Задачи по теории надежности. Практическое 3анятие 1 Определение количественных характеристик надежности по статистическим данным об отказах изделия. Теоретические сведения

• Название: Практическое 3анятие 1 Определение количественных характеристик надежности по статистическим данным об отказах изделия. Теоретические сведения
• Дата: 10.12.2021
• Размер: 1.43 Mb.
• Имя файла: Задачи по теории надежности.doc
• Тип: Документы; #299207
• страница: 1 из 9

Введение
Настоящее пособие посвящено теории и практике решения задач по дисциплине «Надежность технических систем и техногенный риск» для закрепления теоретических знаний и практики использования основных методов расчета и оценки критериев надежности сложных технических систем.

Для облегчения решения задач в пособии приведены основные сведения из теории, расчетные формулы, а так же типовые примеры с решениями.

Основная цель данного пособия – формирование навыков практического применения теории надежности к решению различных практических задач.

Пособие рассчитано на широкий круг инженеров, студентов и аспирантов занимающихся созданием и эксплуатацией сложных технических систем. Пособие преследует учебные цели, поэтому все задачи носят гипотетический характер

ПРАКТИЧЕСКОЕ 3АНЯТИЕ № 1
Определение количественных характеристик надежности

по статистическим данным об отказах изделия.

Теоретические сведения

Вероятность безотказной работы по статистическим данным об отказах оценивается выражением

,

(1.1)

где n(t) - число изделий, не отказавших к моменту времени t; N- число изделий, поставленных на испытания; Р*(t) - статистическая оценка вероятности безотказной работы изделия.

Для вероятности отказа по статистическим данным справедливо соотношение

,

(1.2)

где N-n(t)- число изделий, отказавших к моменту времени t; q*(t) - статистическая оценка вероятности отказа изделия.

Частота отказов по статистическим данным об отказах определяется выражением

,

(1.3)

где n(t) - число отказавших изделий на участке времени (t, t+t); f*(t) - статистическая оценка частоты отказов изделия; t - интервал врeмени.

Интенсивность отказов по статистическим данным об отказах определяется формулой

,

(1.4)

где n(t)- число изделий, не отказавших к моменту времени t; n(t) - число отказавших изделий на участке времени (t, t+t) ; *(t)- статистическая оценка интенсивности отказов изделия.

Среднее время безотказной работы изделия по статистическим данным оценивается выражением

,

(1.5)

где t_i - время безотказной работы i- го изделия; N- общее число изделий, поставленных на испытания; m_t* - статистическая оценка среднего времени безотказной работы изделия.

Для определения m_t* по формуле (1.5) необходимо знать моменты выхода из строя всех N изделий. Можно определять m_t* из уравнения

,

(1.6)

где n_i - количество вышедших из строя изделий в i- ом интервале времени;

t_ср.i = (t_i-1+t_i)/2 ; m=t_k/t ; t=t_i+1-t_i ; t_i-1 -время начала i- го интервала; t_i- время конца i- го интервала; t_k - время, в течение которого вышли из строя все изделия; t-интервал времени.

Дисперсия времени безотказной работы иэделия по статистическим данным определяется формулой

,

(1.7)

где D_t*- статистическая оценка дисперсии времени безотказной работы изделия.

Решение типовых задач

Задача 1.1. На испытание поставлено 1000 однотипных электронных ламп, за 3000 час. отказало 80 ламп. Требуется определить P*(t), q*(t) при t = 3000 час.

Решeниe. В данном случае N= 1000; n(t)=1000-80=920; N-n(t)=1000-920=80. По формулам (1.1) и (1. 2) определяем

или

Задача 1.2. На испытание было поставлено 1000 однотипных ламп. За первые 3000 час. отказало 80 ламп, а за интервал времени 3000 - 4000 час. отказало еще 50 ламп. Требуется определить статистическую оценку частоты и интенсивности отказов элвктронных ламп в промежутке времени 3000 - 4000 час.

Решение. В данном случае N=1000; t=3000 час; t =1000 час; n(t)=50; n(t)=920.

По формулам (1.3) и (1.4) находим

час

1/час

Задача 1.3. На испытание поставлено N = 400 изделий. За время t = 3000 час отказало 200 изделий, т.е. n(t) = 400-200=200.За интервал времени (t, t+t) , где t= 100 час, отказало 100 изделий, т.е. n(t)= 100. Требуется определить Р*(3000),

P*(3100), f*(3000), *(3000).

