Специфика оценки надежности сложных комбинированных систем

При оценке надежности сложных комбинированных систем возника­ет ряд задач, связанных со спецификой функционирования большой системы.

Особенно это относится к системам, где основу составляет механика, когда взаимодействие и взаимовлияние отдельных частей машины про­является особенно сильно и этими связями нельзя пренебречь.

Рассмотрим наиболее характерные задачи, которые надо разрешать при расчете показателей надежности таких систем.

1. Расчленение сложной системы на независимые подсистемы. Наиболее выгодно, с позиций облегчения расчета надежности, расчле­нить сложную систему на возможно большее число независимых под­ систем и, оценив самостоятельно их надежность, рассчитывать показа­тели всей системы по формулам для расчлененных структур. Основные случаи, когда можно выполнить такую процедуру, были рассмотрены выше.

2. Выявление элементов, лимитирующих надежность системы. В любой сложной системе ее детали и элементы играют неодинаковую роль в обеспечении надежности изделия. Если расчет надежности про­водить без предварительного инженерного анализа работоспособности изделия и осуществлять механический перебор и оценку всех элементов системы, то может оказаться непомерно трудной задачей рассчитать надежность сложного изделия, которое имеет десятки тысяч деталей, а изменение состояния каждого элемента так или иначе влияет на работо­способность всей системы.

При анализе надежности сложного изделия прежде всего необходи­мо все его элементы и детали разбить на следующие группы.

1. Элементы, отказ которых (нарушение ТУ) практически не влияет на работоспособность изделия (деформация кожуха, изменение окраски поверхности и т.п.). Отказы этих элементов могут рас­сматриваться изолированно от системы. Часто говорят не об от­казах, а о неисправном состоянии таких элементов.

2. Элементы, работоспособность которых в рассматриваемые промежутки времени практически не изменяется, т.е. (ста­нины и корпусные детали, гидростатические подшипники, малонагруженные элементы с большим запасом прочности).

3. Элементы, ремонт или регулировка которых возможны или при работе изделия, или с остановками, не влияющими на его эффек­тивность (подналадка и замена режущего инструмента на станке, регулировка карбюратора автомобильного двигателя).

4. Элементы, отказ которых может привести к отказам изделия в рассматриваемый период времени.

Таким образом, анализу подлежат лишь элементы последней группы и имеется ограниченное число элементов, которые, в основном, и опре­деляют надежность изделия и служат объектом рассмотрения. При рас­чете параметрической надежности, в первую очередь, выявляются все те подсистемы, механизмы и элементы, которые участвуют в изменении выходных параметров машины.

3. Установление категорий для частей (элементов) машины с уче­том последствий отказа. В зависимости от последствий отказа элемен­ты должны быть подразделены на категории с различными требования­ми к их надежности.

Для сложного изделия, как правило, нельзя назначить только общее значение допустимой вероятности безотказной работы P (t) без диффе­ренциации этого показателя на категории по последствиям отказа.

Действительно, пусть, например, имеем два изделия с данными по вероятностям отказа за одинаковый период эксплуатации, приведенны­ми в таблице 2. Из таблицы видно, что значение P (t) одинаково для обоих изделий. Однако второе изделие имеет значительно большую вероятность возникновения отказов, приводящих к недопустимым по­следствиям.

Таблица 2 – Сравнение безотказности двух изделий

При оценке надежности ответственных изделий, кроме общего зна­чения P (t), следует отдельно подсчитывать вероятность безотказной работы для различных категорий отказов.

Назначение численных значений допустимых P (t) и соответствую­щих Т_р связано с оценкой как экономических факторов, так и возмож­ных катастрофических последствий отказа системы.

В различных отраслях машиностроения разработаны классификато­ры, которые разбивают все основные узлы и элементы конкретного из­делия на категории по допустимой вероятности отказа (или безотказной работы). Чем выше требования к изделию, тем больше допустимое зна­чение P (t). При этом в отдельную категорию следует выделять те элементы, отказы которых могут привести к тяжелым и тем более к катастрофическим последствиям.

4. Оценка экстремальных ситуаций. Для того чтобы не допускать отказов, связанных с тяжелыми последствиями, т.е. обеспечить для этой категории Р (t) = 1, необходимо выявить те экстремальные ситуации, в которых может оказаться сложная система.

В общем случае это связано с тем, что скорость изменения выходного параметра по тем или иным причинам принимает макси­мально возможное или даже недопустимое значение.

Такие реализации будем называть экстремальными. Они могут быть двух типов: собственно экстремальные, как следствие наиболее небла­гоприятного сочетания внешних факторов, но находящихся в допусти­мых пределах, и аварийные, которые связаны с нарушением условий эксплуатации или проявлением нарушений ТУ при изготовлении изде­лия.

Если для простых систем выявление экстремальных ситуаций, как правило, не вызывает трудностей (это наибольшие нагрузки, скорости, температуры), то для сложных систем необходимо провести исследова­ния по выявлению такого сочетания факторов, которое приведет к . Действительно, например, повышение скорости движения в ме­ханизмах для одних элементов может привести к повышению их рабо­тоспособности (переход к жидкостному трению в подшипнике сколь­жения, лучшая циркуляция охлаждающей жидкости, выход механизма из резонансной зоны и т. п.), а для других к ухудшению условий их ра­боты (рост динамических нагрузок, повышение тепловыделения и т. п.). Поэтому суммарное воздействие на механизм будет наибольшим лишь при определенных режимах его работы. Если требуется выявить наи­худшее начальное состояние изделия, то также необходимо решить за­дачу о наиболее неблагоприятном распределении допусков (ТУ) на па­раметры элементов и оценить вероятность возникновения нежелатель­ной ситуации (например, нахождение размеров всех деталей машины на границах полей допусков маловероятно).

