Терминология теории надежности

Система – совокупность элементов, обладающая свойством (назначением), отличным от свойств отдельных ее переменных. Любой объект с определенной точки зрения может быть рассмотрен как система.

Структура система – взаимосвязанные и взаиморасположенные составные части системы. Расчленение системы на группы элементов может иметь материальную (вещественную), функциональную, алгоритмическую и другую основу.

Процесс – набор состояний системы, соответствующий упорядоченному (непрерывному или дискретному) изменению некоторых параметров, определяющих характеристики или свойства системы. Процесс изменения системы во времени называется динамикой системы. Любой технический объект в процессе функционирования может находиться в различных состояниях, оцениваемых численным показателем.

Исправность – состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям, установленным нормативно-технической документацией.

Предельное состояние – состояние объекта, при котором его применение по назначению недопустимо или нецелесообразно. Применение (использование объекта по назначению) прекращается в следующих случаях:

1. При неустранимом нарушении безопасности

2. При неустранимом отклонении заданных величин

3. При недопустимом увеличении эксплуатационных расходов

Для некоторых объектов предельное состояние является последним в его функционировании. Для других объектов определенной фазой в эксплуатационном графике требуется проведение ремонто–восстановительных работ. В связи с этим объекты могут быть:

1. Невосстанавливаемые – работоспособность в случае отказа не подлежит восстановлению

2. Восстанавливаемые – работа может быть восстановлена, в том числе путем замены.

Технический ресурс – наработка объекта от начала его эксплуатации (или его возобновления после ремонта) до перехода в предельное состояние. Технический ресурс может быть регламентирован. Если регламентация не установлена, то есть отсутствует, то имеется ввиду ресурс от начала эксплуатации до достижения предельного состояния после всех видов ремонта. Для невосстанавливаемых систем понятие технического ресурса и наработки отказа совпадают.

Часто безотказность отождествляется с понятием надежности и характеризуется теми же самыми показателями.

Долговечность – способность объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе техобслуживания и ремонта. Определяется следующими показателями:

1. Средний ресурс – мат ожидание технического ресурса.

2. Гамма-процентный ресурс – наработка, в течение которой объект не достигнет предельного состояния с заданной вероятностью, выраженной в %.

3. Средний срок службы – математическое ожидание срока службы.

4. Гамма-процентный срок службы – календарная продолжительность от начала эксплуатации объекта, в течении которой он не достигнет предельного состояния с заданной вероятностью, выраженной в %.

Ремонтопригодность – показатели:

1. Вероятность восстановления работоспособного состояния в течение заданного времени

2. Среднее время восстановления работоспособного состояния. Для систем ВТ данное время задается.

Резервирование как способ повышения надежности систем. Способ непосредственного параллельного включения. Резервирование при наличии отказов двух типов (обрыва и короткого замыкания).

Анализ различных методов резервирования позволяет выявить его основные свойства:

1. Основное положительное свойство резервирования позволяет из малонадежных элементов проектировать надежные системы. Это свойство всякого резервирования выгодно отличает его от всех других методов повышения надежности;

2. Выигрыш надежности по вероятности отказа: всегда начинается с 0 и асимптотически стремится к 1 независимо от надежности резервированной системы и её применения. Скорость роста выигрыша тем выше, чем менее надежна основная система и чем ниже кратность резервирования.

Выигрыш надежности резервирования системы по сравнению с нерезервированной системой тем выше, чем меньше время непрерывной работы резервной системы и чем более надежно система резервирования – это основное противоречие всякого резервирования.(выше 1 – дробная кратность).

3. Выигрыш надежности по интенсивности отказов: , качественно не отличается от , поэтому свойства резервированной системы, если их надежность оценивается интенсивностью отказов, будут теме же, что и при .

4. Среднее время безотказной работы при резервирование с дробной кратностью и нескользящим резервом может быть меньше чем среднее время безотказной работы нерезервированной системы. Это имеет место в том случае если число резервных элементов меньше числа основных. С ростом кратности резервирования выигрыш надежности растет. Скорость роста существенно убывает с ростом кратности резервирования.

1-общее постоянное резервирование; 2-поэлементная постоянная резервирование;

3-общее резервирование замещением; 4-поэлементное замещение; 5-резервирование с дробной кратностью.

Из сказанного выше, следует, что значительное увеличение кратности резервирования, а значит веса и габарита изделия, приводит к менее значительному увеличению времени безотказной работы – второе противоречие. Это противоречие ограничивает применение резервирование для применения в сложных систем при длительной эксплуатации.

