лекция надежность. Лекция 6. Лекция 6 Методы повышения надёжности это

• Название: Лекция 6 Методы повышения надёжности это
• Анкор: лекция надежность
• Дата: 19.09.2021
• Размер: 323.94 Kb.
• Имя файла: Лекция 6.pdf
• Тип: Лекция; #234216

1
Лекция № 6 Методы повышения надёжности ЭТО
Системы, состоящие из подсистем, которые могут быть выделены по функциональным и пространственным признакам, имеют структуру. Если система состоит из подсистем е
1
е
2
е i
е n
, которые называют элементами, то она также как и элементы может находиться либо в работоспособном состоянии, либо в состоянии отказа.
Состояние системы однозначно определяется состоянием её
элементов и зависит от её структуры.
Разбиение системы на блоки осуществляется на базе единства функционирования и физических процессов, происходящих при работе изделия.
С точки зрения надежности различают последовательные, параллельные и системы со сложной структурой.
Расчёт надежности при последовательном (основном) соединении
элементов
- при таком соединении отказ технического изделия наступает при отказе одного из его узлов. Электрическая машина в большинстве случаев представляется в виде последовательного соединения узлов.
Случайная наработка последовательной системы, состоящей из N узлов


N
i
t
...
t
...
t
,
t
min
T
2 1

(1) где

i
t
наработки элементов системы.
Отсюда
)
t
t
(
P
)...
t
t
(
P
)
t
t
....
t
t
(
P
)
t
T
(
P
N
N







1 1
(2)
i
p
,...
p
1
– надежность отдельных узлов (N –количество узлов) изделия, тогда надежность всей системы:




N
i
i
N
c
p
p
...
p
p
P
1 2
1
(3)
Интенсивность отказов последовательной системы равна сумме интенсивностей отказов её элементов

2
)
t
(
....
)
t
(
)
t
(
N






1
(4)
Пример:
Какова вероятность безотказной работы машины постоянного тока, структурная надежность которой состоит из коллекторно-щеточного узла
(
92 0,
р
к

), подшипникового узла (
95 0,
р
п

); обмоток якоря (
99 0,
р
я

) и обмоток возбуждения
)
,
р
(
в
99 0

. Все данные приведены для t=5000ч.
Работоспособность последовательной системы требует работоспособности всех её элементов, системы которые не обладают этим свойством называются структурно-избыточными.
Для повышения надежности систем и элементов применяют резервирование:
Резервирование – это применение дополнительных средств и(или) возможностей с целью сохранения работоспособного состояния объекта при отказе одного или нескольких его элементов.
Резерв – совокупность дополнительных средств и (или) возможностей, используемых для резервирования.
Резервирование основано на использовании того или иного вида избыточности:
-
функциональную
избыточность, если различные устройства выполняют близкие функции или одно устройство выполняет несколько функций;
-
временную, если имеется резерв времени для повторного решения функциональных задач системы;
-
информационную,
если осуществляется компенсация потери информации по одному каналу информацией по другому;
-
структурную,
реализуемую путем введения дополнительных элементов

3
Структурная надежность
Структурная надежность – это результирующая надежность при
заданной структуре и известных значениях надежности всех входящих в
нее блоков или элементов.
Рассмотрим для примера электролебедку, используемую на кораблях. При
расчете всей энергосистемы корабля электролебедка представляет собой
отдельный блок. Более детально электролебедку можно представить в виде
блоков: электродвигатель, редуктор, барабан и канат. В свою очередь блоки
делятся на узлы, каждый из которых с точки зрения физической структуры
и функционирования представляет автономную единицу: двигатель —
подшипниковый узел, коллектор и щетки, обмотки статора и ротора;
редуктор — зубчатые колеса и подшипники; барабан - корпус и подшипники.
Не учитываются при расчете (приравниваются единице) надежности вала,
магнитопроводов, корпуса -у двигателя; у редуктора – надежность корпуса,
резьбовых соединений.
При резервировании в системах различают основные и резервные элементы. Если отказывает основной элемент, то его функции берет на себя резервный, который становиться основным. Это происходит до тех пор пока в наличии есть работоспособные резервные элементы.
Резервные элементы могут быть ремонтируемыми и неремонтируемыми.
Основной элемент в совокупности с (n-1) нагруженными резервными элементами образуют параллельную систему.

