Основы надежности Основы надежности и диагностики и диагностики
 Скачать 2.54 Mb.
|
|
5.3.2 Резервирование как метод повышения надежности В настоящее время резервирование является одним из самых рас- пространенных способов повышения характеристик надежности систем. 95 Однако этот метод ведет к усложнению систем, увеличению их массы и стоимости. Поэтому перед конструктором стоит вопрос, каким образом зарезервировать систему, чтобы при допустимой массе, стоимости и габаритах получить максимальный выигрыш надежности. Свойства различных видов резервирования можно выяснить, проанализировав выигрыш надежности по основным количественным ха- рактеристикам. При этом в настоящее время за критерий качества системы в смысле ее надежности принимается следующий: система считается абсолютно надежной, если отказ одного любого элемента не приводит к отказу всей системы. Реализация этого критерия на практике осуществляется путем поэлементного или поблочного резервирования. Оценим эффективность различных способов резервирования, приняв за критерии качества вероятность и среднюю наработку до отказа и сделав следующие упрощающие предположения: – все элементы системы равнонадежны; – поток отказов элементов является простейшим; – кратность резервирования всех элементов одинакова. Если при принятых допущениях вероятность и средняя наработка до отказа нерезервированной системы выражается формулами 0 0 0 ( ) ; ( ) 1 ( ); 1 , N t ср P t e Q t P t T N λ λ − = = − = (5.13) то выигрыш надежности резервированной системы по сравнению с не - резервированной будет 0 , Q Q G Q = 0 , ср T ср T G Т = 0 G λ Λ = Λ (5.14) На рисунках 5.5—5.7 показаны зависимости выигрыша надежности при различных кратностях резервирования и способах резервирования Рисунок 5.5 – Выигрыш надежности по вероятности отказа Рисунок 5.6 – Выигрыш надежности по средней наработке до отказа 96 Рисунок 5.7 – Выигрыш надежности по интенсивности отказов Сплошной линией на рисунках показаны кривые для случая резер- вирования с целой кратностью, пунктирной — резервирования с дробной кратностью. Из анализа рисунков 5.5—5.7 вытекают следующие важные свойства резервирования. 1 Интенсивность отказов резервированной системы всегда начинается с нуля независимо от интенсивности отказов нерезервируемой системы. По мере увеличения времени эксплуатации системы, интенсивность отказов резер- вированной системы асимптотически стремится к интенсивности отказов не- резервированной системы. При резервировании с дробной кратностью ин- тенсивность 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. Из рисунка 5.8 видно, что существует такое критическое значение вре- мени работы τ, выше которого резервирование с дробной кратностью нецелесообразно. Рисунок 5.8 – Соотношение вероятностей безотказной работы систем при резервировании с дробной кратностью 2 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. Оно приводит к тому, что для повышения надежности систем длительного использования необходима высокая кратность резервирования. 97 3 При схемной реализации любого резервирования, кроме скользящего, значительное увеличение массы системы приводит к менее значительному увеличению средней наработки до отказа. 5.3.3 Способы уменьшения интенсивности отказов для повышения надежности Вероятность безотказной работы системы, интенсивность отказов которой уменьшена в k раз, равна 0 ( ) t k P t e Λ − = (5.15) Тогда выигрыш составляет 0 0 1 ; 1 ; 1 t k Q t T e G e G k G k Λ − −Λ Λ − = − = = (5.16) Зависимости G Q (Λ 0 ,t) при различных k приведены на рисунке 5.9. Из этого рисунка и выражения (5.3) видно, что при малых Λ 0 t выигрыш надежности по средней наработке растет пропорционально k. Это означает, что уменьшение интенсивности отказов может привести к существенному повышению надежности систем длительного использования и значительному повышению надежности систем, предназначенных для малого времени работы. Рисунок 5.9 – Зависимость выигрыша надежности от значений интенсивности отказов Эффективными методами понижения интенсивности отказов систем являются: – применение наиболее надежных элементов; – отбраковка («выжигание») малонадежных элементов системы; – облегчение режимов работы элементов. Выбор наиболее надежных элементов . При проектировании 98 и конструировании систем недопустимо применение элементов с устаревшими характеристиками. Необходимо производить тщательный отбор даже среди рекомендованных типов элементов. С этой целью разрабатываются специальные нормы надежности элементов и систем. В зависимости от назначения оборудования и количества входящих в системы элементов требуются различные уровни надежности элементов. Из опубликованных в