В некоторых системах в различные промежутки времени работает лишь часть элементов (блоков). В ряде случаев это необходимо учитывать при расчете надежности. Особенно часто такие задачи встречаются при расчете надежности изделия, работающей циклами, когда отдельные блоки этого изделия последовательно выполняют те или иные операции.
Для того, чтобы система с неодновременно работающими элементами безотказно выполняла свои функции, необходимо, чтобы все ее элементы безотказно работали соответствующее заданное время. При допущении о независимости первичных отказов элементов вероятность безотказной работы системы, состоящей из 
элементов, в течение заданного времени 
будет
, (9.7)
где 
- вероятность безотказной работы 
– ого элемента в течение времени включения этого элемента 
, найденная в предположении, что в момент времени включения 
этот элемент исправен.
Таким образом, время 
отсчитывается с момента времени 
включения системы; время 
– с момента времени 
включения j-ого элемента; 
, 
, 
отсчитываются с начала эксплуатации системы.
Зависимость (9.7) можно выразить через интенсивности отказов элементов
. (9.8)
Когда интенсивности отказов каждого элемента постоянны, то
. (9.9)
При вычислении надежности системы с неодновременно работающими элементами полезно сначала построить график времени работы системы. Пусть система состоит из четырех блоков и имеет график времени работы блоков, изображенный на рис. 9.10, а. При этом, в формуле (9.8) будет: 
, 
, 
. Вероятность безотказной работы данной системы в течение цикла 
будут выражаться уравнением:
. (9.10)
График времени работы таких элементов, какие показаны на рис. 9.10 а, составляется в тех случаях, когда имеется полная уверенность в том, что в момент включения элемент исправен.
а
б
Рис. 9.10. График времени работы элементов (блоков) системы
В ряде случаев все элементы системы (как работающие, так и ожидающие включения) находятся примерно в одинаковых условиях эксплуатации. Если нельзя организовать проверку элементов перед включением с мгновенной заменой неисправных элементов, то график времени работы элементов той же системы в этом случае будет иметь вид, как на рис. 9.10 б. Согласно этому графику 
. Соответственно изменятся пределы интегрирования в формулах этого параграфа.
Методы повышения надежности
Повышение надежности технических систем имеет важное значение, так как ее увеличение влияет на эффективность их использования, увеличивает срок эксплуатации. Основными направлениями повышения надежности могут считаться:
– научно – методическое;
– организационное;
– информационное;
– нормативное.
Мероприятия научно-методического направления повышения надежности включают в себя:
– разработку более совершенных методик расчета надежности элементов и узлов технических систем;
– создание моделей, отражающих деградационные процессы в материалах конструкций;
– исследования влияния условий эксплуатации на работоспособность аппаратуры;
– совершенствование методов технической диагностики.
Организационное направление предусматривает введение сертификации, внедрение систем управления качества, организацию доработок и рекламационной практики, создание системы сбора информации о работоспособности системы и её узлов; обоснование норм надежности и внедрение мероприятий, направленных на поддержание достигнутого уровня надежности и выработку рекомендаций по его повышению,
Информационное направление включает обеспечение предприятий, которые разрабатывают, изготавливают и эксплуатируют технические системы достоверными данными о надежности элементов, узлов, агрегатов и систем (например, создание банков данных о типовых отказах, критичных элементов).
Нормативное направление предполагает разработку новых и совершенствование действующих нормативно-технических документов.
Выбор того или иного способа повышения надежности зависит от заданных показателей надежности и эффективности, а также условий работы и режимов функционирования сложной технической системы. Реализация указанных методов повышения надежности может осуществляться на всех этапах создания и эксплуатации.
Для повышения надёжности используют различные способы уменьшения интенсивности отказов:
– применение наиболее надёжных элементов (недопустимо применение элементов с устаревшими характеристиками, при выборе элементов учитывать реальные условия эксплуатации);
– отбраковка (выжигание) малонадёжных элементов ( тщательная тренировка элементов системы в тяжёлых условиях работы);
– облегчение режимов работы элементов (снижение нагрузки элементов, уменьшение их тепловых, вибрационных и других режимов)..
На этапе проектирования используются следующие методы повышения надежности систем:
– схемные (создание систем с минимальным количеством элементов; применение резервирования путём замены неисправного элемента исправным; включение в схемы специальных защитных и предохранительных устройств, предотвращающих аварийные последствия отказов; оптимизация последовательности работы элементов путём согласования работы схем, как по времени, так и по параметрам; предварительный расчет надёжности элементов схемы);
– конструктивные (использование элементов с малой величиной интенсивности отказов при заданных условиях эксплуатации; предварительная отбраковка элементов; обеспечение облегченных режимов работы элементов, например, снижение тепловых, вибрационных нагрузок; унификация элементов и систем; рациональный выбор контролируемых параметров).
