Надежность технических систем

Введение 

 

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 . 

 

 

 

       2 Термины и определения

 

2.1 Надежность - 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.

2.2 Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторой наработки или в течение некоторого времени. 
        2.3 Срок службы – календарная продолжительность эксплуатации от ее начала до наступления предельного состояния

2.4 Долговечность – свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов.

2.5 Деление системы на элементы - процедура условная и производится на том уровне, на котором удобно ее рассматривать для решения конкретной задачи.

2.6 Объект – это предмет определенного целевого назначения, рассматриваемый в периоды проектирования, производства, эксплуатации, изучения, исследования и испытаний на надежность.

2.7 Качество  объекта — совокупность свойств и признаков, определяющих его пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с его назначением, и выражающая его специфику и отличие от других объектов.

 

 

 

 

 

      

        3 Надежность технических систем

 

Надежность - 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.

Показатель надежности — это количественная характеристика одного или нескольких свойств, составляющих надежность объекта. Показатель надежности может иметь размерность (например, вероятность безотказной работы).

При рассмотрении показателей  надежности следует различать:

а) наименование показателя (например, средняя наработка на отказ);

б) численное значение, которое может изменяться в зависимости  от условий эксплуатации объектов;

в) формулировку сущности этой величины;

г) размерность показателя (при ее наличии).

Формулировка показателя должна содержать указания о способах расчетного или экспериментального определения его численного значения. Многие показатели надежности являются параметрами распределения случайных  величин.

Различают единичные  и комплексные показатели надежности.

Единичный показатель надежности - это показатель, характеризующий одно из свойств, составляющих надежность объекта (например, наработка на отказ датчика характеризующая безотказность).

       Комплексный показатель надежности - это показатель, характеризующий несколько частных свойств надежности объекта. Надёжность - важный показатель качества объекта. Его нельзя ни противопоставлять, ни смешивать с другими показателями качества. Явно

недостаточной, например, будет информация о качестве установки очистки, если известно только то, что она обладает определенной производительностью и некоторым коэффициентом очистки, но неизвестно, насколько устойчиво сохраняются эти характеристики при ее работе. Бесполезна также информация о том, что установка устойчиво сохраняет присущие ей характеристики, но неизвестны значения этих характеристик. Вот почему в определение понятия надёжности входит выполнение заданных функций и сохранение этого свойства при использовании объекта по назначению. 
          Надёжность является комплексным свойством, включающим в себя в зависимости от назначения объекта или условий его эксплуатации ряд простых свойств:  безотказность, долговечность,  ремонтопригодность, 

сохраняемость.  
         Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторой наработки или в течение некоторого времени. 
       Наработка – продолжительность или объем работы объекта, измеряемая в любых неубывающих величинах.

Долговечность – свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов.  
         Ремонтопригодность – свойство объекта, заключающееся в его приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, поддержанию и восстановлению работоспособности путем проведения ремонтов и технического обслуживания. 
         Сохраняемость – свойство объекта непрерывно сохранять требуемые эксплуатационные показатели в течение (и после) срока хранения и транспортирования. 
         Показатель надёжности  количественно характеризует, в какой степени

данному объекту присущи  определенные свойства, обусловливающие  надёжность. Одни показатели надёжности  (например, технический ресурс, срок службы) могут иметь размерность, ряд других (например, вероятность безотказной работы, коэффициент готовности) являются безразмерными. 
         Технический ресурс – наработка объекта от начала его эксплуатации или возобновления эксплуатации после ремонта до наступления предельного состояния.

Назначенный ресурс – суммарная наработка объекта, при достижении которой эксплуатация должна быть прекращена независимо от его состояния. 
          Срок службы – календарная продолжительность эксплуатации от ее начала до наступления предельного состояния. Деление системы на элементы — процедура условная и производится на том уровне, на котором удобно ее рассматривать для решения конкретной задачи. Например, можно рассматривать генератор, трансформатор блочных станций как отдельные элементы, но иногда их удобно объединить в один элемент. Условность подразделения системы на элементы состоит еще и в том, что любой элемент, в свою очередь, может рассматриваться как система. Например, воздушная линия электропередачи (ВЛ) состоит из таких элементов, связанных определенным образом, как гирлянды изоляторов, опоры, фундаменты, провода, тросы, заземлители и т. д. В связи с этим, рассматривая многие свойства и характеристики элементов и систем, в тех случаях, где нет необходимости подчеркивать свойства, присущие только системам или только элементам, будем говорить об объектах. В качестве объекта могут рассматриваться система, подсистема или элемент. Объект – это предмет определенного целевого назначения, рассматриваемый в периоды проектирования, производства, эксплуатации, изучения, исследования и испытаний на надежность. Объектами могут быть системы и их элементы, в частности технические изделия, устройства, аппараты, приборы, их составные части, отдельные детали и т.д.

