Какой из вариантов резервирования обеспечит наибольший прирост надежности

Обновлено: 25.06.2024

Среди методов повышения надежности, предусматриваемых при проектировании, особое место занимает использование избыточности. Избыточность - дополнительные средства (или возможности) сверх минимально необходимых для выполнения заданной функции.

Резервирование - это метод повышения надежности путем введения избыточности.

Особое место, отводимое этому методу, объясняется тем, что резервирование наиболее полно позволяет решить задачу получения требуемой надежности при относительно малонадежных элементах.

В зависимости от вида используемой избыточности различают следующие виды резервирования:

· структурное - предусматривающее использование избыточных элементов; в структуре объекта (узлов, блоков, аналогичных имеющимся);

· временное - предусматривающее использование избыточного времени;

· функциональное - предусматривающее использование способности элементов выполнять дополнительные функции;

· информационное - предусматривающее использование способности к восприятию дополнительной информации, поступающей на объект;

· нагрузочное - предусматривающее использование способности к восприятию дополнительной нагрузки.

Одним из основных способов повышения надежности систем является структурное резервирование, которое предусматривает включение в состав системы дополнительных объектов. Структурное резервирование различается по ряду признаков:

· резерв включен постоянно или резервный элемент включается по мере необходимости (резервирование замещением, ненагруженный резерв);

· индивидуальное или групповое резервирование;

· переход на резервный элемент происходи мгновенно или требуется конечное время на переключение;

· система контроля работоспособности и управления резервом абсолютно надежна или имеет конечную надежность и т.д.

Многообразие видов резервирования привело к созданию десятков различных моделей, учитывающих конкретную специфику систем.

При структурном резервировании следует различать следующие понятия:

· основной элемент - это элемент структуры машины, минимально необходимый для выполнения заданных функций;

· резервный элемент - это элемент, предназначенный для обеспечения работоспособности машины в случае отказа основного элемента;

· кратность резерва - отношение числа резервных элементов к числу резервируемых или основных элементов объекта, выраженное несокращенной дробью.

Различают однократное резервирование (дублирование), кратность которого равна единице, и многократное, кратность которого больше единицы.

По характеру восстанавливаемости резерва различают:

Резервирование с восстановлением - при котором работоспособности любого основного и резервного элементов в случае возникновения их отказов подлежат восстановлению.

Резервирование без восстановления - когда любой основной или резервный элемент восстановлению не подлежит.

Применение резервирования обычно связано с увеличением веса, объ¬ема, стоимости изготовления и эксплуатации ЭВМ. Часто один из этих факторов является лимитирующим. Поэтому возникает необходимость подоб¬рать оптимальный способ резервирования, наилучшим образом отвечающий поставленной задаче.

Под оптимальным резервированием понимают резервирование, обеспе¬чивающее получение наибольшего эффекта повышения надежности с наимень¬шими затратами. Выбор критерия оптимальности зависит от конкретных ус¬ловий, т.е. учета конкретных доминирующих факторов.

Параллельное резервирование.

Присоединение резервных элементов к основным производится парал¬лельно.

Параллельной называется система, которая сохраняет свою рабо¬тоспособность до тех пор, пока работоспособен хотя бы один ее элемент. Предполагается, что все элементы находятся во включенном состоянии с самого начала.

В инженерной практике такой резерв называют нагруженным или горячим.

В каждый момент времени функции системы выполняются основным элементом, а в случае его отказа происходит мгновенное переключение на любой из исправных к данному моменту резервных элементов.

Параллельной называется система, которая сохраняет свою работоспособность до тех пор, пока работоспособен хотя бы один ее элемент. Предполагается, что все элементы находятся во включенном состоянии с самого начала.

В инженерной практике такой резерв называют нагруженным или горячим.

Следует отметить, что среднее время безотказной работы параллельной системы с нагруженным резервом растет довольно медленно с ростом числа резервных элементов. В табл. 1.1 приведен расчет для экспоненциального распределения, которое, кстати, дает еще относительно большой рост по сравнению с большинством стареющих распределений. В то же время мы видим, что такой вид резервирования очень эффективен для повышения ВБР.

Число элементов в параллельной системе

Относительный рост среднего времени работы системы

Теоретически путем резервирования возможно добиться любой заданной вероятности безотказной работы. Но такой способ повышения надежности связан с существенным ростом материальных затрат. А с ростом кратности резерва возрастает сложность реализации контроля и управления в системе, что также сказывается на надежности.

Система с параллельным резервированием состоит из двух или более модулей ИБП, включенных в параллель и работающих на общую нагрузку. По отношению к проектной нагрузке система должна иметь определенную избыточность по мощности в виде одного или нескольких дополнительных модулей для обеспечения резерва. Как правило, каждый модуль оснащен своим батарейным блоком, хотя и не исключен вариант использования общего батарейного комплекта для всей системы в целом.