Для повышения надежности на этапе изготовления применяют:
– совершенствование технологии и организации производства;
– тренировки элементов и систем;
– системы контроля качества.
На этапе экспериментальной отработки проводится оценка соответствия надежности заданным требованиям. Полученные по результатам испытаний данные позволяют не только выявить слабые с точки зрения надежности места, но и определить «запасы» работоспособности и надежности. Анализ полученных результатов позволяет выработать рекомендации по повышению надежности систем.
На этапе эксплуатации для повышения надежности вырабатываются:
– рекомендации для проектировщиков и конструкторов по улучшению качества изделий на основе изучения опыта эксплуатации;
– способы прогнозирования неисправностей с обоснованием сроков службы;
– подходы к повышению квалификации оперативного персонала;
– обоснование объёма и сроков проведения профилактических мероприятий;
– обоснование сроков службы элементов и состава ЗИПа.
Исходя из вышеизложенного основными способами повышения надежности технической системы, являются:
– уменьшение интенсивности отказов элементов и систем;
– сокращение времени непрерывной работы;
– уменьшение времени восстановления;
– выбор рациональной периодичности и объема контроля систем;
– резервирование.
Уменьшение интенсивности отказов элементов и систем достигается:
– минимизацией элементов системы;
– выбором наиболее надежных элементов;
– облегчением электрических, механических, тепловых и других режимов работы;
– проведением приработочных испытаний ("выжигание дефектов");
– созданием схем с ограниченными последствиями отказов элементов;
– стандартизацией и унификацией элементов и узлов;
– совершенствованием технологии производства и методов контроля качества.
При выборе наиболее надежных элементов, недопустимо применение элементов с устаревшими характеристиками и необходимо учитывать реальные условия эксплуатации системы. Снижение нагрузки элементов, уменьшение их тепловых, вибрационных и других режимов приводит к уменьшению вероятности отказов. Облегчение режимов работы элементов практически означает, что в систему ставятся элементы, имеющие запас по прочности или мощности. Уменьшить интенсивность отказов можно путем отбраковки, или «выжигания» элементов, имеющих конструктивные и производственные дефекты. Для этого осуществляется тщательная тренировка элементов системы в тяжелых условиях.
Методы повышения надежности, основанные на сокращении времени непрерывной работы, предполагают разработку рациональных программ функционирования при выполнении целевых задач. Выбор рациональной периодичности и объема контроля бортовых систем повышает надежность за счет возможности предупреждения отказа.
Анализ основных характеристик надежности системы показывает, что надежность системы зависит от ее структуры (структурно – логической схемы) и надежности элементов. Поэтому для сложных систем возможны два пути повышения надежности: повышение надежности элементов и изменение структурной схемы. Повышение надежности элементов – наиболее простой способ повышения надежности системы, однако практическая реализация такой высокой надежности элементов может оказаться невозможной. Изменение структуры системы с целью повышения надежности подразумевает перестройку конструктивной или функциональной схемы системы (структуры связей между составными элементами), изменение принципов функционирования отдельных частей системы. Такого рода преобразования системы возможны исключительно редко, так что этот прием не решает проблемы надежности.
С другой стороны, изменение структуры понимается как введение в систему дополнительных, избыточных элементов, включающихся в работу при отказе основных. Следует отметить, что при этом увеличивается масса, размеры и стоимость изделия. Это называется структурной избыточностью.
Резервирование – это метод повышения надежности путем введения дублирующих (резервных) элементов, являющихся избыточными по отношению к функциональной структуре объекта, необходимой для выполнения заданных функций. При выходе из строя одного из элементов дублер выполняет его функции, и узел не прекращает своей работы. Отказ системы при резервировании наступает тогда, когда выйдут из строя основной и резервные элементы. У резервированной системы отказ наступает только после отказа любого основного элемента и всех резервных у этого элемента. Таким образом, резервирование – это метод повышения надежности системы путем введения избыточности, за счет которой при отказе ее элементов обеспечивается нормальное функционирование.
Способы резервирования можно классифицировать по:
– видам резервирования;
– способам соединения;
– способам включения резерва;
– режимам работы;
– кратности резервирования.
Существуют следующие виды резервирования:
–структурное;
– временное;
– информационное;
– функциональное.
– нагрузочное.
Наиболее широкое распространение в настоящее время получило структурное резервирование. Оно предусматривает использование резервных элементов структуры объекта. При таком способе в минимально необходимый вариант объекта вводятся дополнительные или резервные элементы, предназначенные для выполнения функций основных элементов в случае их отказов.
При резервировании существуют различные способы соединения элементов: общий – резервирование применяются к системе в целом; раздельный – резервирование к отдельным ее элементам или группам элементов; смешанный – резервирование, использующее различные способы соединения.
