент (элементы), повышение надежности которых даст максимальный эффект в отношении надежности всей системы. Критерии их выбора приведены в разд.3, при этом предпочтение следует отдавать аналитическим (по значениям частных производных), затем численным и графическим (графоаналитическим) методам.

Зная вероятности безотказной работы всех элементов и квазиэлементов схемы и требуемое значение γ-процентной наработки, легко определить, какую вероятность безотказной работы должны иметь квазиэлементы и элементы, выбранные для модернизации.

По первому варианту модернизации необходимо определить интенсивности отказов элементов, входящих в выбранный квазиэлемент, при которых при неизменной структуре системы обеспечивалось бы необходимое значение γ-

26

процентной наработки. Для найденного решения следует выполнить проверочный расчет вероятности безотказной работы системы за время γ-процентной наработки. Отклонение расчетного значения от заданного не должно превы-

шать 0,005 (т.е. 5%).

По второму методу надежность выбранного квазиэлемента можно повысить за счет резервирования без изменения надежности составляющих элементов. При этом, основываясь на рекомендациях и соображениях, изложенных в разд.3, учитывая структуру модернизируемого квазиэлемента (квазиэлементов), необходимо выбрать, какие из элементов следует резервировать для достижения наибольшего эффекта. Далее остается определить необходимую кратность резервирования, при этом предпочтение следует отдавать аналитическим методам, затем графическим. При невозможности их применения для решения задачи нужно последовательно увеличивать кратность резервирования до достижения необходимого значения вероятности безотказной работы системы. Преобразованную таким образом систему с резервированием следует привести в пояснительной записке.

Для построения зависимостей вероятностей безотказной работы от времени для модернизированной системы по первому и второму методу удобно дополнить ранее составленную таблицу соответствующими строками. Графики этих зависимостей следует изобразить совместно с кривой P(t) исходной системы. Полученное семейство кривых позволяет провести сравнение двух вариантов модернизации, которое следует привести в качестве вывода к работе.

Пояснительная записка должна быть оформлена в соответствии с требованиями ЕСКД. Все действия и использование расчетных сотношений должны быть объяснены и обоснованы. Для заимствуемой информации (формулы, численные значения констант) необходимо указать источник заимствования.

Варианты контрольного задания и пример его выполнения приведены в приложениях.

27

5.Контрольные вопросы

1.Показатели качества промышленной продукции.

2.Основные понятия надежности.

3.Классификация объектов по надежности.

4.Классификация и причины возникновения отказов.

5.Классификация отказов.

6.Анализ причин возникновения отказов.

7.Показатели надежности.

8.Показатели безотказности.

9.Показатели долговечности.

10.Показатели ремонтопригодности.

11.Показатели сохраняемости.

12.Комплексные показатели надежности.

13.Экономические показатели надежности.

14.Нормируемые показатели надежности.

15.Случайные события и их характеристики.

16.Основные понятия теории вероятностей .

17.Теоремы сложения вероятностей .

18.Теоремы умножения вероятностей .

19.Предельные теоремы теории вероятностей .

20.Случайные величины и функции распределения.

21.Основные понятия и определения .

22.Характеристики случайных величин .

23.Законы распределения дискретных случайных величин.

24.Законы распределения непрерывных случайных величин .

25.Смеси распределений.

26.Случайные векторы (многомерные случайные величины).

27.Функции от случайных величин.

28.Регрессионные зависимости.

29.Элементы теории случайных функций и процессов.

30.Основные понятия и определения .

31.Цепи Маркова ,.

32.Случайные потоки .

33.Элементы теории массового обслуживания .

34.Марковские процессы с непрерывным временем.

35.Элементы математической статистики.

36.Основные понятия и определения .

37.Оценка параметров распределения случайных величин .

38.Проверка статистических гипотез .

39.Преобразование Лапласа .

40.Элементы математической логики.

41.Основные понятия алгебры логики .

42.Таблицы истинности формул алгебры логики .

43.Переключательные схемы .

44.Элементы теории графов.

45.Основные понятия и определения .

46.Матричный способ задания графов .

47.Элементы комбинаторики.

48.Физические основы надежности.

49.Физика отказов.

50.Основные положения физической теории надежности.

28

51.Процессы изменения свойств и работоспособности элементов.

52.Физико-химические процессы в материалах.

53.Термоактивационные процессы.

54.Кинетика химических реакций.