При безаварийной работе нагрузка системы равномерно распределяется между модулями (например ИБП), а в случае выхода из строя или принудительного отключения одного из них нагрузка распределяется среди оставшихся модулей. Такая схема включения обеспечивает высокую степень защиты (99.99%). При этом процесс технического обслуживания отдельных модулей не приводит к временному питанию нагрузки от “грязной” сети. Однако все еще остается необходимость отключения системы при проведении работ с шиной питания нагрузки или оборудованием, расположенным между ИБП и нагрузкой.

Последовательное резервирование

Система с последовательным резервированием состоит из одного или нескольких основных модулей и одного резервного. Каждый основной модуль работает на собственную нагрузку. Резервный модуль используется в качестве первичного источника питания входов Bypass основных модулей системы.

Такая конфигурация позволяет производить техническое обслуживание основных и резервного модулей без отключения нагрузки и без снятия ее защиты. В этой схеме выходы основных модулей синхронизированы c выходом резервного модуля системы.

При пропадании питания на входе одного из основных элементов (модулей ИБП) переходит в автономный режим работы и нагрузка потребляет энергию батарейного комплекта данного ИБП. Если к моменту его разряда питание не восстановится, произойдет автоматический переход модуля в Bypass, т.е. на резервный блок. Разумеется, в этом случае резервный блок становится недоступен для оставшихся основных модулей, и при переходе в Bypass второго основного модуля подключенный к нему сегмент нагрузки запитывается от незащищенного входа системы.

Системы со смешанной структурой

Системы с чисто последовательной или чисто параллельной структурой встречаются на практике довольно редко. Чаще приходится иметь дело со смешанными структурами: с параллельно-последовательными системами (параллельное соединение последовательных подсистем) и с последовательно-параллельными системами (последовательное соединение параллельных подсистем), представленными на рис., а также их комбинациями.

Кроме того, следует учитывать вид структуры системы – простые двухполюсные, сетевые, иерархические структуры.

Количественная оценка показателей надежности электроэнергетических систем. Составление схемы замещения по надежности. Расчет вероятности безотказной работы схемы при двух способах резервирования (нагруженного дублирования и дублирования замещением).

Рубрика	Физика и энергетика
Вид	курсовая работа
Язык	русский
Дата добавления	18.06.2011
Размер файла	1,5 M

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Основные задачи надежности закладываются при проектировании, обеспечиваются при изготовлении устройств и поддерживаются в эксплуатации. Теория надежности также устанавливает и изучает количественные характеристики надежности и исследует связь между показателями экономичности и надежности. Существуют два направления повышения надежности: повышение надежности элементов, из которых состоит определенный объект, и создание объекта с высокой степенью надежности из относительно ненадежных элементов, используя различные виды резервирования. Максимальной эффективности в повышении надежности можно добиться рациональным сочетанием этих двух направлений.

В электроэнергетике обычно различают два уровня задач, решаемых с учетом надежности: задачи анализа и задачи синтеза. К задачам анализа надежности относится количественная оценка показателей надежности элементов и систем, надежности электроснабжения потребителей при известных параметрах, режимах конфигурации систем электроснабжения. Задачи синтеза надежности заключаются в выборе рациональных решений при планировании, проектировании, сооружении и эксплуатации электроэнергетических систем, а также при изготовлении оборудования, обеспечивающего требуемый уровень надежности.

В данной курсовой работе необходимо рассчитать показатели надежности отдельных элементов заданной схемы, вероятности безотказной работы схемы при двух способах резервирования (нагруженного дублирования и дублирования замещением); провести сравнение способов резервирования по уровню надежности.

2. Исходные данные

1. Напряжение питающей сети

2. Напряжение вторичной обмотки трансформатора

Рис.1 Схема питающей сети (расчетная схема)

1. Линии ВЛ двухцепные;

2. При расчете ВБР считать, что все коммутационные аппараты включены;

3. Показатели надежности принимаются по справочной литературе;

4. Во время работы схемы отказавшие объекты не восстанавливаются и не заменяются новыми.

3. Расчет показателей надежности отдельных элементов заданной схемы

В соответствии с ГОСТ 27.002-89 для количественной оценки надежности применяются количественные показатели оценки отдельных ее свойств: безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости, а также комплексные показатели, характеризующие готовность и эффективность использования технических объектов (в частности, электроустановок).

Эти показатели позволяют проводить расчетно-аналитическую оценку количественных характеристик отдельных свойств при выборе различных схемных и конструктивных вариантов оборудования (объектов) при их разработке, испытаниях и в условиях эксплуатации. Комплексные показатели надежности используются главным образом на этапах испытаний и эксплуатации при оценке и анализе соответствия эксплуатационно-технических характеристик технических объектов (устройств); заданным требованиям.

На стадиях экспериментальной отработки, испытаний и эксплуатации, как правило, роль показателей надежности выполняют статистические оценки соответствующих вероятностных характеристик.

