Лекция 4.1

Лекция № 4

Системы, состоящие из подсистем, которые могут быть выделены по функциональным и пространственным признакам, имеют структуру. Если система состоит из подсистем е₁ е₂ е_i е_n, которые называют элементами, то она также как и элементы может находиться либо в работоспособном состоянии, либо в состоянии отказа.

Состояние системы однозначно определяется состоянием её элементов и зависит от её структуры.

Разбиение системы на блоки осуществляется на базе единства функционирования и физических процессов, происходящих при работе изделия.

С точки зрения надежности различают последовательные, параллельные и системы со  сложной структурой.

Расчёт надежности при последовательном (основном) соединении элементов

- при таком соединении отказ технического изделия наступает при отказе одного из его узлов. Электрическая машина в большинстве случаев представляется в виде последовательного соединения узлов.

Случайная наработка последовательной системы, состоящей из N узлов

                                                            (1)

Рекомендуемые материалы

где наработки элементов системы.

Отсюда

               (2)

       – надежность отдельных узлов (N –количество узлов) изделия, тогда надежность всей системы:

                                                   (3)

Интенсивность отказов последовательной системы равна сумме интенсивностей отказов её элементов

                                                      (4)

Пример:

Какова вероятность безотказной работы машины постоянного тока, структурная надежность которой состоит из коллекторно-щеточного узла (), подшипникового узла (); обмоток якоря () и обмоток возбуждения . Все данные приведены для t=5000ч.

Работоспособность последовательной системы требует работоспособности всех её элементов, системы которые не обладают этим свойством называются структурно-избыточными.

Для повышения надежности систем и элементов применяют резервирование:

Резервирование – это применение дополнительных средств и(или) возможностей с целью сохранения работоспособного состояния объекта при отказе одного или нескольких его элементов.

Резерв – совокупность дополнительных средств и (или) возможностей, используемых для резервирования.

Резервирование основано на использовании того или иного вида избыточности:

- функциональную избыточность, если различные устройства выполняют близкие функции или одно устройство выполняет несколько функций;

- временную, если имеется резерв времени для повторного решения функциональных задач системы;

- информационную, если осуществляется компенсация потери информации по одному каналу информацией по другому;

- структурную, реализуемую путем введения дополнительных элементов

Структурная надежность

Структурная надежность – это результирующая надежность при заданной структуре и известных значениях надежности всех входящих в нее блоков или элементов.

Рассмотрим для примера электролебедку, используемую на кораблях. При расчете всей энергосистемы корабля электролебедка представляет собой отдельный блок. Более детально электролебедку можно представить в виде блоков: электродвигатель, редуктор, барабан и канат. В свою очередь блоки делятся на узлы, каждый из которых с точки зрения физической структуры и функционирования представляет автономную единицу: двигатель — подшипниковый узел, коллектор и щетки, обмотки статора и ротора; редуктор — зубчатые колеса и под­шипники; барабан - корпус и подшипники. Не учитываются при расчете (приравниваются единице) надежности вала, магнитопроводов, корпуса -у двигателя; у редуктора – надежность корпуса, резьбовых соединений.

При резервировании в системах различают основные и резервные элементы. Если отказывает основной элемент, то его функции берет на себя резервный, который становиться основным. Это происходит до тех пор пока в наличии есть работоспособные резервные элементы.

Резервные элементы могут быть ремонтируемыми и неремонтируемыми.

Основной элемент в совокупности с (n-1) нагруженными резервными элементами образуют параллельную систему.

- Структурная схема надежности: а - последовательной системы, б - параллельной системы

Расчёт надежности при параллельном соединении элементов(резервирование).

- параллельная работа трансформаторов в синхронных генераторах в энергосистемах;

- параллельное включение диодов в электронных схемах, например, пускорегулирующей аппаратуры и т.д.

Последовательные и параллельные системы изображаются в виде структурной схемы для расчёта надежности или просто схемой надежности, представлю щей собой ненаправленный граф с входной и выходной вершинам, каждое ребро которого соответствует одному элементу системы, рисунок 1.

Система работоспособна тогда и только тогда, когда существует по крайней мере один путь от входной вершины к выходной.

Случайная наработка параллельной системы, состоящей из n независимых элементов равна

,                                             (5)

где  - наработки элементов системы.

Отсюда

,              (6)

а ВБР параллельной системы, состоящей из независимых элементов, равна произведению вероятности безотказной работы своих элементов

.                               (7)

На схеме надежности один элемент может быть поставлен в соответствие нескольким ребрам, что отражает особенности функциональной и технической структур системы. Одна и та же система может иметь несколько эквивалентных схем надежности, а для различных видов отказов (обрыв или короткое замыкание) схемы надежности одной и той же системы существенно различаются.