отечественной и зарубежной литературе данных следует, что требования к надежности элементов современных сложных систем высокие. Надежность же элементов такова, что удовлетворить этим высоким требованиям зачастую при создании систем, не прибегая к специальным мерам по повышению надежности, пока почти невозможно. Кроме этого, при выборе элементов необходимо учитывать реальные условия эксплуатации системы. Значения интенсивностей отказов элементов, определенные в лабораторных (заводских) условиях, нуждаются в обязательной корректировке на действительные условия работы. Отбраковка («выжигание») малонадежных элементов системы. Уменьшить интенсивность отказов можно путем отбраковки, или «выжигания» элементов, имеющих конструктивные и производственные дефекты. Для этого осуществляется тщательная тренировка элементов системы в тяжелых условиях работы. Идея метода выжигания дефектных элементов состоит в исключении начального участка λ-характеристики (рисунок 5.10). Режим выжигания элементов выбирается на основании анализа кривых λ= f(t). Для большинства элементов с увеличением коэффициента нагрузки К н кривая λ= f(t) смещается влево вверх (рисунок 5.11). При этом участок λ = const сокращается, и начало этого участка смещается влево. Численные значения К Н времени выжигания определяются путем проведения специальных испытаний элементов при различных коэффициентах нагрузки и на основании статистических данных об отказах этих элементов. По этим сведениям строятся кривые λ= f(t) и по характеру кривых устанавливаются коэффициент нагрузки и время выжигания. Если интенсивность отказов по статистическим данным сохраняет Рисунок 5.10 – Повышение надежности путем исключения периода приработки Рисунок 5.11 – Вид зависимости λ(t) при различных режимах работы элементов 99 постоянную величину, а параметры элемента уходят за допустимые пределы, то такой режим выжигания является недопустимым. Облегчение режимов работы элементов. Снижение нагрузки элемен- тов, уменьшение их тепловых, вибрационных и других режимов приводит к уменьшению вероятности появления отказа. Поэтому облегчение режимов работы является одним из возможных путей повышения надежности оборудования. В подавляющем большинстве современных систем элементы работают в разгруженном режиме. Изменение интенсивности отказов в номинальном (кривая 1) и недогруженном (кривая 2) режимах работы элементов показано на рисунке 5.12. Рисунок 5.12– Влияние К н на λ(t) Из рисунка видно, что при разгруженном режиме работы элементов интенсивность отказов в течение периода нормальной эксплуатации T" 2 по-прежнему остается постоянной; ее величина уменьшается по сравнению с интенсивностью отказов при номинальном режиме работы, а длительности периодов приработки Т' 2 и нормальной эксплуатации увеличиваются. 5.3.4 Сокращение времени непрерывной работы и восстановления с целью повышения надежности системы При экспоненциальном распределении времени появления отказов в системах в выражениях для основных количественных характеристик надежности значения Λ и t входят в виде произведений. Это означает, что сокращение времени работы системы эквивалентно уменьшению интенсивности отказов. Поэтому, если при проектировании систем имеются возможности сокращения времени непрерывной работы, то с точки зрения повышения надежности указанные возможности необходимо реализовать. Для подавляющего числа оборудования сложной системы весьма важным является такое их свойство, как готовность к действию. Готовность системы к выполнению своих функций, как известно, характеризуется коэффициентом готовности 100 ср Г ср в Т К Т Т = + (5.17) Уменьшение времени восстановления Т в при прочих равных условиях позволяет увеличить вероятность исправного состояния изделия в любой момент времени (К т ), т.е. повысить готовность системы. Время восстановления Т в работоспособности объекта после отказа зависит от множества факторов. Уменьшение каждой из составляющих времени восстановления достигается широким комплексом мероприятий, применяемых как в процессе создания системы, так и при ее эксплуатации. Мероприятия по улучшению восстанавливаемости систем на этапе их создания в основном сводятся к следующим: – автоматизация трудоемкого процесса обнаружения неисправностей; – автоматизация контроля основных параметров и режимов работы системы; – резервирование; – рациональное конструирование (блочная конструкция, доступность и удобство монтажа и т. п.); – разработка рациональной эксплуатационной документации. Эти факторы влияют на следующие показатели: – среднее время пребывания объекта в ожидании ремонта и его проведения; – среднее время доставки запасных элементов; – среднее время