Файл: Методы резервирования (Раздельное резервирование).pdf

Введение

       Для современной техники характерны такие тенденции развития, как увеличение степени автоматизации, повышением нагрузок, скоростей, температур, давления, уменьшения габаритов и массы, повышения требований к точности функциональности и эффективности и т.д. Повышение сложности и усиление технических требований неизбежно приводит к необходимости повышения требований к надежности и долговечности техники.

  Методы теории надежности позволяют определить уровень качества проектируемой техники, определить ожидаемую реальную эффективность функционирования, оценить риск выхода из строя, организовать оптимальное техническое обслуживание и снизить эксплуатационные затраты.

  Особенностью проблемы надежности является ее связь со всеми этапами «жизненного цикла» технического объекта от зарождения идеи создания до списания: при расчете и проектировании объекта его надежность закладывается в проект, при изготовлении надежность обеспечивается, при эксплуатации реализуется. Поэтому проблема надежности – комплексная проблема и решать ее необходимо на всех этапах и разными средствами.
      Однако в настоящее время в инженерной практике расчеты технических объектов на надежность, как правило, не производятся. Такое положение объясняется, во-первых, сложностью и объемом вычислений и, во-вторых, отсутствием алгоритмов автоматизированного расчета с использованием средств вычислительной техники.

Резервирование — метод повышения характеристик надёжности технических устройств или поддержания их на требуемом уровне посредством введения аппаратной избыточности за счет включения запасных (резервных) элементов и связей, дополнительных по сравнению с минимально необходимым для выполнения заданных функций в данных условиях работы.

Для повышения надежности сложных систем и отдельных объектов имеются четыре основных пути:

1) повышение надежности элементов системы. Это обычный, легкий путь, но, чтобы им воспользоваться, нужны более надежные комплектующие элементы. Но даже если они имеются, они всегда значительно дороже прежних и нужен экономический расчет;

2) конструктивные мероприятия повышения надежности (к примеру, демпфирование возможных вибраций, переход от статически неопределимой конструкции к статически определимой, всевозможные защитные покрытия твердым металлом, полимерами и т.д.). Этот путь связан с технологией машиностроения и также может явиться предметом специального изучения в теории надежности;

---

3) коренное изменение принципа функционирования системы данного назначения. Связан с созданием новой техники, это качественный скачок в развитии данной отрасли - он возникает из экономической нецелесообразности прежних инженерных решений.

4) введение различного вида избыточности.

Избыточность - это дополнительные средства и возможности сверх минимально необходимых для выполнения объектом заданных функций

Методом повышения надежности объекта введением избыточности является резервирование.

Существует несколько методов повышения надежности за счет избыточности. Различают резервирование:

- структурное (избыточность в структуре - в количестве элементов системы);

- режимное (избыточность в режимах работы - в количестве элементов системы);

- временное,

- функциональное,

- информационное

- и ряд других.

Раздельное резервирование

При раздельном способе резервирования вводится индивидуальный резерв для каждой части неизбыточной системы. Раздельное резервирование бывает общим и замещающим. При раздельном замещении отказ системы может произойти только тогда, когда отказ дважды подряд произойдёт в одном и том же устройстве (m=1), что маловероятно. Для оценки надёжности при раздельном резервировании используется сложный, специфический математический аппарат. В целом, математический анализ показывает, что наиболее высокие показатели надёжности можно получить в случае построения систем с использованием раздельного резервирования замещением ненагруженным резервом.

Резервирование замещением

При резервировании замещением резервное устройство включается в работу системы при помощи автоматических устройств либо человеком-оператором вручную. При автоматическом включении требуется чрезвычайно высокая надёжность переключающих элементов. При большом количестве и невысокой надёжности этих дополнительных элементов, входящих в резервированную систему, её надёжность может понизиться по сравнению с надёжностью нерезервируемой системы. Кроме того, существует кратковременный перерыв, на время переключения на резервные устройства. При ручной замене отказавших элементов возрастает время переключения, но надежность человека-оператора, производящего переключение, может быть принята в расчётах за единицу.