На практике встречаются системы которые образованы последовательным включением параллельных  систем, и наоборот. Для расчёта показателей таких систем сначала производиться их декомпозиция на параллельные и последовательные подсистемы, и представление их в системе элементами.

Существуют системы, структурная схема которых не приводится к последовательной или параллельной схемам надежности. Это системы, как правило, включающие в себя восстанавливающие органы - элементы, реализующие реконфигурацию системы при отказах основных элементов с целью перехода на резервный элемент. Для получения оценок ВБР систем, имеющих сложные структурные схемы надежности, например, в виде мостиковой схемы (Рисунок 2), используется несколько методов.

- Мостиковая схема соединения элементов

Наиболее известны методы перебора состояний, разложения функции работоспособности относительно особого элемента, минимальных путей и сечений, а также логико-вероятностные методы.

Их всех методов наименьшей трудоемкостью характеризуется метод разложения относительно особого элемента. Особым элементом является тот элемент системы, исключение которого позволяет описать ее параллельной или последовательной схемой.

В системе выделяются один или несколько особых элементов и рассматриваются все их возможные состояния , образующие полную группу, т.е. выполняется условие

,                                             (8)

где  - вероятность нахождения особых элементов в состоянии .

Вероятность работоспособного состояния системы в этом случае определяется по формуле полной вероятности

,                                     (9)

где - вероятность работоспособного состояния А при условии, что особые элементы системы находятся в состоянии ;  - безусловная вероятность нахождения системы в работоспособном состоянии при нахождении особых элементов в состоянии .

Например, если в системе имеется два особых элемента с вероятностями безотказной работы  и , то в системе возможны следующие состояния :

·  - особые элементы исправны;

·  - особые элементы неисправны;

·  - первый особый элемент исправен, второй - неисправен;

·  - второй особый элемент исправен, первый - неисправен.

Вероятности  появления этих состояний определяются через ВБР особых элементов и  соответственно равны:

· =;

· =;

· =;

· =.

Условная вероятность работоспособного состояния системы  рассчитывается по структурной схеме для расчета ее надежности, в которой ребро, соответствующее особому элементу, удаляется, если особый элемент заведомо неработоспособен, или заменяется ребром, соответствующим абсолютно надежному элементу, если особый элемент заведомо работоспособен.

Формула для расчета полной вероятности принимает вид

           (1)

Для упрощения расчетов целесообразно проводить декомпозицию системы таким образом, чтобы в выделяемой подсистеме было не более двух или трех особых элементов.

Пример:

В энергосистеме при повышении тока нагрузки на 20% выключатель разрывает цепь. Вероятность того, что выключатель работает правильно, составляет 0,98. Как обеспечить вероятность размыкания цепи не менее 0,99?

Решение:

Для обеспечения заданной надежности необходимо N выключателей соединить последовательно. Включенные М выключателей дублируют друг друга (их функциональное назначение – разрыв цепи), поэтому схема надежности представляет собой параллельное (!) соединение элементов. Т.к. число выключателей не может быть дробным, получим, что для обеспечения заданной надежности необходимо включить два выключателя М=2. При этом вероятность аварийного размыкания цепи будет 0,9996.

Резервные элементы могут работать в следующих режимах:

нагруженный – элементы подвергаются той же нагрузке и выполняют те же функции, что и основной элемент;

ненагруженный – элементы не подвергаются никакой нагрузке и поэтому не могут отказать во время нахождения в резерве;

облегченный – элементы функционируют с неполной нагрузкой, поэтому вероятность его отказа меньше по сравнению с вероятностью отказа основного элемента.

Различают резервирование:

- с восстановлением т.е. возможен ремонт любого основного и резервного элемента в процессе работы и без восстановления;

-общее – при котором система резервируется в целом;

-поэлементное (раздельное) – при котором каждый элемент резервируется отдельно или группами, рисунок 1в).

Существуют три способа включения резерва:

- постоянное – при котором элементы функционируют наравне с основными, такое резервирование называют пассивным или нагруженным;

- резервирование замещением – при котором резервный элемент вводиться в состав системы после отказа основного, такое резервирование называется активным и оно требует использования коммутирующих устройств.

Элементы могут находиться в нагруженном, облегченном и ненагруженном режимах.

- скользящее резервирование – резервирование замещением, при котором группа основных элементов системы резервируется одним или несколькими резервными элементами, каждый их которых может заменить любой отказавший основной элемент в данной группе, рисунок 3.

Кратность резервирования – отношение числа резервных элементов к числу резервируемых. Различают однократное и многократное резервирование.

Недостатки резервирования:

- усложнение аппаратуры;

- увеличение массы и размеров изделия;

- увеличение потребляемой мощности и стоимости.