- интенсивность отказов; Т - среднее время безотказной работы,

Значение интенсивности отказов для каждого элемента выбираем согласно [3]. Расчетную интенсивность отказов определяем по формуле:

, где - длина кабельной или воздушной линии.

Показатели надежности отдельных элементов заданной схемы

Условное обозначение на схемах

Интенсивность отказов (справочн.) , 1/год

Интенсивность отказов (расчетн.) , 1/год

Среднее время безотказной работы Т, год

ВЛ 35 кВ, двухцепная

Трансформатор с высшим напряжением 35 кВ

Выключатель 35 кВ

Разъединитель 10 кВ

4. Составление схемы замещения по надежности

Большинство систем спроектировано таким образом, что при отказе любого из элементов система отказывает. При анализе надежности такой системы предполагаем, что отказ любого из элементов носит случайный и независимый характер и не вызывает изменения характеристик (не нарушает работоспособности) остальных элементов.

Схему расчета надежности целесообразно составлять таким образом, чтобы элементами расчета были конструктивно оформленные блоки (звенья), которые имеют свои показатели надежности, техническую документацию, нормативы содержания и другие документы. Если в расчетах эти элементы работают не одновременно, то целесообразно такие элементы распределять по времени их работы на группы и образовать из этих групп самостоятельные блоки расчета.

Рис.2 Схема замещения по надежности питающей сети, представленной на рис.1

5. Расчет вероятности безотказной работы схемы для двух способов резервирования

В эксплуатации систем широко распространен способ повышения их надежности за счет введения в схему системы дополнительных элементов, которые могут работать параллельно с основными элементами или подключаться на место отказавшего элемента. Таким образом, резервированной системой называется такая система, в которой отказ наступает только после отказа любого основного элемента и всех резервных у анализируемого элемента.

По способу включения резервирование разделяется на постоянное и резервирование замещением. При постоянном резервировании резервные объекты подключены к нагрузке постоянно в течение всего времени работы и находятся в одинаковых с основными объектами условиях. При резервировании замещением замещают объекты основные (подключаются к нагрузке) после их отказа.

1. Способ нагруженного дублирования

Способ нагруженного дублирования является частным случаем общего нагруженного резервирования с целой кратностью, m=1, то есть на одну основную цепь приходится одна резервная цепь, находящаяся под нагрузкой.

Рассмотрим схему на рисунке 2. Элементы цепи являются резервными.

Составим схему для расчета вероятности безотказной работы питающей сети при нагруженном дублировании

Рис.3 Схема замещения при нагруженном дублировании

Вероятность безотказной работы элемента определяется по формуле:

Вероятность безотказной работы подсистемы (последовательное соединение), определяется по формуле:

По результатам расчетов составим промежуточную схему:

Рис.4 Промежуточная схема

Вероятность безотказной работы , определяется по формуле

Вероятность безотказной работы , определяется по формуле:

Вероятность безотказной работы подсистемы (последовательное соединение), определяется по формуле:

Вероятность безотказной работы подсистемы (параллельное соединение), определяется по формуле

Вероятность безотказной работы системы (последовательное соединение), определяется по формуле:

2. Способ дублирования замещением

В электроснабжении широко используется метод повышения надежности системы за счет использования резервной цепи, находящейся в ненагруженном состоянии. Последняя автоматически включается при отказе основной цепи.

Примем некоторые допущения: выключатель Q₂ и разъединитель QS постоянно находятся во включенном состоянии; часть цепи, находящаяся слева от выключателя Q₂ резервируется способом нагруженного дублирования; часть цепи, находящаяся справа от выключателя Q₂ до разъединителя QS резервируется способом дублирования замещением.

Составим схему для расчета вероятности безотказной работы питающей сети при дублировании замещением:

Рис. 6 Схема замещения при дублировании замещением

Вероятность безотказной работы первого блока системы Р_б1, при условии, что элементы блока являются равнонадежными, определяется по формуле

Вероятность безотказной работы второго блока системы Р_б2, при условии, что элементы блока являются равнонадежными, определяется по формуле:

Вероятность безотказной работы системы (последовательное соединение)определяется по формуле:

6. Сравнение способов резервирования по уровню надежности

Из расчетов предыдущего пункта видно, что значения вероятности безотказной работы схемы нагруженного дублирования и схемы дублирования замещением близки друг к другу. Однако при дублировании замещением вероятность безотказной работы составляет , что в 1,119 раз больше, чем при нагруженном дублировании.

Рис. 7 График функции системы, дублированной замещением

Рассмотрим рисунок 7. В первоначальный момент времени интенсивность отказов дублированной системы очень низкая . Если таую дублированную систему включить на длительный срок, то выигрыш в надежности уменьшается. Это объясняется тем, что с увеличением времени возрастает вероятность отказа основной цепи. При ее отказе вводится в работу резервная цепь с интенсивностью отказов .

