основы. 4. Основы расчета теории надежности. Основы теории расчета надежности технических систем
 Скачать 2.78 Mb.
|
|
преобразования с помощью разложения сложной структуры по некоторому базовому элементу основан на использовании теоремы о сумме вероятностей несовместных событий. В сложной структуре выбирают базовый элемент (или группу базовых элементов) и делаются следующие допущения: — базовый элемент находится в работоспособном состоянии; — базовый элемент находится в отказавшем состоянии. Для этих случаев, представляющих собой два несовместных события, исходная структура преобразовывается в две новые схемы. В первой из них вместо базового элемента ставится «короткое замыкание» цепи, а во второй — разрыв. Вероятности безотказной работы каждой из полученных простых структур вычисляются и умножаются: первая — на вероятность безотказного состояния базового элемента, вторая — на вероятность отказа базового элемента. Полученные произведения складываются. Сумма равна искомой вероятности безотказной работы сложной структуры. ПРИМЕР 4.5.8. Решить предыдущий пример методом разложения сложной структуры. Решение. 1. В качестве базового элемента примем элемент 5 (рис. 4.5.3, б). 2. Закоротим базовый элемент, т. е. сделаем допущение об абсолютной его проводимости. Присоединим к полученной структуре последовательно базовый элемент с характеристикой его надежности р5. В результате вместо исходной структуры получим новую структуру (рис. 4.5.10, а). 3. Произведем обрыв базового элемента, т. е. сделаем предположение об его абсолютной ненадежности (непроводимости). К полученной структуре присоединим последовательно базовый элемент с характеристикой его ненадежности (1 − p5 ). В результате получим структуру (рис. 4.5.10, б).  4. Искомая вероятность равна сумме вероятностей структур (рис. 4.5.10, а, б), каждая из которых параллельно-последовательная. Поэтому:  Вероятность безотказной работы мостиковой схемы, состоящей из пяти неодинаковых и независимых элементов, можно определить по формуле:  В случае идентичных элементов эта формула принимает вид:  Подставляя соотношение (4.5.19) в формулу (4.5.6), получаем, что в случае использования элементов с постоянной интенсивностью отказов (экспоненциальном законе распределения отказов): P(t ) = 2exp(−5λt ) − 5exp(−4λt ) + 2exp(−3λt ) + 2exp(−2λt ). (4.5.20) Среднее время безотказной работы системы Т0 находим путем интегрирования уравнения (4.5.20) в интервале [0, ∞]:  ПРИМЕР 4.5.9. Определить вероятность безотказной работы устройства, структурная схема которого изображена на рис. 4.5.3, б, если известно, что вероятности безотказной работы каждого из элементов схемы равны 0,9. Решение. Так как все элементы идентичны, воспользуемся формулой (4.5.18), с ее помощью получаем: P = 2 × 0,95 − 5 × 0,94 + 2 × 0,93 + 2 × 0,92 ≈ 0,978. ПРИМЕР 4.5.10. Требуется определить вероятность безотказной работы и среднюю наработку на отказ системы, состоящей из пяти независимых и одинаковых элементов, соединенных по мостиковой схеме (рис. 4.5.3, б); считается, что λ = 0,0005 ч–1, t = 100 ч и все элементы начинают работать в момент времени t = 0. Решение. 1. С помощью формулы (4.5.20) получаем:  2. Подставляя полученное значение вероятности безотказной работы в формулу (4.5.21), находим среднюю наработку на отказ: T0 = 49 / (60 × 0,0005) = 1633,4 ч. 4.5.4. Надежность резервированной системы Одним из путей повышения надежности системы является введение в нее резервных (дублирующих) элементов. Резервные элементы включаются в систему как бы «параллельно» тем, надежность которых недостаточна. 4.5.4.1. Параллельное соединение резервного оборудования системы Рассмотрим самый простой пример резервированной системы — параллельное соединение резервного оборудования системы. В этой схеме все n одинаковых образцов оборудования работают одновременно, и каждый образец оборудования имеет одинаковую интенсивность отказов. Такая картина наблюдается, например, если все образцы оборудования держатся под рабочим напряжением (так называемый «горячий резерв»), а для исправной работы системы должен быть исправен хотя бы один из n образцов оборудования. В этом варианте резервирования применимо правило определения надежности параллельно соединенных независимых элементов. В нашем случае, когда надежности всех элементов одинаковы, надежность блока определяется по формуле (4.5.10)  Если система состоит из n образцов резервного оборудования с различными интенсивностями отказов, то:  Выражение (4.5.22) представляется как биноминальное распределение. Поэтому ясно, что когда для работы системы требуется по меньшей мере k исправных из n образцов оборудования, то:  При постоянной интенсивности отказов l элементов это выражение принимает вид:  где: p= exp(−λt). 4.5.4.2. Включение резервного оборудования системы замещением В данной схеме включения n одинаковых образцов оборудования только один находится все время в работе (рис. 4.5.11). Когда работающий образец выходит из строя, его непременно отключают, и в работу вступает один из (n – 1) резервных (запасных) элементов. Этот процесс продолжается до тех пор, пока все (n – 1) резервных образцов не будут исчерпаны. Примем для этой системы следующие допущения: 1. Отказ системы происходит, если откажут все n элементов. 2. Вероятность отказа каждого образца оборудования не зависит от состояния остальных (n – 1) образцов (отказы статистически независимы). 3. Отказывать может только оборудование, находящееся в работе, и условная вероятность отказа в интервале (t, t + dt) равна λdt; запасное оборудование не может выходить из строя до того, как оно будет включено в работу. 4. Переключающие устройства считаются абсолютно надежными. 5. Все элементы идентичны. Резервные элементы имеют характеристики как новые.  Система способна выполнять требуемые от нее функции, если исправен по крайней мере один из n образцов оборудования. Таким образом, в этом случае надежность равна просто сумме вероятностей состояний системы, исключая состояние отказа, т. е.:  В качестве примера рассмотрим систему, состоящую из двух резервных образцов оборудования, включаемых замещением. Для того чтобы эта система работала, в момент времени t, нужно, чтобы к моменту t были исправны либо оба образца, либо один из двух. Поэтому:  На рис. 4.5.12 показан график функции Р(t) и для сравнения приведен аналогичный график для нерезервированной системы.  |