Решение. По формуле (1.1) находим



Используя формулы (1.3) и (1.4), получим

(1/час)

(1/час)

Задача1.4. На испытание поставлено 6 однотипных изделий. Получены следующие значения ti (ti - время 6езотказной работы i- го изделия) : t1 =280 час; t2 = 350 час; t3 =400 час; t4 =320 час; t5 =380 час; t6 =330 час.

Определить статистическую оценку среднего времени безотказной работы изделия.

Решение. По формуле (1.5) имеем час.

Задача 1.5. За наблюдаемый период эксплуатации в аппаратуре было зафиксировано 7 отказов. Время восстановления составило:

t1 =12мин.; t2=23мин.; t3 =15мин.; t4=9мин.; t5=17мин.; t6=28мин.; t7=25мин.; t8=31мин. Требуется определить среднее время восстановления аппаратуры .

Решение.

мин.

Задача 1.6. В результате наблюдения за 45 образцами радиоэлектронного оборудования получены данные до первого отказа всех 45 образцов, сведенные в табл.1.1. Требуется определить m_е*.
Таблица 1.1

ti,час.	ni	ti,час.	ni	ti,час.	ni
0-5	1	30-35	4	60-65	3
5-10	5	35-40	3	65-70	3
10-15	8	40-45	0	70-75	3
15-20	2	45-50	1	75-80	1
20-25	5	50-55	0
25-30	6	55-60	0

Решение. В данном случае



Используя формулу (1.6), получим



_ч.

Задачи для самостоятельного решения

Задача 1.7. На испытание поставлено 100 однотипных изделий. За 4000 час. отказало 50 изделий. За интервал времени 4000 - 4100 час. отказало ещё 20 изделий. Требуется определить f*(t),*(t) при t=4000 час.

Задача 1.8. На испытание поставлено 100 однотипных изделий.

За 4000 час. отказало 50 изделий. Требуется определить p*(t) и q*(t) при t=4000 час.

Задача 1.9. В течение 1000 час из 10 гироскопов отказало 2. За интервал времени 1000 - 1100 час. отказал еще один гироскоп. Требуется определить f*(t), *(t) при t =1000 час.

Задача 1.10. На испытание поставлено 1000 однотипных электронных ламп. За первые 3000 час. отказало 80 ламп. За интервал времени 3000 - 4000 час. отказало еще 50 ламп. Требуется определить p*(t) и q*(t) при t=4000 час.

Задача 1.11. На испытание поставлено 1000 изделий. За время t=1300 час. вышло из строя 288 штук изделий. За последующий интервал времени 1300-1400 час. вышло из строя еще 13 изделий. Необходимо вычислить p*(t) при t=1300час.

и t=1400 час.; f*(t), *(t) при t =1300 час.

Задача 1.12. На испытание поставлено 45 изделий. За время t=60 час. вышло из строя 35 штук изделий. За последующий интервал времени 60-65 час. вышло из строя еще 3 изделия. Необходимо вычислить p*(t) при t=60час. и t=65 час.; f*(t), *(t) при t =60 час.

Задача 1.13. В результате наблюдения за 45 образцами радиоэлектронного оборудования, которые прошли предварительную 80-часовую приработку, получены данные до первого отказа всех 45 образцов, сведенные в табл.1.2. Необходимо определить m_t*.

Таблица 1.2.

ti,час.	ni	ti,час.	ni	ti,час.	ni
0-10	19	30-40	3	60-70	1
10-20	13	40-50	0
20-30	8	50-60	1

Задача 1.14. На испытание поставлено 8 однотипных изделий. Получены следующие значения ti (ti - время безотказной работы i-го изделия):

t1 =560час.; t2=700час.; t3 =800час.; t4=650час.; t5=580час.; t6=760час.; t7=920час.; t8=850час. Определить статистическую оценку среднего времени безотказной

работы изделия.

Задача1.15. За наблюдаемый период эксплуатации в аппаратуре было зарегистрировано 6 отказов. Время восстановления составило: t1 =15мин.; t2=20мин.; t3 =10мин.; t4=28мин.; t5=22мин.; t6=30мин.

Требуется определить среднее время восстановления аппаратуры .

Задача1.16. На испытание поставлено 1000 изделий. За время t=11000 час.