В зависимости от способа включения резервных элементов различают резервирование:
– постоянное (без перестройки структуры системы при возникновении отказа ее элемента);
– динамическое (перестройка структуры системы при отказе его элемента).
– замещением (функции основного элемента передаются резервному только после отказа основного элемента);
– мажоритарное (обеспечивает повышение надежности информационно-логических объектов при любых видах отказов элементов и основано на применении дополнительного элемента, называемого мажоритарным или логическим элементом, который выполняет сравнение сигналов, поступающих от элементов, выполняющих одну и ту же функцию, а при совпадении результатов они считаются истинными и поступают на выход устройства).
–скользящее – это резервирование, при котором группа основных элементов объекта резервируется одним или несколькими резервными элементами, каждый из которых может заменить любой из отказавших основных элементов в этой группе. Функции основного элемента передаются резервному элементу после отказа основного элемента, но при этом необходимо переключающее устройство. При скользящем резерве, существует два варианта режима ожидания:
– теплый (облегченный режим): резервный элемент находится в менее нагруженном режиме, чем основной;
– холодный ( невключенный резерв ): резервный элемент находится в режиме ожидания в выключенном состоянии и для его включения требуется определенное время.
Основным параметром резервирования является кратность резервирования 
– отношение числа резервных элементов к числу основных элементов, выраженное несокращаемой дробью (типа 2:3; 4:2 и т.д.). Резервирование одного основного элемента одним резервным (т.е. с кратностью 1:1) называется дублированием. Различают резервирование с целой и дробной кратностью. Например, если 
, то число резервных элементов три, а основных – одно. Если 
, то количество резервных элементов равно четырем, а основных – два (сокращение дроби здесь не допускается).
Различают активное и пассивное резервирование. В первом случае структура ТС такова, что при появлении отказа она перестраивается и происходит восстановление работоспособности. При пассивном резервировании ТС отказ одного или даже нескольких элементов не влияет на его работу. Элементы соединены постоянно и перестроения структуры не происходит. Как при активном, так и при пассивном методах резервирования большое значение имеют режимы работы резерва.
В зависимости от режима работы резерва различают следующие виды резервов:
– нагруженный (резервные элементы, находящихся в режиме основного элемента – горячее резервирование);
– облегченном (резервные элементы находятся в менее нагруженном режиме, чем основной – тёплое резервирование);
– ненагруженный (элементы, находятся в ненагруженном режиме до начала выполнения им функции основного элемента – холодное резервирование).
При возникновении отказов резервных элементов, они могут восстанавливаться или не восстанавливаться.
Рассмотрим общее резервирование с нагруженным резервом при следующих допущениях:
– отказы элементов являются случайными и независимыми событиями;
– основная и резервные цепи (последовательное соединение элементов) равнонадежны;
– ремонт резервированной системы не производится.
Рис. 9.11. Схема с общим нагруженным резервированием
(количество резервных цепей 
)
В этом случае при экспоненциальном распределении наработки до отказа элементов, учитывая, что вероятность безотказной работы 
-й цепи равна
, 
. (9.11)
и что основная и резервная цепь имеют равную надёжность
, (9.12)
получим выражение для вероятности безотказной работы системы 
. (9.13)
При равнонадёжности элементов 
, (9.14)
а средняя наработка до отказа резервированной системы будет определяться по формуле
. (9.15)
Введём новую переменную 
виду 
, тогда
, 
. (9.16)
В результате получим
. (9.17)
Учитывая, что
, (9.18)
средняя наработка до отказа будет равна
, (9.19)
где 
– среднее время безотказной работы цепи.
Интенсивность отказов системы определится так
. (9.20)
Например, для 
=1
, (9.21)
. (9.22)
Для высоконадёжных систем при 
можно записать
; (9.23)
. (9.24)
Расчетная схема надежности для случая раздельного резервирования с постоянно включенным резервом показана на рис. 9.12.
Рис.9.12 Расчетная схема надежности с раздельным резервированием
Отказ этой системы происходит при отказе любого блока.
Вероятность безотказной работы 
– го блока равна
, (9.25)
а системы
, (9.26)
где 
– вероятность безотказной работы 
– го элемента в 
– м блоке.
В случае экспоненциального распределения наработки до отказа элементов и равнонадёжности элементов, т.е. 
вероятность безотказной работы системы будет определяться 
, а средняя наработка до отказа системы
. (9.27)
Учитывая выражения 
, 
, 
и получим
(9.28)
В этом случае средняя наработок до отказа системы
(9.29)
Следующее выражение для средней наработки до отказа системы
, (9.30)
или
, (9.31)
где 
.