4
e
1
e
2
e
i
e
n
а
e
1
e
2
e
i
e
n
б
Рисунок 1 - Структурная схема надежности: а - последовательной системы,
б - параллельной системы
Расчёт
надежности
при
параллельном
соединении
элементов(резервирование).
- параллельная работа трансформаторов в синхронных генераторах в энергосистемах;
- параллельное включение диодов в электронных схемах, например, пускорегулирующей аппаратуры и т.д.

5
Последовательные и параллельные системы изображаются в виде
структурной схемы для расчёта надежности или просто схемой
надежности, представлю щей собой ненаправленный граф с входной и выходной вершинам, каждое ребро которого соответствует одному элементу системы, рисунок 1.
Система работоспособна тогда и только тогда, когда существует по
крайней мере один путь от входной вершины к выходной.
Случайная наработка параллельной системы, состоящей из
n независимых элементов равна
}
,...
,
max{
2 1
n
t
t
t
T 
,
(5) где
i
t - наработки элементов системы.
Отсюда
)],
(
1
)]...
(
1
)][
(
1
[
1
)
(
)...
(
)
(
1
)
,
,...
,
(
1
)
(
1
)
(
2 1
2 1
2 1
t
t
P
t
t
P
t
t
P
t
t
P
t
t
P
t
t
P
t
t
t
t
t
t
P
t
T
P
t
T
P
n
n
n
























,
(6) а ВБР параллельной системы, состоящей из независимых элементов, равна произведению вероятности безотказной работы своих элементов
)]
(
1
)]...[
(
1
)][
(
1
[
1
)
(
2 1
t
P
t
P
t
P
t
P
n





(7)
На схеме надежности один элемент может быть поставлен в соответствие нескольким ребрам, что отражает особенности функциональной и технической структур системы. Одна и та же система может иметь несколько эквивалентных схем надежности, а для различных видов отказов
(обрыв или короткое замыкание) схемы надежности одной и той же системы существенно различаются.
На практике встречаются системы которые образованы последовательным включением параллельных систем, и наоборот. Для расчёта показателей таких систем сначала производиться их декомпозиция на

6 параллельные и последовательные подсистемы, и представление их в системе элементами.
Существуют системы, структурная схема которых не приводится к последовательной или параллельной схемам надежности. Это системы, как правило, включающие в себя восстанавливающие органы - элементы, реализующие реконфигурацию системы при отказах основных элементов с целью перехода на резервный элемент. Для получения оценок ВБР систем, имеющих сложные структурные схемы надежности, например, в виде мостиковой схемы ( Рисунок 2), используется несколько методов.
e
1
e
2
e
5
e
3
e
4
Рисунок 2 - Мостиковая схема соединения элементов
Наиболее известны методы перебора состояний, разложения функции работоспособности относительно особого элемента, минимальных путей и сечений, а также логико-вероятностные методы.
Их всех методов наименьшей трудоемкостью характеризуется метод разложения относительно особого элемента. Особым элементом является тот элемент системы, исключение которого позволяет описать ее параллельной или последовательной схемой.
В системе выделяются один или несколько особых элементов и рассматриваются все их возможные состояния
i
H , образующие полную группу, т.е. выполняется условие



n
i
i
H
P
1 1
}
{
,
(8) где
)
(
i
H
P
- вероятность нахождения особых элементов в состоянии
i
H .

7
Вероятность работоспособного состояния системы в этом случае определяется по формуле полной вероятности












n
i
n
i
i
i
i
A
P
H
A
P
H
P
A
P
1 1
}
{
}
{
}
{
,
(9) где






i
H
A
P
- вероятность работоспособного состояния А при условии, что особые элементы системы находятся в состоянии
i
H ;
)
( A
P
i
- безусловная вероятность нахождения системы в работоспособном состоянии при нахождении особых элементов в состоянии
i
H .
Например, если в системе имеется два особых элемента с вероятностями безотказной работы
)
(
1
t
p
и
)
(
2
t
p
, то в системе возможны следующие состояния
i
H :

1
H - особые элементы исправны;

2
H - особые элементы неисправны;

3
H - первый особый элемент исправен, второй - неисправен;

4
H - второй особый элемент исправен, первый - неисправен.
Вероятности
)
(
i
H
P
появления этих состояний определяются через ВБР особых элементов и соответственно равны:

)
(
1
H
P
=
)
(
1
t
p
)
(
2
t
p
;

)
(
2
H
P
=
)]
(
1
[
1
t
p

)]
(
1
[
2
t
p

;

)
(
3
H
P
=
)
(
1
t
p
)]
(
1
[
2
t
p

;

)
(
4
H
P
=
)]
(
1
[
1
t
p

)
(
2
t
p
Условная вероятность работоспособного состояния системы






i
H
A
P
рассчитывается по структурной схеме для расчета ее надежности, в которой ребро, соответствующее особому элементу, удаляется, если особый элемент заведомо неработоспособен, или заменяется ребром, соответствующим

8 абсолютно надежному элементу, если особый элемент заведомо работоспособен.
Формула для расчета полной вероятности принимает вид
)
(
)]
(
1
[
)]
(
1
)[
(
)]
(
1
)][
(
1
[
)
(
)
(
}
{
4 2
1 3
2 1
2 2
1 1
2 1

































H
A
P
t
p
t
p
H
A
P
t
p
t
p
H
A
P
t
p
t
p
H
A
P
t
p
t
p
A
P
(1)
Для упрощения расчетов целесообразно проводить декомпозицию системы таким образом, чтобы в выделяемой подсистеме было не более двух или трех особых элементов.
Пример:
В энергосистеме при повышении тока нагрузки на 20% выключатель разрывает цепь. Вероятность того, что выключатель работает правильно, составляет 0,98. Как обеспечить вероятность размыкания цепи не менее 0,99?
Решение:
Для обеспечения заданной надежности необходимо N выключателей соединить последовательно. Включенные М выключателей дублируют друг друга (их функциональное назначение – разрыв цепи), поэтому схема надежности представляет собой параллельное (!) соединение элементов. Т.к. число выключателей не может быть дробным, получим, что для обеспечения заданной надежности необходимо включить два выключателя М=2. При этом вероятность аварийного размыкания цепи будет 0,9996.
Резервные элементы могут работать в следующих режимах:
нагруженный – элементы подвергаются той же нагрузке и выполняют те же функции, что и основной элемент;
ненагруженный – элементы не подвергаются никакой нагрузке и поэтому не могут отказать во время нахождения в резерве;
облегченный – элементы функционируют с неполной нагрузкой, поэтому вероятность его отказа меньше по сравнению с вероятностью отказа основного элемента.

9
Различают резервирование:
- с восстановлением т.е. возможен ремонт любого основного и резервного элемента в процессе работы и без восстановления;
-общее – при котором система резервируется в целом;
-поэлементное (раздельное) – при котором каждый элемент резервируется отдельно или группами, рисунок 1в).
Рисунок 3.
Существуют три способа включения резерва:
- постоянное – при котором элементы функционируют наравне с основными, такое резервирование называют пассивным или нагруженным;
-
резервирование замещением – при котором резервный элемент вводиться в состав системы после отказа основного, такое резервирование называется активным и оно требует использования коммутирующих устройств.
Элементы могут находиться в нагруженном, облегченном и ненагруженном режимах.
-
скользящее резервирование – резервирование замещением, при котором группа основных элементовсистемы резервируется одним или несколькими резервными элементами, каждый их которых может заменить любой отказавший основной элемент в данной группе, рисунок 3.
Кратность резервирования – отношение числа резервных элементов к числу резервируемых.
Различают однократное и многократное резервирование.

10
Рисунок 4. Схема надежности при скользящем резервировании
Недостатки резервирования:
- усложнение аппаратуры;
- увеличение массы и размеров изделия;
- увеличение потребляемой мощности и стоимости..
Стандартизация в области
надежности электромеханических систем
Стандартизация – установление и применение правил с целью упорядочения деятельности в определенной области на пользу и при участии всех заинтересованных стран, в частности для достижения всеобщей оптимальной экономии при соблюдении условий эксплуатации
(использования) и требовании безопасности.
Цели стандартизации в области надежности ЭМС:
1. Ускорение научно-технического процесса. Разработка новых научно- технических решений, обеспечивающих внутреннюю и внешнюю техническую, энергетическую и информационную совместимость изделий с точки зрения надежности и контроля.
2. Обеспечение объективности и сопоставимости результатов контроля и испытаний.
3. Обеспечение эффективности организационных, конструкторских, технологических и эксплуатационных мероприятий, направленных на достижение оптимального уровня надежности.
Общетехнические и организационно-методические стандарты регламентируют шесть классификационных групп объектов стандартизации:
Группа 0 Стандарты, нормирующие общие вопросы надежности:

11
- организационные вопросы обеспечения надежности;
- терминологию;
- общие требования к программам обеспечения надежности:
- экономические проблемы надежности и т.д.
Группа 1 Стандарты, нормирующие показатели надежности
- общие требования к номенклатуре и нормам показателей надежности;
- правила выбора и задания показателей надежности в нормативно- технической документации;
- правила установления критериев отказов и предельных состояний и т.д.
Группа 2 Стандарты, нормирующие методы расчёта надежности
- методы расчета норм надежности;
- расчёта и анализа показателей надежности с учётом видов разрушений и функциональной структуры;
- расчета норм запасных частей и т.д.
Группа 3 Стандарты, нормирующие методы обеспечения надежности
- методы оптимизации показателей надежности;
- учёта условий эксплуатации и режимов работы;
- технологического обеспечения надежности;
- обеспечения ремонтопригодности и т.д.
Группа 4 Стандарты, нормирующие вопросы испытаний и контроля
надежности.
Группа 5 Стандарты, нормирующие правила сбора и обработки
информации по надежности.
Стандарты в области надежности обозначаются следующим образом
ГОСТ 27410 – 83 27 – Система стандартов «Надежность в технике»
4 – № классификационной группы
10 – порядковый номер стандарта в группе
83 – год утверждения стандарта

12
Методы обеспечения надежности электромеханических систем
При проектировании:
1.
Необходимо предусмотреть использование качественных активных и конструктивных материалов (особенно теплостойкой корпусной изоляции и обмоточных проводов).
2. Необходимо использовать эффективные средства охлаждения для снижения рабочей температуры машины.
3. Необходимо учитывать рациональный выбор электрических и магнитных нагрузок, учитывая при этом требования обеспечения заданной надежности и минимальных масс и габаритов (это противоречивые требования).
4. Использование конструкций отдельных узлов и элементов машины с учётом требований эксплуатации.
5. Использование более простых конструкций отдельных узлов и элементов машины и в целом машины.
6. Использование специальных защитных устройств, предотвращающих развитие аварийной ситуации, а также встраиваемых датчиков для диагностики ЭМС.
При производстве
1-изготовление изделий с помощью прогрессивных типов технологических процессов, позволяющих автоматизировать и механизировать операции по всей цепи процесса с использованием типовой оснастки и типовых приспособлений.
2- периодическая проверка качества и надежности готовых изделий; отбраковка материалов и узлов, пострадавших при транспортировке и хранении.
3- строгое соблюдение режимов в технологическом процессе и технологии сборки и монтажа.
4 – повышение культуры производства; недопущение замены сортности материалов и комплектующих изделий, а если замена произведена, то она не

13 должна снижать качество изделия (качество должно соответствовать требованиям нормативно-технической документации).
5- осуществлять тренировку применяемых деталей и сборочных единиц, что сокращает этап приработки аппаратуры и позволяет оценить правильность выбранных схемных решений.
6-контроль физических свойств, параметров и характеристик материалов и комплектующих изделий (например, обмоточные проводов, подшипников и т.д.) поступающих от предприятий поставщиков.
7-введение контрольных карт
Наиболее эффективный метод выполнения перечисленных требований – разработка и внедрение на заводах электротехнической промышленности систем управления надежностью.
При эксплуатации
1.
Условия эксплуатации (температура окружающей среды; уровень влажности и запыленности, влияние агрессивных сред; уровень вибрации и т.д.) и система обслуживания (уход за машинами; периодический и профилактический контроль; установленная по регламенту чистка и наладка; ремонт или замена износившихся деталей) должны соответствовать установленным нормам.
2.
Обеспечение необходимой диагностической и контрольно- измерительной аппаратурой, автоматизация контроля диагностики и контроля.
3.
Повышение квалификации обслуживающего персонала.