вышло из строя 410 изделий. Зв последующий интервал времени 11000-12000 час. вышло из строя еще 40 изделий. Необходимо вычислить p*(t) при t=11000 час. и t=12000 час., а также f*(t), *(t) при t=11000 час.
ПРАКТИЧЕСКОЕ 3АНЯТИЕ № 2
Аналитическое определение количественных характеристик

надёжности изделия.

Теоретические сведения
В ыпишем формулы, по которым определяются количественные характеристики надежности изделия

(2.1)

(2.2)

(2.3)

(2.4)

(2.5)
где p(t) - вероятность безотказной работы изделия на интервале времени от 0 до t; q(t) - вероятность отказа изделия на интервале времени от 0 до t; f(t)-частота отказов изделия или плотность вероятности времени безотказной работы изделия Т;

(t)- интенcивность отказов изделия; m_t - среднее время безотказной работы изделия.

Формулы (2.1) - (2.5) для экспоненциального закона распределения времени безотказной работы изделия примут вид

;	(2.6)
;	(2.7)
;	(2.8)
;	(2.9)
.	(2.10)

Формулы (2.1) - (2.5) для нормального закона распределения времени безотказной работы изделия примут вид

		;	(2.11)
		;	(2.12)
	; ;			(2.13)
	,			(2.14)

где Ф(U) - функция Лапласа, обладающая свойствами

Ф(0)=0 ; (2. 15)

Ф(-U) =-Ф(U) ; (2.16)

Ф()=0.5 . (2.17)

Значения функции Лапласа приведены в приложении П.7.13 [ 1 ] .

Значения функции (U) приведены в приложении П.7.17 [ 1 ].

Здесь m_t - среднее значение случайной величины Т; _t² - дисперсия случайной величины Т; Т- время безотказной работы изделия.

Формуды (2.1) - (2.5) для закона распределения Вейбулла времени безотказной работы изделия имеют вид

;	(2.18)
;	(2.19)
;	(2.20)
;	(2.21)
,	(2.22)

где a, k - параметры закона распределения Вейбулла. Г (x) - гамма-функция, значения которой приведены в приложении П.7.18 [ 1 ].

Формулы (2.1) - (2.5) для закона распределвния Релея времени безотказной работы изделия имеют вид

;	(2.23)
;	(2.24)
;	(2.25)
;	(2.26)
,	(2.27)

где _t – мода распределения случайной величины Т; Т – время безотказной работы изделия.

Решение типовых задач
Задача 2.1. Время работы элемента до отказа подчинено экспоненциальному закону распределения с параметром =2.510^-5 1/час.

Требуется вычислить количественные характеристики надежности элемента p(t),q(t),f(t),m_t для t=1000час.

Решение. Используем формулы (2.6), (2.7), (2.8), (2.10) для p(t),q(t),f(t),m_t .

1. Вычислим вероятность безотказной работы:

.

Используя данные таблицы П.7.14 [ 1 ] получим

.

2. Вычислим вероятность отказа q(1000). Имеем

q(1000)=1-p(1000)=0.0247 .

3. Вычислим частоту отказов

; 1/час.

4. Вычислим среднее время безотказной работы

час.

Задача 2. 2. Время работы элемента до отказа подчинено нормальному закону с параметрами m_t =8000 час, _t =2000 час. Требуется вычислить количественные характеристики надежности p(t),f(t),(t),m_t для t=10000 час.

Решение. Воспользуемся формулами (2.11), (2.12), (2.13),(2.14) для p(t), f(t), (t),m_t.

1. Вычислим вероятность безотказной работы

p(t)=0.5Ф(U) ; U=(t-m_t)/_t ;

U=(10000-8000)/2000=1; Ф(1)=0.3413 ;

p(10000)=0.5-0.3413=0.1587. 2. Определим частоту отказа f(t)

.

Введем обозначение

.

Тогда

f(t)=(U)/_t ; U=(t-m_t)/_{t ;}

f(1000)=(1)/2000=0.242/2000=12.110^-5 1/час.

3. Рассчитаем интенсивность отказов (t)

(t)=f(t)/p(t);

(10000)=f(10000)/p(10000)=12.110^-5 /0.1587=76.410^-5 1/час.

4. Среднее время безотказной работы элемента

m_t = 8000 час.