Интенсивность отказов системы определяется по выражению
. (9.32)
Для высоконадёжных систем
. (9.33)
При ненагруженном резервировании резервные элементы последовательно включаются в работу при отказе основного, затем первого резервного и т.д. , поэтому надежность резервных элементов зависит от момента их перехода в основное состояние. Такое резервирование в различных системах встречается наиболее часто, так как оно, по сути, аналогично замене отказавших элементов и узлов на запасные. Предполагается, что вероятность безотказной работы переключателей намного выше, чем у элементов схемы и близка к единице. Для такого случая
, (9.34)
,
где 
– вероятность отказа элемента.
Например, при резервировании ненагруженными элементами с 
=1 среднее время безотказной работы системы будет равно
, (9.35)
Количественно повышение надежности системы в результате резервирования или применения высоконадежных элементов можно оценить по коэффициенту выигрыша надежности, определяемому как отношение показателя надежности до и после преобразования системы. Например, для системы из 
последовательно соединенных элементов после резервирования одного из элементов ( 
-го) аналогичным по надежности элементом коэффициент выигрыша надежности по вероятности безотказной работы составит
(9.37)
Эффективность резервирования (или другого приема повышения надежности) тем больше, чем меньше надежность резервируемого элемента (при 
коэффициент 
, а если 
, то 
). Следовательно, при структурном резервировании максимального эффекта можно добиться при резервировании самых ненадежных элементов . При выборе элемента (или группы элементов) для повышения надежности или резервирования необходимо исходить из условия обеспечения при этом максимального эффекта. В сложных случаях для выбора элементов, подлежащих изменению, используются как аналитические, так и численные методы оптимизации надежности.
В общем случае задача резервирования элементов систем может решаться в следующих вариантах:
– максимальная вероятность безотказной работы при ограничениях по массе (стоимости, габаритам);
– минимизация массы (стоимость, габариты) при заданной вероятности безотказной работы .
Временное резервирование основано на использовании резервов времени. Использование временной избыточности наряду с структурной является также эффективным способом повышения надежности ТС. При наличии временной избыточности на выполнение ТС какой-либо работы отводится время, заведомо большее, чем минимально необходимое. Пусть отказ системы обесценивает работу, выполненную ею до момента наступления отказа. В этом случае работа будет все-таки выполнена в полном объеме, если после отказа произойдет восстановление ТС и оставшегося времени будет достаточно чтобы, начав выполнение работы с самого начала, завершить ее в установленное время. При этом, естественно, можно допустить появление нескольких отказов, после каждого из которых система восстанавливается и каждый раз работа начинается с начала, и так до тех пор, пока работа не будет все-таки выполнена в полном объеме либо не будет исчерпан ресурс времени.
Информационное резервирование основано на увеличении информационных ресурсов системы. Примерами информационного резервирования могут служить специальные коды, обнаруживающие и корректирующие ошибки при передаче данных по каналам связи, за счет введения дополнительных символов, способ многократной передачи одного и того же сообщения по линии связи и др. Использование информационного резервирования влечет за собой также необходимость введения избыточных элементов.
Функциональное резервирование основано на возможности выполнения объектом заданной функции различными способами и техническими средствами. Например, электропитание средств связи может осуществляться от выпрямителей или аккумуляторных батарей, аварийное переключение в системе может быть выполнено автоматической системой или оператором и др.
При анализе технических систем с функциональным резервированием используют преимущественно такие показатели надежности, как вероятность выполнения данной функции, среднее время выполнения функции, коэффициент готовности для выполнения заданной функции.
Нагрузочное резервирование состоит в использовании специальных нагрузочных резервов. При этом обеспечиваются оптимальные запасы способности элементов выдерживать действующие на них нагрузки. Кроме этого возможно введение дополнительных защитных или разгружающих элементов.
Лекция №10. Составление технического задания на диагностику сварной конструкции
Основания для проведения диагностических работ является ФЗ-116 «О промышленной безопасности опасных производственных объектов».
На этапе планирования диагностических работ Заказчик составляет техническое задание на диагностирование.
Целью разработки технического задания является сообщение Исполнителю кратких сведений об объекте контроля, условиях эксплуатации, а также требуемом объеме работ.
В техническом задании на проведение диагностирования отражаются следующие сведения:
- общие паспортные сведения (объем, геометрические размеры, марка стали, дата ввода в эксплуатацию);
- условия эксплуатации (рабочая температура, рабочее давление, рабочий продукт, срок последнего ремонта и диагностирования);
- уровень необходимого обследования (полное или частичное).
Разработанное техническое задание включается в договор на проведение диагностирования между Заказчиком и Исполнителем.
Техническое задание на проведение диагностирования может быть составлено как для отдельного элемента (баллона, трубопровода и т.п.), так и для группы элементов одного типа, находящихся в одинаковых условиях эксплуатации.
Разберем уровни обследований. Это могут быть работы по экспертизе промышленной безопасности или техническому освидетельствованию.
Дата: 2018-11-18, просмотров: 785.