Ненагруженный резерв желателен, но не всегда осуществим: например, оборудование электроустановок, отключенное от напряжения, все же находится под воздействием окружающей среды, метеоусловий и т.д. Поэтому не включенные в работу резервные элементы будут так же иметь некоторую интенсивность отказов. Так же следует иметь ввиду, что при расчетах допускается абсолютная надежность переключателей.

Рис. 8 Интенсивность отказов системы, работающей по способу нагруженного дублирования

Рассмотрим рисунок 8. Из рисунка видно, что интенсивность отказов системы со временем возрастает. Это говорит о том, что при большом t вероятность отказа одной из цепей высока, и система может перейти в режим работы с одной цепью .

Схема нагруженного дублирования имеет достаточно высокий уровень надежности. Но если дублированную неремонтируемую систему включить на значительный срок без технического обслуживания, то уровень надежности системы окажется недопустимо низким.

7. Вероятности безотказной работы схемы при различных траекториях питания потребителей

1. Траектория питания потребителей №1

Рис. 9 Схема траектории питания потребителей №1

Определим вероятность безотказной работы системы на рис. 9:

2. Траектория питания потребителей №2

надежность электроэнергетический резервирование

Рис. 10 Схема траектории питания потребителей №2

Определим вероятность безотказной работы системы на рис. 10:

3. Траектория питания потребителей №3

Рис. 11 Схема траектории питания потребителей №3

Определим вероятность безотказной работы системы на рис. 11:

Как показали приведенные выше расчеты вероятности безотказной работы для разных траекторий питания потребителей, значение вероятности безотказной работы уменьшается при увеличении количества входящих в схему элементов и включении в схему элементов с низкими показателями надежности.

8. Расчет вероятности безотказной работы схем резервирования (без резервирования, нагруженного дублирования и дублирования замещением)

Определим вероятность безотказной работы основной схемы (без резервирования). Составим расчетную схему

Рис. 12 Основная схема (без резервирования)

Вероятность безотказной работы системы на рис. 12:

Методы расчета вероятности безотказной работы для схем нагруженного дублирования и дублирования замещением при t=40000 ч были представлены в п. 5.

Построим график, на котором изображены кривые Р(t) системы при нагруженном дублировании, дублировании замещением, без дублирования для интервала t=0 - 40000 ч

Повысить надёжность системы в процессе ее эксплуатации чрезвычайно трудно, потому что надёжность системы преимушественно закладывается в процессе её проектирования и изготовления. При эксплуатации системы её надежность только уменьшается, причём скорость снижения зависит от методов эксплуатации, квалификации обслуживающего персонала и условий эксплуатации.

Среди всех методов повышения надежности, предусматриваемых при проектировании, особое место занимает использование избыточности, т.е. введение дополнительных средств или возможностей сверх минимально необходимых для выполнения объектом заданных функций. Сам же метод повышения надёжности объекта путем введения избыточности принято называть резервированием. Применяются структурное, функциональное, информационное и временное резервирование.

Структурное (элементное) резервирование – метод повышения надёжности объекта, предусматривающий использование избыточных элементов, входящих в физическую структуру объекта. Обеспечивается подключением к основной аппаратуре резервной таким образом, чтобы при отказе основной аппаратуры резервная часть продолжала выполнять её функции.

Функциональное резервирование есть метод повышения надёжности объекта, который использует способности элементов выполнять дополнительные функции вместо основных и наряду с ними.

Временное резервирование – метод повышения надёжности объекта, предполагает использование избыточного времени, выделенного для выполнения задач. Другими словами, временное резервирование – такое планирование работы системы, при котором создаётся резерв рабочего времени для выполнения заданных функций. Резервное время может быть использовано для повторения операции, либо для устранения неисправности объекта.

Информационное резервирование – метод повышения надёжности объекта, предусматривающий использование избыточной информации сверх минимально необходимой для выполнения задач.

Нагрузочное резервирование – метод повышения надёжности объекта, предполагающий использование способности его элементов воспринимать дополнительные нагрузки сверх номинальных.

С позиций расчёта и обеспечения надежности технических систем необходимо рассматривать структурное резервирование. Структурным или аппаратным резервированием называют способ повышения надёжности, заключающийся в использовании дополнительных элементов, которые в случае отказа основных могут выполнять их функции. Говоря о структурном резервировании, следует различать основной элемент, т.е. элемент структуры объекта, минимально необходимый для выполнения объектом заданных функций, и резервный, т.е. элемент, предназначенный для обеспечения работоспособности объекта в случае отказа основного элемента. Естественно, что резервный элемент должен обладать характеристиками, аналогичными основному. В качестве резервного элемента может выступать как комплектующий объект элемент, так и сам объект.

Основными способами резервирования являются:

- постоянное или статическое резервирование;

- резервирование замещением или динамическое резервирование;

Постоянным или статическим называется резервирование, при котором резервные блоки постоянно включены и работают с основным блоком в одинаковом режиме.

Резервированием замещением или динамическим называется резервирование, при котором резервные блоки выключены и замещают основные блоки только при их отказе.