удовлетворения рекламаций; – потребное количество запасных элементов, которое необходимо иметь в ЗИПе и др. Усилия обслуживающего персонала должны быть направлены на проведение наиболее эффективных мероприятий по повышению вос- станавливаемости систем, основными из которых являются: – повышение квалификации обслуживающего персонала и приобретение ими устойчивых навыков поиска и замены отказавших элементов; – обоснование рациональной периодичности и объема профилактических мероприятий; – определение оптимального состава ЗИП; – обоснование и разработка оперативной системы снабжения; – совершенствование методов эксплуатации и систем учета и отчетности; – усовершенствование эксплуатационной документации. 5.3.5 Влияние периодичности и объема профилактических мероприятий на надежность систем Поддержание требуемого уровня надежности элементов и систем — это одна из основных задач по обеспечению высокой безопасности и живучести сложных систем. Среди мероприятий по повышению надежности при эксплуатации оборудования сложных систем важное место отводится 101 техническому обслуживанию. Под техническим обслуживанием понимается комплекс организационных и технических мероприятий, направленных на предупреждение отказов. К основным задачам технического обслуживания (ТО) относятся предупреждение ускоренного износа, коррозии и старения; поддержание основных технических характеристик оборудования на заданном уровне; продление межремонтных сроков эксплуатации оборудования. Основу ТО составляют профилактические работы и регламентные проверки. Профилактические работы (профилактика) проводятся периодически с целью выявления ненадежных, отказавших или неисправных элементов, а также для установления причин, способствующих возникновению отказов. Содержанием профилактических работ является чистка, механические, смазочные, контрольно-регулировочные работы. В энергетике профилактические работы носят название планово- предупредительных ремонтов (ППР), периодичность проведения которых обычно совпадает с перегрузкой топлива. Сущность влияния профилактики на надежность оборудования можно пояснить с помощью кривых (рисунки 5.13 – 5.15). Кривая I (рисунок 5.13) выражает изменение вероятности P(t) имеет безотказной работы системы в предположении отсутствия профилактики. Так как реально на оборудовании проводятся профилактические работы, при которых выявленные неисправности устраняются, то кривая P(t) имеет пилообразный вид (кривая 2). В моменты t 1 на оборудовании выполняются профилактические работы, и в дальнейшем кривая P(t) имеет начало на линии, близкой к максимальному значению вероятности исправной работы. Из-за воз- действия на оборудование при эксплуатации факторов внешней среды надежность их постепенно ухудшается. Кроме того после выполнения профилактики могут остаться неисправные элементы, которые не были обнаружены обслуживающим персоналом в ходе проверки работоспособности объектов. Рисунок 5.13 – Влияние периодичности профилактики на надежность восстанавливаемой системы Рисунок 5.14 – Выбор периодичности профилактики при внезапных отказах и полной восстанавливаемости 102 Следовательно, и количественно это должно отражаться наклоном линии относительно прямой, соответствующей максимуму вероятности P(t) в момент времени t = 0 (угол φ). Назовем эту линию линией ухудшения (прямая 3 на рисунке 5.13). Принципиально линия ухудшения может быть не прямой и иметь начало на оси ординат не обязательно в точке, соответствующей P(t = 0) = 1, ибо сложные объекты по статистике отказов, покидая завод-изготовитель, не имеют вероятности безотказной работы, равной единице. Участок аb кривой 2 (рисунок 5.13) показывает, насколько восстанав- ливается надежность оборудования при проведении профилактики. Не- довосстановление надежности до начальной величины с течением времени эксплуатации, как правило, растет, а следовательно, может наступить такой момент, когда надежность оборудования не будет восстанавливаться за счет профилактики. Этот момент времени указывает на то, что необходимо про- водить более эффективные работы (средний или капитальный ремонт). Снижение надежности в недопустимых пределах (на рисунке 5.13 ниже значений Р доп1 и Р доп2 ) может привести к частым отказам в работе систем. Значение допустимой вероятности Р доп выбирается на основании анализа эффективности данного оборудования. Из рисунка 5.13 видно, что периодичность выполнения профилактики существенным образом влияет на значение вероятности безотказной работы P(t). Так, если периодичность профилактики на объектах равна промежутку времени от момента t=0 до t=t 2 и т.