Задача 2.3. Время работы изделия до отказа подчиняется закону распределения Релея. Требуется вычислить количественные характеристики надежности изделия p(t),f(t),(t),m_t для t=1000час ,если параметр распределения _t=1000 час.

Решение. Воспользуемся формулами (2.23), (2.25), (2.27),(2.26) для p(t),f(t),

m_t ,(t).

1. Вычислим вероятность безотказной работы p(t)



2. Определим частоту отказа f(t)

f(t)=tp(t)/_t² ;

f(1000)=10000.606/1000²=0.60610^-3 1/час.

3. Рассчитаем интенсивность отказов

(t)= t/_t ² ;

(1000)=1000/1000² =10^-3 1/час.

4. Определим среднее время безотказной работы изделия

час.

Задача 2.4. Время безотказной работы изделия подчиняется закону Вейбулла с параметрами k=1.5; a=10^-4 1/час, а время работы изделия t=100 час. Требуется вычислить количественные характеристики надежности изделия p(t),f(t),(t),m_t .

Решение. 1. Определим вероятность безотказной работы p(t) по формуле (2.18) . Имеем

p(t)=exp(-at^k ); p(100)=exp(-10^-4 100^1.5 ); x=100^1.5 ;

lg x=1,5lg 100=3; x=1000; p(100)=e^-0,1 =0,9048.

2. Определим частоту отказов f(t)

f(t)=akt^k-1 p(t);

f(100)=10^-4 1,5100^0,5 0,90481,3510^-3 1/час.

3. Определим интенсивность отказов (t)

(t)=f(t)/p(t) ;

(100)=f(100)/p(100)=1,3510^-3 /0.90481,510^-3 1/час.

4. Определим среднее время безотказной работы изделия m_t

.

Так как zГ(z)=Г(z+1), то

;

x=10^-2,666 ;lg x=-2,666lg10=-2,666= ; x=0,00215.

Используя приложение П.7.18 [1], получим

m _t =0,90167/0,00215=426 час.

Задача 2.5. В результате анализа данных об отказах аппаратуры частота отказов получена в виде

.

Требуется определить количественные характеристики надежности: p(t), (t),m_t.

Решение. 1. Определим вероятность безотказной работы. На основании формулы (2.1) имеем



Вычислим сумму С₁+ С₂ Так как , то

.

Тогда



2. Найдем зависимость интенсивности отказов от времени по формуле

.

3. Определим среднее время безотказной работы аппаратуры. На основании формулы (2.5) будем иметь



Задачи для самостоятельного решения

Задача 2.6.Вероятность безотказной работы автоматической линии изготовления цилиндров автомобильного двигателя в течении 120 час равна 0.9. Предполагается, что справедлив экспоненциальный закон надежности. Требуется рассчитать интенсивность отказов и частоту отказов линии для момента времени t =120 час., а также среднее время безотказной работы.

Задача 2.7. Среднее время безотказной работы автоматической системы управления равно 640 час. Предполагается, что справедлив экспоненциальный закон надежности. Необходимо определить вероятность безотказной работы в течение 120 час., частоту отказов для момента времени t=120 час и интенсивность отказов.

Задача 2.8. Время работы изделия подчинено нормальному закону с параметрами

m_t = 8000 час., _t =1000 час. Требуется вычислить количественные характеристики надежности p(t) , f(t) , (t) , m_t для t=8000 час.

Задача 2.9.Время безотказной работы прибора подчинено закону Релея с параметром _t= 1860 час. Требуется вычислить Р(t), f(t),(t) для t = 1000 час и среднее время безотказной работы прибора.

Задача 2.10. Время исправной работы скоростных шарикоподшипников подчинено закону Вейбулла с параметрами к=2,6 ; а= 1,65*10^-7 1/час.

Требуется вычислить количественные характеристики надежности Р(t), f(t), (t) для t=150 час. и среднее время безотказной работы шарикоподшипников.

Задача 2.11.Вероятность безотказной работы изделия в течение t=1000 час. Р(1000)=0,95. Время исправной работы подчинено закону Релея. Требуется определить количественные характеристики надежности f(t), (t), m_t.

Задача 2.12. Среднее время исправной работы изделия равно 1260 час. Время исправной работы подчинено закону Релея. Необходимо найти его количественные характеристики надежности P(t), f(t), (t) для t=1000 час.