Гибридное резервирование сочетает свойства статического и динамического резервирования.

В системах со статическим резервированием восстановление работоспособности после отказа происходит мгновенно, а в системах с динамическим резервированием время восстановления в зависимости от степени автоматизации процедур восстановления изменяется в широких пределах.

Присоединение резервных элементов к основным должно производиться параллельно. Существуют три способа включения резерва: постоянное, замещением и скользящее.

Постоянным резервированием называют такое, при котором резервные элементы участвуют в функционировании объекта наравне с основными. Естественно, что резервные элементы находятся в таком же режиме, как и основные, и их ресурс работы расходуется с момента включения в работу всего объекта.

Недостаток постоянного резервирования заключается в том, что с появлением отказов в резерве изменяются параметры всей системы, а это в ряде случаев может привести к изменению режимов работы.

Резервирование, при котором функции основного элемента передаются резервному только после отказа основного элемента, называют резервированием замещением.

При резервировании замещением обязательно наличие коммутирующего устройства для подключения резервных элементов взамен отказавших основных элементов.

Резервирующие элементы могут находиться в различных режимах: нагруженном, облегчённом и ненагруженным.

Нагруженный резерв(как и при постоянном резервировании) имеет резервные элементы, находящиеся в том же режиме, что и основные элементы. Это позволяет предельно сократить время перехода резервного элемента в рабочее состояние.

Облегчённый резерв имеет резервные элементы, находящиеся в менее нагруженном режиме, нежели основные. Ресурс работы резервных элементов расходуется с момента включения объекта в работу, но интенсивность расхода до подключения существенно ниже, чем у основных элементов. Поэтому закон распределения времени их безотказной работы несколько отличен от распределения времени безотказной работы основных элементов. Время перехода резервных элементов в рабочее состояние больше, чем при нагруженном резерве.

Ненагруженный резерв имеет резервные элементы, практически не несущие нагрузок. Ресурс работы ненагруженного резерва начинает расходоваться только с момента его включения. Время перехода резервных элементов в рабочее состояние наибольшее.

Преимущество резервирования замещением состоит в том, что в большей степени может сохраняться ресурс работы резервных элементов (облегчённый и ненагруженный резервы), не изменяются режимы объекта (элементов) при отказах, отпадает необходимость в специальных регулировках при отказах, появляется возможность использовать один резервный элемент для резервирования нескольких однотипных основных элементов. К недостаткам нужно отнести: необходимость коммутирующего устройства для подключения резерва, дополнительного времени на переключение резерва и выход его на режим.

Включение резервных элементов может осуществляться вручную или автоматически (автоматическое резервирование).

Резервирование замещением, при котором группа основных элементов объекта резервируется одним или несколькими резервными элементами, каждый из которых может заменить любой отказавший основной элемент в данной группе называют скользящим резервированием. Следует отметить одну важную особенность резервирования замещением – возможность восстановления вышедшего из строя резерва в то время, пока объект работает с другими резервными элементами. Это позволяет существенно повысить вероятность безотказной работы, так как наработка на отказ всегда больше среднего времени восстановления.

Необходимо отметить, что резервирование может быть с восстановлением любого основного и резервного элемента в процессе эксплуатации объекта и без восстановления.

Сам резервный элемент может быть восстанавливаемым, т.е. в случае отказа подлежит восстановлению, и невосстанавливаемым.

Основным параметром резервирования является его кратность. Под кратностью резервирования понимается отношение числа резервных элементов к числу резервируемых (основных). В зависимости от кратности резервирование подразделяется на резервирование с целой и дробной кратностью.

Резервированием с целой кратностью называется такое резервирование, при котором для нормальной работы резервированного соединения достаточно, чтобы исправным был хотя бы один элемент.

При резервировании с дробной кратностью нормальная работа резервированного соединения возможна при условии, если число исправных элементов не менее необходимого для работы.

Кратность резервирования определяется из соотношения

где: l – общее число элементов расчета резервированного соединения, h – число элементов необходимое для нормальной работы; l-h – число резервных элементов.

В зависимости от того, имеется в процессе эксплуатации возможность ремонта отказавших блоков или нет, различают резервирование с восстановлением и без восстановления. Системы, в которых используется резервирование с восстановлением (без восстановления) называются обслуживаемыми (необслуживаемыми) системами.

Максимальная надёжность аппаратуры с раздельным резервированием может быть обеспечена только лишь при некотором оптимальном числе резервирующих элементов, если известна вероятность отказов коммутирующих устройств и кратность резервирования. Осуществляя оптимизацию резервирования с учетом ограничений по стоимости, весу или габаритам, следует рассматривать два аспекта этой задачи:

- обеспечение заданной надежности при минимальных затратах на резервирование.

- обеспечение максимальной надежности при известных допустимых затратах на резервирование.

