Сущность метода схемного обеспечения надежности заключается в том, что те агрегаты, узлы или части изделия, надежность которых недостаточна, включаются в схему изделия по несколько экземпляров параллельно, так что в случае отказа одного из них работоспособность изделия сохраняется.

Этот метод основан на резервировании наименее надежных агрегатов и узлов и позволяет использовать компоненты даже с уровнем надежности ниже уровня надежности изделия.

Резервирование метод повышения надежности объекта введением дополнительных средств сверх минимально необходимых для выполнения объектом заданных функций.

Резервирование как метод повышения надежности очень широко используется в технике. В частности, для обеспечения надежности наиболее ответственных и сложных изделий применяется двойное, тройное и более резервирование отдельных систем и агрегатов. Например, для бесперебойного обеспечения топливоподачи параллельно устанавливаются по два насоса, нередко применяется установка нескольких фильтров на одном участке, на современных самолетах-аэробусах применяется пятикратное резервирование систем управления и т. д.

В сложных изделиях при наличии резервированных систем и агрегатов неисправности и отказы отдельных узлов и агрегатов не нарушают работоспособности изделия в целом. В подобных случаях изделие в целом классифицируется как неисправное, так как оно не полностью удовлетворяет всем техническим требованиям.

С целью лучшего понимания сущности обоих методов рассмотрим следующий пример.

Требуется разработать систему управления одним из регулирующих элементов двигателя — реактивным соплом. Вероятность безотказной работы системы должна быть >=0,97. Примем, что система включает 3 блока (рис.):

а) блок А, включающий датчики рассогласования положения регулируемого элемента и режима работы двигателя;

б) блок Б — программирующее устройство, работающее по заданному алгоритму сравнения величин поданного сигнала датчика и сигнала, соответствующего нормальному режиму работы двигателя;

в) блок В — исполнительное устройство, управляющее перемещением регулируемого элемента.

По результатам анализа работы систем регулирования изделий-аналогов известны следующие величины вероятности безотказной работы имеющихся блоков подобных систем:

.

На рис. представлены два возможных варианта выполнения системы регулирования из имеющихся в распоряжении конструктора блоков.

Вариант 1: все три блока включены в систему последовательно.

Вариант 2: блоки Б имеют тройное и блоки В —двойное резервирование.

Рассчитаем вероятности безотказной работы систем, собранных по обоим вариантам.

Для варианта 1 вероятность безотказной работы при последовательном соединении:

Для вычисления надежности системы по варианту 2:

Полученное значение вероятности безотказной работы системы удовлетворяет заданным требованиям, и поэтому должен быть принят вариант 2 схемы системы.

Определим во сколько раз вариант 2 надежнее варианта 1. Для этого необходимо взять отношение вероятностей появления отказа Q для обоих вариантов:

т.е. надежность системы по варианту 2 в 10,35 раза выше, чем по варианту 1, или вариант 2 на порядок надежнее варианта 1.

Таким образом, надежность изделия может обеспечиваться по двум направлениям: методом физической надежности и методом схемной надежности.

Первое направление опирается на результаты изучения физических явлений и закономерностей появления и развития отказов изделия данного типа или аналогичной конструкции в зависимости от действующих нагрузок и внешних воздействий.

Соответственно для успешного обеспечения физической надежности необходимо знать физико-химические свойства материалов и исследовать их изменение под действием внутренних и внешних нагрузок, изучать протекание износа движущихся элементов конструкции и старения уплотнительных и изоляционных материалов.

Второе направление опирается на изучение статистических и вероятностных закономерностей появления отказов по результатам испытаний и эксплуатации прототипов или аналогов разрабатываемого изделия или системы.

В качестве основной исходной характеристики элемента или агрегата используется показатель интенсивности (для неремонтируемых) или параметр потока (для ремонтируемых) отказов, получаемые при обработке статистических данных или материалов испытаний.

При этом проблема создания высоконадежных изделий может быть успешно решена только при сочетании работ по обоим направлениям с применением инженерных (физических) и математических (статистических) методов анализа и обеспечения надежности.

Оба направления используют статистические и вероятностные методы, и поэтому перейдем к рассмотрению некоторых вопросов теории вероятностей и математической статистики, используемых в теории надежности.