55.Элементы теории дефектов в твердых телах.

56.Процессы диффузии.

57.Сорбционные процессы.

58.Строение и свойства поверхностного слоя.

59.Процессы механического разрушения.

60.Общие закономерности процессов.

61.Образование и развитие трещин.

62.Принцип суммирования повреждений.

63.Усталостное разрушение материалов.

64.Адсорбционное снижение прочности.

65.Коррозионное разрушение материалов.

66.Трение и износ материалов.

67.Эрозионное разрушение материалов.

68.Процессы теплового разрушения.

69.Плавление твердых материалов.

70.Сублимация (испарение) твердых материалов.

71.Процессы электрического разрушения.

72.Электрический пробой диэлектриков.

73.Электрический пробой полупроводников.

74.Процессы старения материалов.

75.Старение металлов и сплавов.

76.Старение полимерных материалов.

77.Старение полупроводниковых материалов и приборов.

78.Методы повышения и обеспечения надежности.

79.модели надежности.

80.Основы моделирования надежности.

81.Методы моделирования надежности.

82.Дискретные модели надежности.

83.Непрерывные модели надежности.

84.Вероятностные модели отказов элементов.

85.Прочностная надежность (модель внезапных отказов).

86.Параметрическая надежность (модель постепенных отказов).

87.Чувствительность технических объектов к условиям эксплуатации.

88.Статистическое моделирование надежности.

89.Метод Монте-Карло.

90.Статистическое моделирование прочностной надежности.

91.Статистическое моделирование параметрической надежности.

92.Структурная НАДЕЖНОСТЬ СИСТЕМ.

93.Анализ надежности технических объектов.

94.Системный анализ надежности технических систем.

95.Структурно-логический анализ технических систем.

96.Методы расчета структурной надежности систем.

97.Системы с последовательным соединением элементов.

98.Системы с параллельным соединением элементов.

99.Мажоритарные системы.

100.Мостиковые системы.

101.Комбинированные системы.

102.Многофункциональные системы.

29

103.Методы повышения структурной надежности систем.

104.Надежность систем с резервированием.

105.Нагруженное резервирование.

106.Ненагруженное резервирование.

107.Облегченное резервирование.

108.Скользящее резервирование.

109.Оптимизация структурного резервирования.

110.Надежность систем с восстановлением.

111.Граф состояний технической системы.

112.Расчет надежности систем с восстановлением.

113.Надежность систем с зависимыми элементами.

114.Статистическое моделирование.

115.структурной надежности систем.

116.Моделирование надежности систем при внезапных отказах.

117.Моделирование параметрической надежности систем.

118.проектирование надежности систем.

119.Задачи и методы проектных исследований надежности.

120.Обоснование и расчет норм надежности.

121.Ориентировочный расчет надежности.

122.Полный расчет надежности.

123.Расчет безотказности систем при проектировании.

124.Системы с последовательно-параллельным соединением.

125.Системы со сложной структурой.

126.Многофункциональные системы.

127.Требования к показателям безотказности систем и агрегатов.

128.Проектный анализ надежности систем.

129.Определение вероятности обеспечения ресурса.

130.Расчет структурных схем надежности.

131.Требования к ресурсам сборочных единиц.

132.Прогнозирование ресурса и затрат на капитальный ремонт.

133.Обоснование требований к показателям сохраняемости.

134.Проектный анализ надежности сборочных единиц.

135.Логический метод структурного анализа надежности.

136.Формализованный метод структурного анализа надежности.

137.Прогнозирование распределения наработки до первого отказа.

138.Требования к ресурсам элементов и ремонтопригодности узлов.

139.Эксплуатация и ремонт технических систем.

140.Надежность технических систем при эксплуатации.

141.Эксплуатационные методы обеспечения надежности.

142.Система технического обслуживания и ремонта.

143.Планирование системы технического обслуживания и ремонта.

144.Оптимизация систем технического обслуживания.

145.Схемы обеспечения работоспособности технических систем.

146.Расчет норм запасных элементов.

147.Определение количества резервных элементов.

148.Модель «гибели и размножения».

149.Основные характеристики ремонтоспособности системы.

150.Эксплуатация и ремонт сложных технических систем.

151.Особенности эксплуатации сложных технических систем.

152.Модель замкнутой системы массового обслуживания.

153.Модель открытой системы массового обслуживания.

154.Объемы производства и расход запасных частей.

30