Тема 2. Стандартизация в области

надежности электромеханических систем

Стандартизация – установление и применение правил с целью упорядочения деятельности в определенной области на пользу и при участии всех заинтересованных стран, в частности для достижения всеобщей оптимальной экономии при соблюдении условий эксплуатации (использования) и требовании безопасности.

Цели стандартизации в области надежности ЭМС:

1. Ускорение научно-технического процесса. Разработка новых научно-технических решений, обеспечивающих внутреннюю и внешнюю техническую, энергетическую и информационную совместимость изделий с точки зрения надежности и контроля.

2. Обеспечение объективности и сопоставимости результатов контроля и испытаний.

3. Обеспечение эффективности организационных, конструкторских, технологических и эксплуатационных мероприятий, направленных на достижение оптимального уровня надежности.

Общетехнические и организационно-методические стандарты регламентируют шесть классификационных групп объектов стандартизации:

Группа 0 Стандарты, нормирующие общие вопросы надежности:

- организационные вопросы обеспечения надежности;

- терминологию;

- общие требования  к программам обеспечения надежности:

- экономические проблемы надежности и т.д.

Группа 1 Стандарты, нормирующие показатели надежности

- общие требования к номенклатуре и нормам показателей надежности;

- правила выбора и задания показателей надежности в нормативно-технической документации;

- правила установления критериев отказов и предельных состояний и т.д.

Группа 2 Стандарты, нормирующие методы расчёта надежности

- методы расчета норм надежности;

- расчёта и анализа показателей надежности с учётом видов разрушений и функциональной структуры;

- расчета норм запасных частей и т.д.

Группа 3 Стандарты, нормирующие методы обеспечения надежности

- методы оптимизации показателей надежности;

- учёта условий эксплуатации и режимов работы;

- технологического обеспечения надежности;

- обеспечения ремонтопригодности и т.д.

Группа 4 Стандарты, нормирующие вопросы испытаний и контроля надежности.

Группа 5 Стандарты, нормирующие правила сбора и обработки информации по надежности.

Стандарты в области надежности обозначаются следующим образом

ГОСТ 27410 – 83

27 – Система стандартов «Надежность в технике»

4 – № классификационной группы

10 – порядковый номер стандарта в группе

83 – год утверждения стандарта

Тема 3. Методы обеспечения надежности электромеханических систем

При проектировании:

1. Необходимо предусмотреть использование качественных активных и конструктивных материалов (особенно теплостойкой корпусной изоляции и обмоточных проводов).

2. Необходимо использовать эффективные средства охлаждения для снижения рабочей температуры машины.

3. Необходимо учитывать рациональный выбор электрических и магнитных нагрузок, учитывая при этом требования обеспечения заданной надежности и минимальных масс и габаритов (это противоречивые требования).

4. Использование конструкций отдельных узлов и элементов машины с учётом требований эксплуатации.

5. Использование более простых конструкций отдельных узлов и элементов машины и в целом машины.

6. Использование специальных защитных устройств, предотвращающих развитие аварийной ситуации, а также встраиваемых датчиков для диагностики ЭМС.

При производстве

1-изготовление изделий с помощью прогрессивных типов технологических процессов, позволяющих автоматизировать и механизировать операции по всей цепи процесса с использованием типовой оснастки и типовых приспособлений.

2- периодическая проверка качества и надежности готовых изделий; отбраковка материалов и узлов, пострадавших при транспортировке и хранении.

3- строгое соблюдение режимов в технологическом процессе и технологии сборки и монтажа.

4 – повышение культуры производства; недопущение замены сортности материалов и комплектующих изделий, а если замена произведена, то она не должна снижать качество изделия (качество должно соответствовать требованиям нормативно-технической документации).

5- осуществлять тренировку применяемых деталей и сборочных единиц, что сокращает этап приработки аппаратуры и позволяет оценить правильность выбранных схемных решений.

6-контроль физических свойств, параметров и характеристик материалов и комплектующих изделий (например, обмоточные проводов, подшипников и т.д.) поступающих от предприятий поставщиков.

Люди также интересуются этой лекцией: Лекция 5.

7-введение контрольных карт

Наиболее эффективный метод выполнения перечисленных требований – разработка и внедрение на заводах электротехнической промышленности систем управления надежностью.

При эксплуатации

1. Условия эксплуатации (температура окружающей среды; уровень влажности и запыленности, влияние агрессивных сред; уровень вибрации и т.д.) и система обслуживания (уход за машинами; периодический и профилактический контроль; установленная по регламенту чистка и наладка; ремонт или замена износившихся деталей) должны соответствовать установленным нормам.

2. Обеспечение необходимой диагностической и контрольно-измерительной аппаратурой, автоматизация контроля диагностики и контроля.

3. Повышение квалификации обслуживающего персонала.