Реализацию оптимизации системы можно представить в виде следующего процесса: в качестве исходной рассматривается система (объект) без резерва, а затем отыскивается участок для резервирования, дающий наилучший результат. Далее отыскивается новый участок резервирования для новой системы (системы с одним зарезервированным участком). Аналогично процесс продолжается до тех пор, пока не будет удовлетворено условие одной из задач.

Обеспечение надёжности на этапах эксплуатации. Отдавая должное роли первых двух этапов жизненного цикла техники (конструирование и производство), следует считать, что этап эксплуатации является определяющим при обеспечении требуемого уровня надежности. Совокупность мероприятий, проводимых в определенной последовательности и протекающих во времени, образует технологический процесс эксплуатации. В этом процессе операции технического контроля состояния объекта, регулирования параметров оборудования, восстановления работоспособности аппаратуры являются важнейшими и впрямую направлены на обеспечение эксплуатационной надежности авиационного радиоэлектронного оборудования. В соответствии с ГОСТ 2412 – 80 указанный комплекс операций представляет собой систему технического обслуживания (ТО). Существуют различные методы ТО. При выборе и обосновании методов ТО в качестве основного требования выдвигается необходимость обеспечения безопасности и регулярности полетов при возможно малых эксплуатационных затратах.

Действие множества случайных факторов, дестабилизирующих нормальную работу аппаратуры, приводит к тому, что время наступления отказа систем является случайной величиной.

По характеру возникновения отказы разделяют на внезапные и постепенные. Внезапные отказы в большинстве своем непредсказуемые и вызваны случайными проявлениями скрытых дефектов, различными случайными химико-физическими изменениями в материалах и элементах конструкции.

Постепенные отказы вызваны процессами старения и износа аппаратуры. Накопление постепенных отказов в аппаратуре обусловлено относительно медленными изменениями параметров элементов под влиянием различных нагрузок. Обычно значения изменений возрастают с течением времени, что, в конце концов, приводит к тому, что один или несколько параметров выходят за пределы эксплуатационных допусков. Во время эксплуатации, возможно, такое состояние оборудования, когда его параметры находятся в пределах допусков, а параметры элементов уже вышли за пределы установленных допусков. Такие элементы являются потенциальными источниками отказов и должны быть выявлены при техническом обслуживании.

Для своевременного предупреждения отказов необходимо знать и количественно описать процессы накопления отказов во времени.

Резервирование — метод повышения надежности объекта введением дополнительных элементов и функциональных возможностей сверх минимально необходимых для нормального выполнения объектом заданных функций. В этом случае отказ наступает только после отказа основного элемента и всех резервных элементов.

Систему можно представить из ряда ступеней, выполняющих отдельные функции. Задача резервирования состоит в нахождении такого числа резервных образцов оборудования на каждой ступени, которое будет обеспечивать заданный уровень надежности системы при наименьшей стоимости.

Выбор наилучшего варианта зависит главным образом от того увеличения надежности, которое можно достичь при заданных расходах.

Основной элемент — элемент основной физической структуры объекта, минимально необходимой для нормального выполнения объектом его задач.

Резервный элемент — элемент, предназначенный для обеспечения работоспособности объекта в случае отказа основного элемента.

4.1. Виды резервирования

Структурное (элементное) резервирование — метод повышения надежности объекта, предусматривающий использование избыточных элементов, входящих в физическую структуру объекта. Обеспечивается подключением к основной аппаратуре резервной таким образом, чтобы при отказе основной аппаратуры резервная продолжала выполнять ее функции.

Резервирование функциональное — метод повышения надежности объекта, предусматривающий использование способности элементов выполнять дополнительные функции вместо основных и наряду с ними.

Временное резервирование — метод повышения надежности объекта, предусматривающий использование избыточного времени, выделенного для выполнения задач. Другими словами, временное резервирование — такое планирование работы системы, при котором создается резерв рабочего времени для выполнения заданных функций. Резервное время может быть использовано для повторения операции, либо для устранения неисправности объекта.

Информационное резервирование — метод повышения надежности объекта, предусматривающий использование избыточной информации сверх минимально необходимой для выполнения задач.

Нагрузочное резервирование — метод повышения надежности объекта, предусматривающий использование способности его элементов воспринимать дополнительные нагрузки сверх номинальных.

С позиций расчета и обеспечения надежности технических систем необходимо рассматривать структурное резервирование.

4.2. Способы структурного резервирования

По способу подключения резервных элементов и устройств различают следующие способы резервирования (рис. 4.4.1).

Резервирование раздельное (поэлементное) с постоянным включением резервных элементов (рис. 4.4.2).

Такое резервирование возможно тогда, когда подключение резервного элемента несущественно изменяет рабочий режим устройства. Достоинство его — постоянная готовность резервного элемента, отсутствие затраты времени на переключение. Недостаток — резервный элемент расходует свой ресурс так же, как основной элемент.