       Качество  объекта — совокупность свойств и признаков, определяющих его пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с его назначением, и выражающая его специфику и отличие от других объектов.    Общей характеристикой показателей надёжности является то, что они имеют вероятностную природу и характеризуют вероятность наступления определённого события или выполнения заданных требований. Возможны оценки надёжности средним значением контролируемой случайной величины (СВ), дополненным доверительными границами.  Оценки надёжности дают достаточно полное представление о качестве (эффективности) функционирования технического объекта (системы) в определённых условиях эксплуатации – нормальных условиях. Однако, при эксплуатации электрической сети, хотя и редко, возможны опасные воздействия на элементы сети, не предусмотренные условиями нормальной эксплуатации и приводящие к чрезвычайным ситуациям. В качестве примера можно привести известные случаи массового повреждения ВЛ на обширной территории из-за воздействий гололёдно-ветровых нагрузок на провода и конструкции опор, превосходящих проектные. Высока вероятность террористических актов и случаев вандализма против объектов электроэнергетики, нельзя исключить из рассмотрения военные конфликты и действия.

3.1 Резервирование  как средство повышения надежности

В настоящее время  резервирование является одним из самых  распространенных способов повышения  характеристик надежности систем. Однако этот метод ведет к усложнению систем, увеличению их массы, стоимости  и габаритов.

Поэтому всегда разработчики и конструкторы сталкиваются с задачей как при допустимой массе, стоимости и габаритах получить максимальный выигрыш в надежности.

Для оценки эффективности  резервирования вводится понятие –  выигрыш надежности резервированной  системы по сравнению с нерезервированной:

                     

= ,                  (1.1)

где Q – вероятность отказа резервированной системы;

                Q0 - вероятность отказа нерезервированной системы.

Для резервированных  систем характерны следующие свойства:

а) при резервировании с дробной кратностью интенсивность  отказов 

резервированной системы  при определенных значениях m и t  может быть больше интенсивности отказов нерезервированной    системы. Это означает, что система, у которой применено резервирование с дробной кратностью, может быть менее надежной, чем нерезервированная.

б) выигрыш надежности по вероятности отказа тем больше, чем меньше интенсивность отказов  нерезервированной  системы, т.е. чем  более надежная система резервируется. Это основное противоречие всякого резервирования. Т.е. для повышения надежности системы необходима высокая кратность резервирования.

в) значительное увеличение массы системы при резервировании приводит к менее значительному  увеличению средней наработки до отказа.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  4 Составление структурной схемы надежности технологического процесса

 

По структурной схеме  надежности технической системы  в соответствии с вариантом задания, требуемому значению вероятности безотказной  работы системы  и значениям интенсивностей отказов ее элементов требуется:   

1. Построить график изменения  вероятности безотказной работы  системы от времени наработки  в диапазоне снижения вероятности  до уровня 0.1 - 0.2.

2. Определить  - процентную наработку технической системы .

 

3. Обеспечить увеличение  - процентной наработки не менее, чем в 1.5 раза за счет:

а) повышения надежности элементов;

б) структурного резервирования элементов системы.

Все элементы системы  работают в режиме нормальной эксплуатации (простейший поток отказов). Резервирование отдельных элементов или групп  элементов осуществляется идентичными  по надежности резервными элементами или группами элементов. Переключатели при резервировании считаются идеальными.

На схемах обведенные пунктиром m элементов являются функционально  необходимыми из n параллельных ветвей.

Структурная схема надежности приведена на рисунке 1. Значения интенсивности отказов элементов даны в  1/ч.

 

№ вар.	g, %	Интенсивности отказов элементов, l i , x10-6 1/ч
		1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18,19
3	68	0,5	0,5	1	1	1	1	1	1	1	1	2	2	2	2	0,2	-	-	-

 

      

 

 

Рисунок 1- Исходная схема системы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 Расчет единичных  показателей надежности элементов технического устройства

 

1. в исходной схеме элементы 1 и 2 образуют параллельное соединение. Заменяя их квазиэлементом А. Учитывая, что р₁ = р₂ , получим