Файл: Теоретические основы структурной схемы в расчёте надежности.pdf

ВВЕДЕНИЕ

Надежностью называют свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортировки. Расширение условий эксплуатации, повышение ответственности выполняемых техническими устройствами функций, их усложнение приводит к повышению требований к надежности изделий.

Технические устройства подразделяются на элементы и системы, причем система состоит из элементов. Элементы, составляющие систему, могут быть соединены между собой различным образом. С точки зрения надежности, такие соединения представляют собой структуры, каждая из которых имеет свой способ расчета. Такой расчет представляет собой расчет надежности, состоящий из нескольких этапов, которые будут рассмотрены в данной работе.

Целью данной работы является анализ особенностей расчетов надежности технических систем на стадии проектирования (прогнозирующих расчетов) методом структурных схем.

Актуальность работы обусловлена тем, что при создании технических систем большое внимание уделяется их надёжности. Тем не менее, отказов техники избежать не удается и они приводят к огромным потерям средств, сил и времени, а иногда и к человеческим жертвам. Поэтому проблема создания надежных технических систем не только не снимается с повестки дня, но становится еще более актуальной. Это связано с усложнением техники, возрастанием сложности решаемых задач, особыми условиями эксплуатации.

Объектом исследования в данной работе являются технические системы как материальные объекты искусственного происхождения

Предметом исследования в данной работе является надежность технических систем как свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования.

Теоретическая значимость работы заключается в получении знаний о методах расчетов надежности технических систем на стадии проектирования.

Практическая ценность работы заключается в приобретении навыков прогнозных расчетов надежности технических систем.

Глава 1. Теоретические основы структурной схемы в расчёте надежности

1.1 Понятие структурной схемы надежности

Все технические объекты состоят из элементов. Элементы физически могут быть соединены между собой самым различным образом. Для наглядного изображения соединений элементов используются различного рода схемы: Структурные, функциональные, принципиальные и т.д. Каждая имеет свое предназначение и позволяет анализировать, как функционирует то или иное изделие [12].

Для анализа уровня надежности и расчета ее показателей применяются особые схемы, которые получили название структурных схем надежности. Под структурной схемой надежности понимается наглядное графическое представление условий, при которых работает или не работает исследуемый элемент, объект, система, устройство и т.д.

Для составления структурной схемы надежности анализируют процесс функционирования объекта, изучают функциональные связи между элементами, виды отказов и причины их возникновения. Такое исследование требует высокой инженерной и математической эрудиции. Степень дробления объекта на элементы зависит от конкретной задачи расчетов. Одно и то же соединение на принципиальной схеме может иметь совершенно другое соединение на структурной схеме надежности [19].

Основными отказами электрических объектов являются отказы типа «обрыв» и «короткое замыкание». Пусть объект состоит из двух диодов VD1 и VD2, физически соединенных параллельно. При отказе типа «короткое замыкание» схема выйдет из строя, когда откажет любой из двух диодов. Поэтому структурная схема надежности для этого случая изображается в виде последовательного соединения элементов. В другом случае, при отказе типа «обрыв» параллельная цепочка диодов откажет только в случае отказа двух диодов. Следовательно, структурная схема надежности будет представлять собой параллельное соединение элементов [23].

При определении структурной схемы надежности объекта оценивают влияние работоспособности каждого элемента на работоспособность объекта в целом. С этой точки зрения все элементы объекта делят на четыре группы:

1. Элементы, отказ которых практически не влияет на работоспособность объекта (например, деформация кожуха, изменение окраски поверхности и т.д.);

2. Элементы, работоспособность которых за рассматриваемый промежуток времени практически не изменяется и вероятность их безотказной работы близка к единице (станины, корпусные детали, малонагруженные элементы с большим запасом прочности и т.д.);

3. Элементы, ремонт или регулировка которых возможна в процессе работы или во время плановых остановок (наладка, замена режущего инструмента и т.д.).;

4. Элементы, отказ которых сам по себе или в сочетании с отказами других элементов приводит к отказу системы.

При анализе надежности объекта, в рассмотрение, как правило, включают элементы последней группы. При анализе надежности объекта придерживаются следующего порядка:

1. Проводится анализ устройства и функциональная взаимосвязь составных частей, выполняемые функции объектом и его элементами;

2. Формулируется содержание понятий «безотказная работа» и «отказ»;

3. Определяются все возможные отказы объекта и его составных частей, их причины и возможные последствия;

4. Оценивается влияние отказов составных частей на работоспособность объекта;

5. Объект разделяется на элементы, у которых показатели надежности известны;

6. Составляется структурная схема надежности системы;

7. По структурной схеме надежности составляются расчетные зависимости, по которым определяют величину показателей надежности объекта.