Задача 2.13. В результате анализа данных об отказах изделия установлено, что частота отказов имеет вид f(t)=2e^-t (1-e^-t ) . Необходимо найти количественные характеристики надежности P(t), (t), m_t.

Задача 2.14. В результате анализа данных об отказах изделий установлено, что вероятность безотказной работы выражается формулой P(t)=3e^-t-3e^-2t+e^-3t.

Требуется найти количественные характеристики надежности P(t), (t), m_t.

Задача 2.15. Определить вероятность безотказной работы и интенсивность отказов прибора при t = 1300 часов работы, если при испытаниях получено значение среднего времени безотказной работы m_t=1500 час. и среднее квадратическое отклонение _t= 100 час.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №3
Последовательное соединение элементов в систему.
Теоретические сведения

Соединение элементов называется последовательным, если отказ хотя бы одного элемента приводит к отказу всей системы. Система последовательно соединенных элементов работоспособна тогда, когда работоспособны все ее элементы.

Вероятность безотказной работы системы за время t определяется формулой




P_c(t) =P₁(t)*P₂(t)...P_n(t)= (3.1)
где Р_i(t) - вероятность безотказной работы i-го элемента за время t.

Если Р_i (t) =Р(t), то

P_c(t)=Pⁿ(t). (3.2)

Выразим Р_с(t) через интенсивность отказов _i(t) элементов системы.

Имеем:

(3. 3)

или

(3.4)

где

(3.5)

Здесь _i(t) – интенсивность отказов i-го элемента; _с(t) – интенсивность отказов системы.

Вероятность отказа системы на интервале времени (0, t ) равна

(3.6)

Частота отказов системы f_c(t) определяется соотношением

(3.7)

Интенсивность отказов системы

(3.8)

Среднее время безотказной работы системы:

(3. 9)

В случае экспоненциального закона надежности всех элементов системы имеем

. (3.10)

; (3.11)

; (3.12)

; (3.13)

; (3.14)

; (3.15)

; (3.16)

, (3.17)

где m_ti - среднее время безотказной работы i - го элемента.

При расчете надежности систем часто приходится перемножать вероятности безотказной работы отдельных элементов расчета, возводить их в степень и извлекать корни. При значениях Р(t), близких к единице, эти вычисления можно с достаточной для практики точностью выполнять по следующим приближенным формулам:

(3.18)
где q_i (t) – вероятность отказа i - го элемента.
Решение типовых задач

Задача 3.1. Система состоит из трех устройств. Интенсивность отказов электронного устройства равна i=0,16*10^-3 1/час = const. Интенсивности отказов двух электромеханических устройств линейно зависят от времени и определяются следующими формулами

λ₂=0,23*10^-4t 1/час, λ ₃=0,06*10^-6t^2,6 1/час.

Необходимо рассчитать вероятность безотказной работы изделия в течение 100 час.

Решение. На основании формулы (3.3) имеем



Для t=100 час

.

Задача 3.2. Система состоит из трех блоков, среднее время безотказной работы которых равно : m_t1=160 час; m_t2 =320 час; m_t3 = 600 час.

Для блоков справедлив экспоненциальный закон надежности. Требуется определить среднее время безотказной работы системы.

Решение. Воспользовавшись формулой (3.17) получим



Здесь _i - интенсивность отказов i -го блока. На основании формулы (3.11) имеем

1/час .

Здесь λ_c – интенсивность отказов системы.

На основании формулы (3.16) получим:

час .

Задача 3.3. Система состоит из 12600 элементов, средняя интенсивность отказов которых _ср=0,32*10^-6 1/час. Требуется определить P_c(t), q_c(t), f_c(t), m_tc, для t=50 час.

Здесь P_c(t) - вероятность безотказной работы системы в течение времени t;

q_c(t) - вероятность отказа системы в течение времени t ;

f_c(t) - частота отказов или плотность вероятности времени T безотказной работы системы;

m_tс - среднее время безотказной работы системы.

Решение. Интенсивность отказов системы по формуле (3.11) будет

_с = _ср*n = 0,32*10^-6*12600 = 4,032*10^-3 1/час .

Из (3.13) имеем

Р_с(t) = e^-ct ; Р_с(50) = e^{-4,032*0,001*50 0},82 .

Из (3.15) получим

q_c(t)= 1- P_c(t) = _cP_c(t); q_c(50)=1-P_c(50) 0,18 .