5. С увеличение времени непрерывной работы резервированной системы её коэффициент готовности и выигрыш по коэффициенту готовности уменьшаются.

. При Кг=1(а) (б); при , , (в). Выигрыш надежности резервированной системы по коэффициенту готовности для всех значений наработки t превышает 1 только при условии , так как при равных условиях эксплуатации время восстановления резервированной системы превышает среднее время восстановления не резервированной системы, то условие (1) может не выполняться – это происходит обычно при длительной эксплуатации сложных систем с высокой кратностью резервирования. При . С ростом кратности резервирования среднее время безотказной работы растет медленнее, чем растет сложность системы. Поэтому среднее время восстановления может увеличиться в больше число раз, чем среднее время безотказной работы Тср и условие (1) будет нарушено. Резервирование увеличивает систем к действию только при выполнении условия (1).

6. Характерной особенностью сложных систем или изделий разового применения является то, что большую часть времени они находятся в состоянии хранения В момент включения его в работу все элементы должны быть исправны. Выход хотя бы одного из элементов из строя следует считать отказом изделия, так как число элементов резервной системы всегда больше числа элементов не резервированной системы, то надежность резервированной системы всегда имеет большую опасность по отказам.

Вероятность отказов при нерезервированной системе: , - при большом значении К вероятность безотказной работы будет низкой . Надежность резервированной системы в процессе её хранения всегда ниже надежности нерезервированной системы того же назначения. Увеличение числа отказов резервированной системы при её хранении требует увеличения в К раз частоты проверок и увеличения числа запасных элементов – все это ведет к увеличению стоимости эксплуатации.

Выводы:

1. Резервирование как средство повышения надежности наиболее целесообразно применять для сложных систем, предназначенных для короткого времени непрерывной работы. В случае длительного применения – требуется высокой кратности резерв. Это ограничивает применения резервирования в системах, которые критичны в отношении веса, габаритов и стоимости.

3. Повышение надежности изделия путем резервирования осуществляется за счет ухудшения таких характеристик как вес, габариты, стоимость, усложнение условий эксплуатации.

В большинстве случаев резервные элементы подключают параллельно основному. Резервирование по видам отказов может осуществляться при различных способах включения резервных элементов. Двухполюсные релейные элементы (герконы, реле, пускатели и т.п.) включаются в электрическую цепь последовательно, либо параллельно. Поэтому в дальнейшем рассматривается эффективность резервирования двухполюсных элементов при последовательном и параллельном их включении.

Наиболее характерным является резервирование релейных элементов при отказах типа «обрыв» и «короткоезамыкание».

Двухполюсные элементы релейного типа, имеют два возможных состояния:

1 – несрабатывание при наличии управляющего сигнала;

2– ложное срабатывание при отсутствии управляющего сигнала.

1) Последовательное соединение релейных элементов

а Ø 1 2 Ø в

Электрическая схема соединения

Несрабатывание любого из элементов (отказ типа «обрыв») приводит к отсутствию цепи между точками «а» и «в». Следовательно, структурная схема надежности для отказов типа «обрыв» («несрабатывание») будет иметь вид:

аØØв

Схема 1 – «обрыв»

Для отказов типа «несрабатывание» (обрыв) показатель снижения вероятности отказа (эффективность резервирования ) определяется выражением

.

Таким образом, последовательное включение релейных элементов приводит к повышению вероятности возникновения отказов типа «обрыв» цепи.

Для отказов типа «короткое замыкание» (ложное срабатывание) справедлива параллельная структурная схема надежности:

аØØв

Схема 2 – «колроткое замыкание»

Показатель снижения вероятности отказов для резервированной системы определяется выражением

.

Следовательно, вероятность возникновения отказов уменьшается.

Таким образом, одному и тому же соединению элементов для разных видов отказов соответствует две структурные схемы.

2) Параллельное соединение релейных элементов

1

аØØв

Электрическая схема соединения

Для отказов типа «ложное срабатывание» справедлива последовательная структурная схема надежности

Ø Ø

Схема 1 – «короткое замыкание»

Показатель снижения вероятности отказов :

.

Для отказов типа «обрыв» справедлива параллельная структурная схема надежности

аØØб

Схема 2 – «обрыв»

Показатель снижения вероятности отказов :

.

Таким образом, при параллельном соединении релейных элементов вероятность возникновения отказов типа «обрыв» снижается, а вероятность возникновения отказов типа «ложное срабатывание» повышается.