Расчет надежности проводится в предположении, что объект и каждый его элемент могут находиться в одном из двух возможных состояниях – работоспособном и неработоспособном. Отказы элементов независимы друг от друга. Для расчета показателей надежности сложных объектов используют методы, связанные с перечислением элементарных событий (метод прямого перебора, комбинаторный метод), топологические и структурно-логические методы (методы минимальных путей и минимальных сечений, разложения относительно особого элемента, методы с использованием графов состояний и деревьев отказов и др.), а также методы математического и статистического моделирования. Соединение элементов в структурных схемах надежности сводят к четырем основным видам: последовательному, параллельному, смешанному, произвольному [11].

1.2 Виды расчётов надёжности элементов и систем

Расчёты надёжности - это расчёты, предназначенные для определения количественных показателей надёжности [14].

На этапе проектирования расчёт надёжности проводится с целью прогнозирования надёжности проектируемой системы.

На этапе испытаний и эксплуатации расчёт надёжности проводится для оценки количественных показателей надёжности спроектированной системы.

Многочисленные цели расчётов надёжности определяет большое их разнообразие. Основные виды расчётов надёжности на этапе проектирования могут быть представлены схемой, приведённой на (рис. 1).

При этом, расчёт элементной надёжности - это определение показателей надёжности изделия, обусловленных надёжностью его комплектующих частей;

расчёт функциональной надёжности - это определение показателей надёжности выполнения заданных функций.

Рисунок - 1. Основные виды расчётов надёжности

Исходными данными при расчётах надёжности систем являются:

принципиальные схемы с указанием типов элементов, входящих в систему или спецификаций;

режимы работы всех элементов (электрические, климатические, механические и т. д.);

значения интенсивностей отказов всех элементов при номинальных и фактических режимах, а также значения среднего времени исправной работы и дисперсии для элементов, подверженных постепенным отказам. Последовательность расчётов надёжности можно представить схемой, представленной на рис. 2.

Продолжение рисунка 2

Рисунок - 2. Последовательность расчёта надёжности

1.3 Основные этапы расчёта надёжности элементов и систем

Расчёт надежности элементов и систем можно разделить на несколько этапов.

На первом этапе должно быть осуществлено разделение рассматриваемой системы на отдельные элементы.

В качестве элементов здесь следует рассматривать первичные элементы, например, транзисторы, резисторы, конденсаторы, подшипники и т. д. Для систем в качестве элементов могут рассматриваться отдельные устройства, модули, блоки, показатели надёжности которых известны или должны определяться отдельно [9].

Для первичных элементов характеристики надежности определяются либо путем проведения специальных испытаний на надежность ,либо по данным эксплуатации. Следует отметить, что первичные элементы тоже могут быть разделены на составные части. Глубина декомпозиции определяется целями расчёта надёжности. Например, для резистора такими составными частями могут быть выводы, основание для токопроводящего слоя, токопроводящий слой и т. д.

На втором этапе формулируется понятие отказа для отдельных элементов и для системы в целом.

Вначале это понятие формулируется по внезапным отказам. Например, для конденсаторов и резисторов отказы могут проходить за счет обрывов и коротких замыканий, причем для конденсаторов - в основном за счёт коротких замыканий, а для резисторов - в основном за счёт обрывов. Для транзисторов внезапные отказы могут возникать как за счёт пробоя переходов, так и обрывов выводов [23].

Затем формулируется это понятие по постепенным отказам. В процессе эксплуатации параметры первичных элементов изменяются во времени (сопротивление у резисторов, ёмкость у конденсаторов, коэффициент передачи по току у транзисторов и т. д.). В результате расчёта схем определяются допустимые значения параметров первичных элементов, при достижении которых система отказывает. Отказ первичного элемента происходит при достижении предельных значений.

На третьем этапе составляется логическая или структурная схема расчета надежности.

При этом под структурной схемой надёжности понимается наглядное представление, графическое или в виде логических соотношений, условий, при которых система или объект находятся в работоспособном состоянии.

Метод структурной схемы надежности, определяемый ГОСТ Р51901. 14-2005 (МЭК 61078: 1991) является одним из методов, часто используемых в инженерной практике при анализе рисков технических и технологических систем. Метод позволяет строить модели технических систем и оценивать вероятности возможных благоприятных и неблагоприятных их состояний. Поэтому, этот метод часто применяется также в различных аналитических методах исследования надёжности [17].