Резервирование раздельное с замещением отказавшего элемента одним резервным элементом (рис. 4.4.3). Это такой способ резервирования, при котором резервируются отдельные элементы объекта или их группы. В этом случае резервный элемент находится в разной степени готовности к замене основного элемента. Достоинство этого способа в том, что резервный элемент сохраняет свой рабочий ресурс, либо может быть использован для выполнения самостоятельной задачи. Рабочий режим основного устройства не искажается. Недостаток способа в том, что необходимость затрачивать время на подключение резервного элемента. Резервных элементов может быть меньше, чем основных.

Отношение числа резервных элементов к числу резервируемых называется кратностью резервирования — m. При резервировании с целой кратностью величина m есть целое число, при резервировании с дробной кратностью величина m есть дробное несокращаемое число. Например, m = 4/2 означает наличие резервирования с дробной кратностью, при котором число резервных элементов равно четырем, число основных — двум, а общее число элементов равно шести. Сокращать дробь нельзя, так как если m = 4/2 = 2/1, то это означает, что имеет место резервирование с целой кратностью, при котором число резервных элементов равно двум, а общее число элементов равно трем.

При включении резерва по способу замещения резервные элементы до момента включения в работу могут находиться в трех состояниях:

Нагруженный резерв — резервный элемент, находящийся в том же режиме, что и основной.

Облегченный резерв — резервный элемент, находящийся в менее нагруженном режиме, чем основной.

Ненагруженный резерв — резервный элемент, практически не несущий нагрузок.

Резервирование общее с постоянным подключением, либо с замещением (рис. 4.4.4). В этом случае резервируется объект в целом, а в качестве резервного — используется аналогичное сложное устройство. Этот способ менее экономен, чем раздельное резервирование. При отказе, например, первого основного элемента возникает необходимость подключать всю технологическую резервную цепочку.

по надежности их элементов

4.5.1. Целевое назначение и классификация методов расчета

Расчеты надежности — расчеты, предназначенные для определения количественных показателей надежности. Они проводятся на различных этапах разработки, создания и эксплуатации объектов.

На этапе проектирования расчет надежности производится с целью прогнозирования (предсказания) ожидаемой надежности проектируемой системы. Такое прогнозирование необходимо для обоснования предполагаемого проекта, а также для решения организационно-технических вопросов:

— выбора оптимального варианта структуры;

— глубины и методов контроля;

— количества запасных элементов;

На этапе испытаний и эксплуатации расчеты надежности проводятся для оценки количественных показателей надежности. Такие расчеты носят, как правило, характер констатации. Результаты расчетов в этом случае показывают, какой надежностью обладали объекты, прошедшие испытания или используемые в некоторых условиях эксплуатации. На основании этих расчетов разрабатываются меры по повышению надежности, определяются слабые места объекта, даются оценки его надежности и влияния на нее отдельных факторов.

Многочисленные цели расчетов привели к большому их разнообразию. На рис. 4.5.1 изображены основные виды расчетов.

Элементный расчет — определение показателей надежности объекта, обусловленных надежностью его комплектующих частей (элементов). В результате такого расчета оценивается техническое состояние объекта (вероятность того, что объект будет находиться в работоспособном состоянии, средняя наработка на отказ и т. п.).

Расчет функциональной надежности — определение показателей надежности выполнения заданных функций (например, вероятность того, что система очистки газа будет работать заданное время, в заданных режимах эксплуатации, с сохранением всех необходимых параметров по показателям очистки). Поскольку такие показатели зависят от ряда действующих факторов, то, как правило, расчет функциональной надежности более сложен, чем элементный расчет. Выбирая на рис 4.5.1 варианты перемещений по пути, указанному стрелками, каждый раз получаем новый вид (случай) расчета.

Самый простой расчет — расчет, характеристики которого представлены на рис. 4.5.1 слева: элементный расчет аппаратурной надежности простых изделий, нерезервированных, без учета восстановлений работоспособности при условии, что время работы до отказа подчинено экспоненциальному распределению.

Самый сложный расчет — расчет, характеристики которого представлены на рис. 4.5.1 справа: функциональной надежности сложных резервированных систем с учетом восстановления их работоспособности и различных законов распределения времени работы и времени восстановления.

Выбор того или иного вида расчета надежности определяется заданием на расчет надежности. На основании задания и последующего изучения работы устройства (по его техническому описанию) составляется алгоритм расчета надежности, т. е. последовательность этапов расчета и расчетные формулы.

4.5.2. Последовательность расчета систем

Последовательность расчета системы представлена на рис. 4.5.2. Рассмотрим основные ее этапы.

Прежде всего следует четко сформулировать задание на расчет надежности. В нем должны быть указаны: 1) назначение системы ее состав и основные сведения о функционировании; 2) показатели надежности и признаки отказов, целевое назначение расчетов; 3) условия, в которых работает (или будет работать) система; 4) требования к точности и достоверности расчетов, к полноте учета действующих факторов.

На основании изучения задания делается вывод о характере предстоящих расчетов. В случае расчета функциональной надежности осуществляется переход к этапам 4-5-7 , в случае расчета элементов (аппаратурной надежности) — к этапам 3-6-7.

