Сложная система и ее характеристики

Большинство изделий машиностроения являются сложными систе­мами, состоящими из отдельных узлов, деталей, агрегатов, систем управления и т.п.

Сложная система - это объект, предназначенный для выполне­ния заданных функций, который может быть расчленен на элемен­ты, каждый из которых также выполняет определенные функции и на­ходится во взаимодействии с другими элементами системы.

Понятие сложной системы условно. Оно может применяться к от­дельным узлам и агрегатам, к машинам, к системам машин. Большей сложностью обладают, обычно, автоматизированные системы. Сложная система работает, как правило, в широком диапазоне условий эксплуа­тации и при различных режимах.

Современные машины состоят из десятков и сотен тысяч отдельных деталей, и все это должно надежно функционировать в течение заданно­го периода времени. Оценка их надежности представляет серьезную проблему, поскольку сложная система обладает специфическими свой­ствами, особенно если ее структура, назначение и система управления приближаются к биологическим системам (кибернетические системы).

С позиций надежности сложная система обладает как отрицатель­ными, так и положительными свойствами.

Факторы, отрицательно влияющие на надежность сложных систем, следующие.

Во-первых, это большое число узлов, агрегатов, элементов, отказ каждого из которых может привести к отказу всей системы.

Во-вторых, сложные системы часто являются уникальными или имеются в нескольких экземплярах, и статистические данные не могут быть использованы для оценки их работоспособности. Это усугубляется также тем, что даже одинаковые системы могут работать в различных условиях эксплуатации и выполнять неодинаковые функции, поскольку их возможности весьма широки.

В-третьих, даже у систем и машин одинакового конструктивного оформления каждый экземпляр имеет индивидуальные черты. Незначи­тельные вариации свойств отдельных элементов сказываются на выход­ных параметрах системы. Подобно биологическим системам и для тех­нических устройств можно высказать следующее положение: чем сложнее система, тем большими индивидуальными особенностями она обладает.

Это положение весьма важно для разработки методов оценки и ис­пытания сложных систем.

Вместе с тем сложные системы обладают и такими свойствами, ко­торые положительно влияют на их надежность.

Во-первых, сложным системам свойственна в той или иной мере са­моорганизация, саморегулирование или самоприспособление, когда система способна найти наиболее устойчивое для своего функциониро­вания состояние.

Во-вторых, для сложной системы, как правило, возможно восстанов­ление работоспособности по частям, без прекращения ее функциониро­вания. Например, в сложном технологическом комплексе возможно временное отключение отдельных участков для их технического обслу­живания и ремонта.

В-третьих, не все элементы одинаково влияют на надежность слож­ной системы, и можно выделить ограниченное число тех элементов, которые в основном определяют ее работоспособность.

Анализ сложной системы связан с изучением ее структуры и тех взаимосвязей, которые определяют ее надежность.

При рассмотрении сложных систем их разбивают на элементы (зве­нья) с тем, чтобы вначале определить параметры и характеристики эле­ментов, а затем оценить работоспособность всей системы.

Теоретически любую машину можно условно разделить на сколь угодно большое число элементов, понимая под элементом узел, агрегат, деталь, часть детали.

Элемент - это составная часть сложной системы, которая может характеризоваться самостоятельными входными и выход­ными параметрами.

Элемент обладает следующими особенностями:

- состав элемента устанавливается в зависимости от поставленной задачи, и сам элемент может быть достаточно сложным и состоять из отдельных деталей и узлов;

- при определении надежности системы элемент не расчленяется на составные части, поэтому показатели безотказности и долговеч­ности относятся к элементу в целом;

- возможно восстановление работоспособности элемента независимо от других частей и элементов системы.

Выходные параметры элемента при их изменении в процессе экс­плуатации должны удовлетворять требованиям, предъявляемым к на­дежности всей системы.

Выходные параметры каждого элемента могут по-разному влиять на надежность системы. Можно выделить три основных свойства этих па­раметров (рисунок 1):

Х₁ – изменение параметра влияет на работоспособность лишь само­го элемента. Отказ данного элемента влечет, как правило, и отказ изде­лия;

Х₂ – параметр участвует в формировании одного или нескольких выходных параметров всего изделия. Его изменения должны учиты­ваться в совокупности с изменением параметров данной категории для других элементов. По отклонению от номинала только данного пара­метра нельзя судить об отказе элемента;

Х₃ – параметр влияет на работоспособность других элементов. Его изменение для некоторых элементов изделия аналогично изменению внешних условий работы (например, повышение температуры, вибра­ций, запыленности и т.п.).

Рисунок 1 – Выходные параметры элементов сложной системы

Каждый параметр может обладать одним или несколькими из перечисленных свойств.

В зависимости от того, какие свойства выходных параметров эле­ментов преобладают, будут формироваться и основные черты сложных изделий. Если у системы все элементы имеют параметры только I типа (Х₁), т.е. влияющие на работу лишь самого элемента, то надежность каждого элемента может быть определена независимо от других частей системы.

Анализ надежности таких систем, как правило, более прост, по­скольку элементы работают как независимые и для обеспечения надеж­ности системы необходимо и достаточно обеспечить безотказную работу каждого элемента в отдельности. Такие системы более характерны для радиоэлектроники, где отдельные элементы, выполненные в виде транзисторных приборов, диодов, сопротивлений, конденсаторов и т.д., несут самостоятельные функции (как часто можно условно считать) и должны обеспечивать выходные параметры в определенном диапазоне, независимо от параметров других элементов. Заменой отказавшего эле­мента восстанавливается работоспособность системы.

Для машиностроения более характерны системы, у которых выход­ные параметры отдельных элементов участвуют в формировании вы­ходных параметров всего изделия (параметры типа Х₂ на рисунке 1). В этом случае данные элементы нельзя считать независимыми и для каж­дого из них изолированно определять показатели надежности, напри­мер, вероятность безотказной работы. Здесь необходимо рассматривать всю систему или подсистему и учитывать как одновременное участие различных элементов в формировании выходного параметра системы, так и их взаимное влияние (выходные параметры типа Х₃).

Например, надежность работы механической системы, предназна­ченной для точного перемещения ведомого звена, зависит от износо­стойкости всех звеньев, передающих движение. Износ каждого звена (зубчатых передач, кулачков, ходовых винтов, шарниров и т.п.) не мо­жет быть лимитирован независимо от износа других звеньев, так как больший износ одного из них может компенсироваться высокой износо­стойкостью другого.

Для сложных систем характерно комбинированное построение структуры, когда надежность отдельных подсистем может рассматри­ваться независимо.

Таким образом, с позиций надежности могут быть следующие струк­туры сложных систем:

расчлененные – у которых надежность отдельных элементов может быть заранее определена, т.е. отказ элемента можно рассматривать как независимое событие;

связанные – у которых отказ элементов является зависимым событи­ем, связанным с изменением выходных параметров всей системы;

комбинированные – состоящие из подсистем со связанной структур­ной и самостоятельным формированием показателей надежности для каждой из подсистем.

Отнесение расчлененных структур к радиоэлектронным системам, а связанных к механическим, приведенное выше, является условным и отражает методический подход, применяемый в этих областях.

Для современных технических систем наиболее характерна комби­нированная структура.

Дата добавления: 2014-01-05