ОТНННННН. В. Н. Коваленко надежность устройств железнодорожной автоматики, телемеханики и связи
 Скачать 2.78 Mb.
|
|
Федеральное агентство железнодорожного транспорта Уральский государственный университет путей сообщения Кафедра «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте» В.Н. Коваленко НАДЕЖНОСТЬ УСТРОЙСТВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ, ТЕЛЕМЕХАНИКИ И СВЯЗИ Екатеринбург 2016 Федеральное агентство железнодорожного транспорта Уральский государственный университет путей сообщения Кафедра «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте» В.Н. Коваленко НАДЕЖНОСТЬ УСТРОЙСТВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ, ТЕЛЕМЕХАНИКИ И СВЯЗИ Методические указания к практическим и лабораторным занятиям и индивидуальной работе по дисциплине «Основы теории надежности» для студентов по направлению подготовки 23.05.05 «Системы обеспечения движений поездов» специализаций: «Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте», «Телекоммуникационные системы и сети железнодорожного транспорта» Екатеринбург 2016 УДК 656.25–192: 621.3.019.076 К 56 Коваленко, В.Н. Надежность устройств железнодорожной автоматики и телемеханики: Методические указания.- Екатеринбург, 2016. – 95 с. В методических указаниях приведены примеры задач по всем разделам дисциплины «Основы надежности устройств железнодорожной автоматики, телемеханики и связи» и справочные данные для расчета надежности элементов и устройств железнодорожной автоматики и телемеханики. Типовая часть методических указаний выполнена в соответствии с ГОСТ 2.105 – 95 ЕСКД «Общие требования к текстовым документам» Методические указания предназначены для студентов электротехни-ческих специальностей и могут быть полезны инженерно-техническим работникам и аспирантам. Печатается по решению редакционно-издательского совета университета. Автор: В.Н. Коваленко, канд. техн. наук, доцент Рецензенты: Б.С. Сергеев, докт. техн. наук, профессор (УрГУПС) С.А. Щиголев, канд. техн. наук (УО ВНИИЖТ) Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС), 2016 Содержание Введение …………………………………………………………………….. 4 1 Количественные характеристики надежности ..……………………… 7 Критерии надежности невосстанавливаемых систем ………………… 7 Индивидуальные задание по теме «Определения критериев невосстанавливаемых систем ……………………………………………………….…. 10 Определение критериев надежности восстанавливаемых систем ……… 12 Индивидуальные задание по теме «Определения критериев восстанавливаемых систем ………………………………………………………….…. 19 2 Расчет надежности невосстанавливаемых систем при основном соединении элементов ……………………………………………….….. 23 2.1 Цели и этапы расчета надежности систем …………………...…………. 23 2.2 Ориентировочный расчет надежности ………………………………..…. 26 2.3 Окончательный расчет надежности периода нормальной эксплуатации относительно внезапных отказов……………………………………..……... 30 2.4 Индивидуальные задание по теме «Расчет надежности невосстанавливаемых систем при основном соединении элементов» …………..… 35 2.4.1 Ориентировочный расчет надежности ………………………………. 35 2.4. 2 Расчет надежности систем с учетом режимов и условий работы элементов (окончательный расчет надежности) …………………………... 37 3 Расчет надежности невосстанавливаемых резервируемых систем …. 40 3.1 Методы расчета ……………………………………...………………….. 40 3.2 Типовые примеры ……………………………………………………...… 44 3.3 Индивидуальные задание по теме «Расчет надежности невосстанавливаемых резервируемых систем ………………………….. 45 4 Оценка и контроль надежности устройств по результатам их испытаний ………………………………………………………….…..… 56 4.1 Оценка надежности устройств ……..………………………………..... 56 4.2 Примеры решения типовых задач ……………………………..………… 57 4.3 Индивидуальные задания по теме «Оценка и контроль надежности устройств по результатам испытаний» ……………………………...…. 66 5 Расчет надежности восстанавливаемых резервированных и нерезервированных систем ……………………………………….…… 74 5.1 Индивидуальные задания по теме «Расчет надежности восстанавливаемых резервированных и нерезервированных систем» …………… 74 Список рекомендованной литературы ……………………………...……… 76 ПРИЛОЖЕНИЕ А Квантили распределения А.Н.Колмогорова ………… 78 ПРИЛОЖЕНИЕ Б Квантили нормального распределения ……………..... 79 ПРИЛОЖЕНИЕ В Квантили распределения хи-квадрат ………………… 80 ПРИЛОЖЕНИЕ Г Квантили распределения Стьюдента ……………….. 82 ПРИЛОЖЕНИЕ Д Параметры потока отказов элементов устройств железнодорожной автоматики и телемеханики ……………………..……. 83 ПРИЛОЖЕНИЕ Ж Среднее время восстановления, периодичность капитальных ремонтов и сроки службы устройств железнодорожной автоматики и телемеханики ………………………………………………... 