д. до t=t 2m , то значение вероятности безотказной работы описывается «зубом пилы» 1,0-е-с. С уменьшением времени между профилактическими работами в два раза вероятность безотказной работы систем повышается и определяется «зубом пилы» 1,0-a-b, b-d-c и т.д. Таким образом, при назначении периодичности профилактики не- обходимо промежутки времени между циклами работ выбирать так, чтобы обеспечить требуемое значение вероятности безотказной работы. Планирование профилактики зависит от того, насколько вероятны ожидаемые отказы различной природы. Если отказы – редкие события и носят характер внезапных отказов, то не имеет смысла проводить частые плановые замены элементов системы, поскольку заменяемый элемент не будет менее надежен, чем новый, и замена его может привести не к повышению, а к снижению надежности. При постепенных отказах плановая замена элементов может существенно повысить надежность системы, если замена своевременна, – преждевременная замена экономически невыгодна, а запаздывание в замене не предупреждает отказа. Таким образом, разработка стратегии профилактических работ (выбор сроков, объема, последовательности, глубины и тщательности) зависит от характера потока отказов и восстановления, вида отказов, требований к надежности и экономической целесообразности. Кроме безотказности на выбор длительности промежутка времени между циклами профилактических работ оказывают влияние следующие факторы: период эксплуатации и характер применения оборудования; долговечность 103 элементов; стоимость; характер возможных последствий отказов. Время профилактической проверки работоспособности оборудования назначается, исходя из следующих соображений. 1 При нормальном периоде эксплуатации, когда Λ(t) = const и известно значение допустимого снижения надежности Р доп или Q яоп , время профилактики выбирается с учетом того, чтобы вероятность появления отказа не превышала допустимого значения (рисунок 5.14): ( ) 1 ; t доп Q t Q e −Λ ≤ = − ln(1 ) доп пр Q t − ≤ − Λ (5.18) 2 Для определения времени календарного обслуживания оборудования, работающего длительно в непрерывном режиме и ориентированного на замену элементов, выработавших ресурс, предварительно оценивается средняя наработка до постепенного отказа Т ср и среднее квадратическое отклонение наработки σ Тср (t) (рисунок 5.15). Рисунок 5.15 – Выбор периодичности профилактики при постепенных отказах Тогда ( ), ср пр ср T t T n t σ = − (5.19) где число n выбирается таким , чтобы вероятность отказа была меньше допустимой вероятности 3 На λ - характеристиках оборудования в различные моменты времени могут появляться « горбы » ( рисунок 5.16), характеризующие различный ресурс элементов ( в системе могут быть элементы с различной механической и электрической прочностью ). Естественно , что в моменты t 1 пр ,t 2 пр ,t 3 пр целесообразно проведение профилактики соответствующего объема ( глубины ). 104 Рисунок 5.16 – Вид интенсивности отказов оборудования с заменой критических элементов 4 Для систем, работающих в дежурном режиме (системы управления и защиты, системы безопасности), весьма важно, чтобы профилактика не снижала обобщенный показатель надежности: ( ), ТИ R K P t = (5.20) где К т = t сум /(t сум + t np + t рем ) — коэффициент технического использования ; t сум — суммарная наработка ; t рем — время ремонта ; t пр — время , затрачиваемое на профилактику 5 Работы по техническому обслуживанию сложных систем в процессе эксплуатации можно осуществлять двумя способами : проводить регулярно , через заранее выбранные промежутки времени ( в том числе рассчитанные оптимально ) по моделям типа (5.14) – (5.15) или сначала измерять некоторые параметры системы , которые изменяются в результате действия внешних факторов и старения , а затем решать вопрос о проведении того или иного вида работ по ТО системы , т е организовывать это ТО в зависимости от фактического состояния системы Организация такого ТО получила название эксплуатации по состоянию При эксплуатации оборудования по состоянию используется более глубокая информация о техническом состоянии системы , чем при календарном ТО , при котором в основу эксплуатации системы закладывается информация только о моментах отказов системы При организации эксплуатации по состоянию возникают следующие задачи : – выбор минимального необходимого числа контролируемых параметров , несущих достаточную информацию о состоянии системы в любой момент времени ; – обоснование допустимых областей изменения выбранных для контроля параметров ; – разработка алгоритмов математического обеспечения для обоснования программ эксплуатации по состоянию ; – создание технических средств контроля и диагностирования , ре - гистрации и оперативной обработки измеряемой информации |