---

При использовании нагруженного резерва запасные резервные элементы находятся в том же режиме работы, что и основные элементы (независимо от того, участвуют они в работе схемы или нет) и если при этом основной и резервный элемент идентичны, то интенсивности их отказов совпадают и надёжность основного и резервного устройств одинакова, и поэтому, если не учитывать надёжность автоматических переключающих устройств, характеристики надёжности рассчитываются по тем же формулам, что и для общего постоянного резервирования.

При использовании ненагруженного резерва, запасные резервные элементы до момента их включения в работу системы полностью отключены. В этом случае резервные устройства имеют самую высокую надёжность по сравнению с основными элементами, поэтому общее резервирование замещением с использованием ненагруженного резерва обеспечивают наилучшие показатели надёжности для случая общего резервирования.

Наибольший интерес представляет структурное, или схемное, резервирование, предусматривающее использование избыточных элементов структуры объекта.

По способам резервирование может быть общим и раздельным.

Общее резервирование - резервируется весь объект, аппарат или система в целом

Раздельное резервирование - резервируются отдельные элементы системы. Раздельное резервирование выгодно при большом числе аппаратов и увеличении кратности.

Кратностью резервирования называется отношение числа резервных элементов к числу основных элементов объекта.

Различают резервирование с целой и дробной кратностью: резервированием с целой кратностью называется такое резервирование, при котором для нормальной работы соединения достаточно, чтобы исправным был хотя бы один аппарат (т.е. за основным насосом закреплены один или несколько резервных);

Резервированием с дробной кратностью называется такое резервирование, при котором для нормальной работы соединения может быть неисправным только один аппарат (т.е. на несколько насосов имеется только один резервный).

При постоянном резервировании резервные аппараты присоединены к основным в течение всего времени работы и работают одновременно с ними.

---

При резервировании замещением резервные аппараты замещают основные после их отказа.

Различат три типа структурного резервирования: нагруженный резерв, облегченный резерв, ненагруженный резерв.

Нагруженный резерв - такой резерв, когда резервные элементы работают в том же режиме нагрузки, что и основной элемент, т.е. основной элемент и резервный теряют надежность в равном темпе.

Облегченный резерв - такой резерв, когда элементы функционируют в более слабом нагрузочном режиме, чем основной элемент, т.е. резервные элементы теряют надежность замедленно в сравнении с основным элементом.

Ненагруженный резерв - когда резервный элемент практически не несет никакой нагрузки и его надежность не падает вообще. Это запасные части на складе.

Рассматривается надежность при нагруженном, облегченном и ненагруженном резервах для системы из 1 -го основного элемента и 1 -го резервного.

Нагруженный резерв. При 0 < t < t₀ функционируют оба элемента и их надежность падает одинаково. После отказа при t > t₀ первый больше не работает, а второй продолжает работать с той же надежностью вдоль той же кривой.

Облегченный резерв. При 0 < t < t₀ функционируют оба, но основной теряет надежность быстрее, чем второй при пониженной нагрузке. При t > t₀ работает 2-й элемент при полной нагрузке, его надежность падает по кривой 2.

Ненагруженный резерв. При 0 < t < t₀ работает только 1-й элемент, а при t > t₀ только второй , но она начинается не от t = 0, а от t = t₀.

Таким образом, надежность облегченного резерва выше нагруженного, а ненагруженного - выше, чем облегченного.

Заключение

Резервирование — эффективный метод повышения надёжности технических устройств посредством введения дополнительного числа элементов и связей по сравнению с минимально необходимым для выполнения заданных функций в данных условиях работы. Элементы минимизированной структуры устройства, обеспечивающей его работоспособность, называются основными элементами; резервными элементами называются элементы, предназначенные для обеспечения работоспособности устройства в случае отказа основных элементов. Резервирование классифицируют по ряду признаков, основные из которых — уровень резервирования, кратность резервирования, состояние резервных элементов до момента включения их в работу, возможность совместной работы основных и резервных элементов с общей нагрузкой, способ соединения основных и резервных элементов.

---