89 ПРИЛОЖЕНИЕ З Интенсивности отказов элементов ж.д. автоматики и телемеханики …………………………………………………..………….. 90 ПРИЛОЖЕНИЕ И Характеристика надежности интегральных микросхем по результатам эксплуатации ……………………………..…… 95 Введение Как известно, какими бы ценными свойствами не обладали системы железнодорожной автоматики, телемеханики и связи (СЖАТС), эффек-тивность их применения может быть сведена к нулю, если эти устройства будут работать ненадежно. Надежность — это свойство системы (объекта) выполнять заданные функции при сохранении в течение определенного промежутка времени значений установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих определенным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования. Надежность железнодорожных систем автоматики и телемеханики — это комплексное свойство, зависящее от ее безотказности, безопасности, ремонтопригодности, долговечности и сохраняемости. Вопросами обеспечения надежности люди занимаются с момента появления первых орудий труда. Однако, несмотря на то, что проблема надежности одна из самых древних, в самостоятельную науку теория надежности выделилась в пятидесятых годах XX века. При этом в истории надежности техники можно выделить три основных этапа /1/: - первый этап — ранней истории надежности, охватывает период от древнейших времен и приблизительно до 1950 г.; - второй этап — период классической теории и практики надежности, начинается с второй половины XX века и связан с решением проблем, возникших при использовании сложных систем, в первую очередь, военной техники; - третий этап – этап современной теории надежности. Стратегией развития техники в XXI в. должно стать гармоничное управление, обеспечивающее создание новых систем и алгоритмов, основанных на использовании функциональных возможностей живых организмов. Область исследований надежности систем при этом смещается в сторону фундаментальных наук и моделирования. Надежность работы различных систем и элементов зависит от весьма многочисленного и разнообразного количества факторов, определяемых как внутренними свойствами, так и внешними условиями. Ввиду того, что процессы возникновения отказов носят случайный характер, то и для их описания и определения используется аппарат и терминология теории вероятностей и математической статистики. Надежность техники имеет также большое экономическое значение. Стоимость эксплуатации многих систем превышает их первоначальную стоимость в течение их жизненного цикла на порядок. Ущерб, который может быть вызван отказом аппаратуры или ее программного обеспечения, может в сотни раз превысить стоимость самой системы управления и вызвать серьезные экологические последствия и человеческие жертвы. Современные тенденции развития техники, в том числе и СЖАТС, ведущие к их усложнению, довольно жесткие условия эксплуатации и высокая цена отказа (для систем, обеспечивающих безопасность движения поездов) приводят к тому, что надежность аппаратуры становится одним из главных факторов обеспечения эффективности использования этих систем. Знание общей теории надежности, а наилучшим способом изучения теории является решение практических задач, позволяет в прикладных дисциплинах рассматривать методы расчета и способы обеспечения надежности. Основные положения общей теории надежности являются фундаментом для разработки прикладных вопросов надежности в различных областях техники, в том числе и в железнодорожной автоматике, телемеханике и связи, имея при этом некоторую специфику. При проектировании систем основной задачей является выбор ее наилучших параметров с учетом стоимости и надежности. Для достижения этой цели производятся, в зависимости от этапа проектирования, расчеты. Для расчетов используются априорные (заранее известные) показатели надежности элементов с учетом величины нагрузок и влияния внешних факторов, которые лишь приближенно характеризуют процессы, возникающие при эксплуатации технической системы. Однако, они позволяют еще на стадии проектирования выявить слабые, с точки зрения надежности, места и принять необходимые меры к их устранению или даже отклонить неудовлетворительные варианты построения системы. Полученная в результате расчетов оценка надежности системы и ее компонентов служит основой для разработки правил ее эксплуатации, назначения регламентов, сроков технического обслуживания, испытаний и ремонтов. В зависимости от этапа разработки или модернизации выделяют три уровня расчетов надежности: прикидочный, ориентировочный и окончательный. Методические указания предназначены для закрепления теоретического материала и содержат задачи по курсу, справочную информацию по надежности устройств железнодорожной автоматики и индивидуальные задания для самостоятельной работы студентов. 1 Количественные характеристики надежности 1.1 Критерии надежности невосстанавливаемых систем К числу наиболее широко применяемых количественных критериев надёжности для невосстанавливаемых систем и элементов относятся: - вероятность безотказной работы P(t); - вероятность отказа Q(t); - частота отказов f(t); - интенсивность отказов λ(t); - средняя наработка до первого отказа Tср . Вероятностью безотказной работы называется вероятность того, что при определённых условиях эксплуатации в заданном интервале времени или в пределах заданной наработки не произойдёт ни одного отказа P(t) = P (T > t), (1.1) где t - время, в течение которого определяется вероятность безотказной работы ; T - время работы изделия от его включения до первого отказа. Практически статистическая оценка вероятности безотказной работы  может быть вычисленапо результатам статистических испытаний по следующему выражению , (1.2)где N0 - число изделий, поставленных на испытания; n(t) - число изделий, отказавших за время t. Вероятностью отказа называется вероятность того, что при определённых условиях эксплуатации в заданном интервале времени возникнет хотя бы один отказ Q(t) = P(T ≤ t). (1.3) Отказ и безотказная работа являются событиями несовместимыми и противоположными, поэтому Q(t) = 1 - P(t) (1.4) Статистическая оценка вероятности отказа может быть определена по выражению  (1.5)Частотой отказов называется отношение числа отказов изделий в единицу времени к первоначальному числу испытываемых изделий при условии, что все вышедшие из строя изделия не восстанавливаются. Статистическая оценка частоты отказов определяется по выражению  , (1.6)где  - число отказавших изделий в интервале времени от  -  до + ; - число изделий, поставленных на испытания; - интервал времени, для которого определяется частота.Частота отказов есть плотность вероятности (или закон распределения) времени работы изделия до первого отказа. Тогда справедливы выражения     (1.7)Интенсивностью отказов называется отношение числа отказавших изделий в единицу времени к среднему числу изделий, исправно работающих в данный интервал времени. Поэтому согласно определению статистическая оценка интенсивности отказов определяется по выражению  , (1.8)где  - среднее число исправно работающих изделий в интервале времени ;  - число изделий, исправно работающих в начале интервала времени ; - число изделий, исправно работающих в конце интервала времени .Вероятностная оценка интенсивности отказов может быть определена из выражения  (1.9)Вероятность безотказной работы может быть определена по известной зависимости  от времени по выражению (1.10)Средней наработкой до первого отказа называется математическое ожидание времени работы элемента (системы) до первого отказа. Математическое ожидание для  вычисляется через частоту отказов по следующему выражению . (1.11)А так как  положительно и  , и  , то  (1.12)Статистическая оценка средней наработки до первого отказа по результатам испытаний, если отказали все испытываемые элементы, вычисляется по формуле  , (1.13)где – время безотказной работы i- го элемента; – число элементов поставленных на испытания.В том случае, если испытания производятся не до отказа всех элементов, а все время испытаний разбивается на k – интервалов, что позволяет сократить расходы на процесс испытаний, то среднюю наработку до первого отказа лучше определять по выражению  , (1.14)где  - среднее время работы элементов в i- ом интервале; - время начала i- го интервала; - время конца i- го интервала; - число элементов вышедших из строя за время  .1.2 Индивидуальные задания по теме «Определение критериев надежности невосстанавливаемых систем» Задача 1.2.1. На испытание поставлено N0 = 1600 образцов неремонтируемой аппаратуры. Число отказов n (t) фиксировалось через каждые 100 часов работы (t = 100 ч). Данные об отказах приведены в таблице 1.1. При этом к величине n (t) необходимо прибавить j – номер варианта (задаётся преподавателем). Требуется определить следующие критерии надёжности: вероятность безотказной работы P*( t ); вероятность отказа q*( t ); интенсивность отказов *( t ); частоту отказов f *( t ); среднее время работы до первого отказа T *ср . Построить зависимости P*( t ), q*( t ), *( t ), f *( t ) от времени. |