При проектировании и эксплуатации машин с высокими требова­ниями к надежности функционирования необходимо численно оценить опасность отказа анализируемой системы.

Обеспечение безопасности является специальной задачей в проблеме надежности, и этому вопросу посвящен целый ряд исследований.

5. Применение принципа избыточности. Для обеспечения высокого уровня надежности сложных систем, содержащих элементы, не удовле­творяющие поставленным требованиям, широко используется метод резервирования. Однако специфика механических систем заключается в том, что метод резервирования здесь сравнительно редко применяется в чистом виде. Можно привести лишь отдельные примеры резервирования для машин, к которым предъявляются высокие требо­вания надежности. Например, для повышения надежности ходовой час­ти грузовых автомобилей применяют двойные задние колеса (нагру­женный резерв), запасное колесо (ненагруженный резерв), кроме основ­ного имеется ручной тормоз (ненагруженный резерв).

В самолетах применяют резервирование привода в системе управле­ния крылом. В авиационных гидросистемах у золотниковых устройств управления (так называемых бустерах) применяют двойные и даже тройные золотники. В технологических автоматизированных комплек­сах создают параллельные технологические потоки (одновременное решение задач производительности и надежности).

Однако для механических систем и изделий для повышения надеж­ности более характерно применение принципа избыточности, который является более общим, чем резервирование.

Создание запасов прочности, износостойкости (например, за счет увеличения площади опорных поверхностей), жесткости, виброустойчивости, теплостойкости и т.п. приводит к тому, что повышается запас надежности, поскольку область работоспособности изделия удаляется от предельных состояний.

При создании надежных систем принцип избыточности проявляется в том, что установленный ресурс изделия намного ниже среднего. Не­доиспользование потенциальной долговечности изделия дает гарантию его безотказной работы.

Избыточность – основной метод повышения надежности сложных систем как механических, так и биологических. Резервирование – част­ный случай избыточности, когда дискретно в несколько раз повышается надежность элемента. Избыточность позволяет непрерывно повышать надежность до необходимого уровня за счет повышения работоспособ­ности отдельных элементов.

6. Выбор показателей для оценки надежности сложной системы. В сложной системе имеются, как правило, элементы, узлы и подсистемы с различными требованиями к уровню надежности. Поэтому номенклату­ра показателей, применяемых для оценки надежности машины, доста­точно широка.

Для большинства высокоразвитых машин, в первую очередь, должен быть установлен гарантированный период безотказной работы Т_г по тем параметрам, которые отражают требования к безопасности и к со­хранению основных функций, заданных в технических условиях на данное изделие. При этом должен быть обеспечен запас надежности К_н > 1. Поскольку каждый из выходных параметров имеет свою зако­номерность изменения во времени и, соответственно, по разному изменяются значения запаса надежности К_нi для каждого из них, то запас надежности всей системы может лимитировать то один, то другой па­раметр (рисунок 10).

Остальные показатели надежности применяются в зависимости от назначения, требований к качеству и цикличности функционирования машины.

7. Анализ эффективности сложной системы. При оценке параметрической надежности сложных систем характерным является возмож­ность функционирования машины и при более низких значениях пара­метров, чем это предусмотрено техническими требованиями, в резуль­тате чего снижается эффективность работы машины. В общем случае можно считать, что эффективность - это количественная характеристи­ка объема выполняемой машиной работы. Для оценки эффективности часто выбирают один из основных показателей, который связан с назна­чением машины. Это может быть объем перемещенных грузов, количество обработанных изделий, процент попадания в цель, длительность выполнения задания и другие.

Примеры показателей эффективности различных машин:

• металлорежущий станок - производительность, шт./мин;

• турбина - развиваемая мощность, кВт;

• самолет - дальность полета, км;

• колесная машина - грузоподъемность, т;

• насосная станция - производительность, л/ч;

• трактор с сельхозмашиной - производительность, га/ц;

• измерительная машина - быстродействие, с;

• автомобильный двигатель - расход горючего, л/км.

Рисунок 10 – Запас надежности систем с несколькими выходными параметрами

Параметрическая надежность машины (сложной системы) должна оцениваться и по отношению к показателям, характеризующим эффек­тивность ее работы. Однако специфика здесь заключается в том, что допустимые значения этих выходных параметров связаны с конкретны­ми условиями применения данной машины и с оценкой целесообразно­сти экономических затрат на поддержание заданного уровня эффектив­ности. Чем выше параметрическая надежность машины, т.е. чем мед­леннее изменяются ее выходные параметры в процессе эксплуатации, тем дольше сохраняется высокая эффективность ее работы, а, следова­тельно, и конкурентоспособность данной модели.

Контрольные вопросы.

1. Какими преимуществами обладают сложные системы?

2. Какие особенности присущи элементу сложной системы?

3. Как определить вероятность безотказной работы расчленённой системы?

4. Как определить вероятность безотказной работы связанной системы?

5. Как определить вероятность безотказной работы комбинированной системы?

Дата добавления: 2014-01-05