Под структурной схемой надежности понимается наглядное представление (графическое или в виде логических выражений) условий, при которых работает или не работает исследуемый объект (система, устройство, технический комплекс и т. д.). Типовые структурные схемы представлены на рис. 4.5.3.

Простейшей формой структурной схемы надежности является параллельно-последовательная структура. На ней параллельно соединяются элементы, совместный отказ которых приводит к отказу объекта. В последовательную цепочку соединяются такие элементы, отказ любого из которых приводит к отказу объекта.

На рис. 4.5.3, а представлен вариант параллельно-последовательной структуры. По этой структуре можно сделать следующее заключение. Объект состоит из пяти частей. Отказ объекта наступает тогда, когда откажет или элемент 5, или узел, состоящий из элементов 1—4. Узел может отказать тогда, когда одновременно откажет цепочка, состоящая из элементов 3, 4 и узел, состоящий из элементов 1, 2. Цепь 3—4 отказывает, если откажет хотя бы один из составляющих ее элементов, а узел 1, 2 — если откажут оба элемента, т. е. элементы 1, 2. Расчет надежности при наличии таких структур отличается наибольшей простотой и наглядностью. Однако не всегда удается условие работоспособности представить в виде простой параллельно- последовательной структуры. В таких случаях используют или логические функции, или графы и ветвящиеся структуры, по которым оставляются системы уравнений работоспособности.

На основе структурной схемы надежности составляется набор расчетных формул. Для типовых случаев расчета используются формулы, приведенные в справочниках по расчетам надежности, стандартах и методических указаниях. Прежде чем применять эти формулы, необходимо предварительно изучить их существо и область использования.

4.5.3. Расчет надежности, основанный на использовании параллельно-последовательных структур

Пусть некоторая техническая система D составлена из n элементов (узлов). Допустим, надежности элементов нам известны. Возникает вопрос об определении надежности системы. Она зависит от того, каким образом элементы объединены в систему, какова функция каждого из них и в какой мере исправная работа каждого элемента необходима для работы системы в целом.

Параллельно-последовательная структура надежности сложного изделия дает представление о связи между надежностью изделия и надежностью его элементов. Расчет надежности ведется последовательно — начиная от расчета элементарных узлов структуры к ее все более сложным узлам. Например, в структуре (рис. 4.5.3, а) узел, состоящий из элементов 1—2 — элементарный узел, состоящий из элементов 1—2—3—4 — сложный. Эта структура может быть сведена к эквивалентной, состоящей из элементов 1—2—3—4 и элемента 5, соединенных последовательно. Расчет надежности в данном случае сводится к расчету отдельных участков схемы, состоящих из параллельно и последовательно соединенных элементов.

4.5.3.1. Система с последовательным соединением элементов

С позиции надежности такое соединение означает, что отказ устройства, состоящего из этих элементов, происходит при отказе элемента 1, или элемента 2, или элемента 3, или элемента n. Условие работоспособности можно сформулировать следующим образом: устройство работоспособно, если работоспособен элемент 1, и элемент 2, и элемент 3, и элемент n.

Выразим надежность данной системы через надежности ее элементов. Пусть имеется некоторый промежуток времени (0,τ), в течение которого требуется обеспечить безотказную работу системы. Тогда, если надежность системы характеризуется законом надежности Р(t), нам важно знать значение этой надежности при t = τ, т. е. Р(τ). Это не функция, а определенное число; отбросим аргумент τ и обозначим надежность системы просто Р. Аналогично обозначим надежности отдельных элементов P1, P2, P3, . Pn.

Для безотказной работы простой системы в течение времени τ нужно, чтобы безотказно работал каждый из ее элементов. Обозначим S — событие, состоящее в безотказной работе системы за время ; s1, s2, s3, . sn — события, состоящие в безотказной работе соответствующих элементов. Событие S есть произведение (совмещение) событий s1, s2, s3, . sn:

т. е. надежность (вероятность работоспособного состояния) простой системы, составленной из независимых по отказам, последовательно соединенных элементов, равна произведению надежностей ее элементов.

В частном случае, когда все элементы обладают одинаковой надежностью P1 = P2 = P3 = . = Pn, выражение (4.5.2) принимает вид:

ПРИМЕР 4.5.1. Система состоит из 10 независимых элементов, надежность каждого из которых равна Р =0,95. Определить надежность системы.

По формуле (4.5.3) Р = 0,95 10 ≈ 0,6.

Из примера видно, как резко падает надежность системы при увеличении в ней числа элементов. Если число элементов n велико, то для обеспечения хотя бы приемлемой надежности Р системы каждый элемент должен обладать очень высокой надежностью.

Поставим вопрос: какой надежностью Р должен обладать отдельный элемент для того, чтобы система, составленная из n таких элементов, обладала заданной надежностью Р ?

Читайте также: