Расчет показателей надежности

ПОКАЗАТЕЛЬ НАДЕЖНОСТИ. Количественная характеристика одного или нескольких свойств, составляющих надежность объекта.

ЕДИНИЧНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ НАДЕЖНОСТИ. Показатель надежности, характеризующий одно из свойств, составляющих надежность объекта.

КОМПЛЕКСНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ НАДЕЖНОСТИ. Показатель надежности, характеризующий несколько свойств, составляющих надежность объекта.

РАСЧЕТНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ НАДЕЖНОСТИ. Показатель надежности, значения которого определяются расчетным методом.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ НАДЕЖНОСТИ. Показатель надежности, точечная или интервальная оценка которого определяется по данным эксплуатации.

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ НАДЕЖНОСТИ. Показатель надежности, точечная или интервальная оценка которого определяется по данным эксплуатации.

ВЕРОЯТНОСТЬ БЕЗОТКАЗНОЙ РАБОТЫ – P(t). Вероятность того, что в пределах заданнойнаработки (или в интервале времени от 0 до t) отказ объекта не возникает:

P(t)=N(t)/N₀ ,

где N(t) – число работоспособных устройств в момент времени t;

N₀ – число работоспособных устройств в момент времени t=0 (число наблюдаемых устройств).

Вероятность безотказной работы выражается числом от нуля до единицы (или в процентах). Чем больше значение вероятности безотказной работы устройства, тем оно надежнее.

Пример. При эксплуатации 1000 силовых трансформаторов типа ОМ за год вышло из строя 15. Имеем N₀ = 1000 шт., N(t) = 985 шт. P(t)=N(t)/N₀ = 985/1000 = 0,985.

ВЕРОЯТНОСТЬ ОТКАЗА – q(t). Вероятность того, что в пределах заданнойнаработки (или в интервале времени от 0 до t) произойдет отказ:

q(t)=n(t)/N₀ ,

где n(t) – число устройств, отказавших к моменту времени t;

N₀ – число работоспособных элементов устройств в момент времени t=0 (число наблюдаемых устройств).

q(t) = 1 - P(t).

СРЕДНЯЯ НАРАБОТКА ДО ОТКАЗА. Математическое ожидание наработки объекта до первого отказа Т_ср (среднее значение продолжительности работы ремонтируемого устройства до первого отказа):

где t_i – продолжительность работы (наработка) до отказа i-го устройства;

N₀ – число наблюдаемых устройств.

Пример. При эксплуатации 10 пускателей выявили, что первый отказал после 800 переключений, второй – 1200, далее соответственно – 900, 1400, 700, 950, 750, 1300, 850, 1150.

Т_ср = (800 + 1200 + 900 + 1400 + 700 + 950 + 750 + 1300 + 850 + 1150)/10 = 1000 переключений

СРЕДНЯЯ НАРАБОТКА НА ОТКАЗ. Т - отношение суммарной наработки восстанавливаемого объекта к математическому ожиданию числа его отказов в течении этой наработки(среднее время наработки между отказами).

ИНТЕНСИВНОСТЬ ОТКАЗОВ. Условная плотность вероятности возникновения отказа объекта, определяемая при условии, что до рассматриваемого момента времени отказ не возник (среднее число отказов в единицу времени):

l(t) = n(Dt) / N Dt ,

где n(Dt) - число устройств, отказавших в период времени Dt ;

N - число наблюдаемых устройств;

Dt – период наблюдения.

Пример. При эксплуатации 1000 трансформаторов в течение 10 лет произошло 20 отказов (причем, каждый раз отказывал новый трансформатор). Имеем: N = 1000шт., n(Dt) = 20 шт., Dt = 10 лет.

l(t) = 20/(1000 × 10) = 0,002 (1/год).

СРЕДНЕЕ ВРЕМЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ. Математическое ожидание времени восстановления работоспособного состояния объекта после отказа Т_ср (среднее время вынужденного или регламентного простоя устройства, вызванного обнаружением и устранением отказа).

где i – порядковый номер отказа;

t_i – среднее время обнаружения и устранения i-го отказа.

КОЭФФИЦИЕНТ ГОТОВНОСТИ. К_Г - вероятность того, что объект окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течении которых применение объекта по назначению не предусматривается.

Определяется как отношение наработки на отказ устройства в единицах времени к сумме этой наработки и времени восстановления.

К_Г = Т / (Т + Т_В).

Расчет надежности

Основной метод расчета надежности основывается на экспоненциальной математической модели безотказной работы элементов (наиболее часто встречающейся при исследовании надежности систем управления и предполагающей постоянство интенсивности отказов во времени):

вероятность безотказной работы за наработку t:

,

средняя наработка на отказ (до отказа) равна обратной величине интенсивности отказов:

,

Допущения, предопределяемые данным методом:

отказы комплектующих элементов являются случайными независимыми событиями;

одновременно два и более элемента отказать не могут;

интенсивность отказов элементов в течении срока их службы в одних и тех же рабочих режимах и условиях эксплуатации является постоянной;

отказы элементов бывают двух видов обрыв (О) и короткое замыкание (КЗ).

Вероятность безотказной работы системы, имеющего в своем составе Nэлементов (блоков):

,

где P_i(t) - вероятность безотказной работы элемента (блока).

Интенсивность отказов блока, состоящего из M комплектующих элементов:

.

Интенсивность отказов элементов, работающих в переменных режимах на заданном отрезке времени:

,

где l₁, l₂ - интенсивности отказов на интервалах t₁, t₂ соответственно.

Связь интенсивности отказов с наработкой и вероятностью безотказной работы:

,

.

Перед началом расчета на основании логического анализа принципиальных и структурных схем, функционального назначения определяется структура объекта с точки зрения надежности (последовательное и параллельное соединение элементов).

Параллельное с точки зрения надежности соединение элементов – когда устройство откажет, если откажут все элементы.

Последовательное с точки зрения надежности соединение элементов – когда устройство откажет если откажет хотя бы один элемент.

Причем, элементы, соединенные электрически последовательно (параллельно) могут с точки зрения надежности быть наоборот параллельными (последовательными).

Для разных типов отказов (короткое замыкание или обрыв) элементы могут с точки зрения надежности последовательными для одного типа отказа и последовательными для другого. Например, гирлянда изоляторов, электрически соединенные последовательно для отказа типа короткое замыкание с точки зрения надежности имеют параллельное соединение, а для отказа типа обрыв – последовательное.

Стратегии технического обслуживания (ТО) и ремонта (Р)

СТРАТЕГИЯ. Любое правило, предписывающее определенные действия в каждой ситуации процесса принятия решений. Формально стратегия - это функция от имеющейся в данный момент информации, принимающая значения на множестве альтернатив, доступных в данный момент.

СТРАТЕГИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ (РЕМОНТА). Система правил управления техническим состоянием в процессе технического обслуживания (ремонта).

ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ. Комплекс операций или операция по поддержанию работоспособности или исправности изделия при использовании по назначению, ожидании, хранении и транспортировании.

ВОССТАНОВЛЕНИЕ. Процесс перевода объекта в работоспособное состояние из неработоспособного состояния.

РЕМОНТ. Комплекс операций по восстановлению исправности или работоспособности изделий и восстановлению ресурсов изделий или их составных частей.

СИСТЕМА ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ И РЕМОНТА ТЕХНИКИ. Совокупность взаимосвязанных средств, документации технического обслуживания и ремонта и исполнителей, необходимых для поддержания и восстановления качества изделий, входящих в эту систему.

ПЕРИОДИЧНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ (РЕМОНТА). Интервал времени или наработка между данным видом технического обслуживания (ремонта) и последующим таким же видом или другим большей сложности. Под видом технического обслуживания (ремонта) понимают техническое обслуживание (ремонт), выделяемое (выделяемый) по одному из признаков: этапу существования, периодичности, объему работ, условиям эксплуатации, регламентации и т.д.

ПЕРИОДИЧЕСКОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ. Техническое обслуживание, выполняемое через установленные в эксплуатационной документации значения наработки или интервалы времени.

РЕГЛАМЕНТИРОВАННОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ. Техническое обслуживание, предусмотренное в нормативно-технической или эксплуатационной документации и выполняемое с периодичностью и в объеме, установленными в ней, независимо от технического состояния изделия в момент начала технического обслуживания.

ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ С ПЕРИОДИЧЕСКИМ КОНТРОЛЕМ. Техническое обслуживание, при котором контроль технического состояния выполняется с установленными в нормативно-технической или эксплуатационной документации периодичностью и объемом, а объем остальных операций определяется техническим состоянием изделия в момент начала технического обслуживания.

ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ С НЕПРЕРЫВНЫМ КОНТРОЛЕМ. Техническое обслуживание, предусмотренное в нормативно-технической или эксплуатационной документации и выполняемое по результатам непрерывного контроля технического состояния изделия.

Выбор оптимальной стратегии ТО и Р

Решение этой задачи должно предусматривать разработку порядка назначения того или иного вида ТО и Р, обеспечивающего максимальную эффективность использования системы электроснабжения.

Возможны три основные стратегии ТО и Р:

1) восстановление после наступления отказа;

2) предупредительное восстановление по наработке - после выполнения определенного объема работ или продолжительности использования;

3) предупредительное восстановление по техническому состоянию (ТС) (с контролем параметров). Применительно к агрегатно-узловому методу можно назвать еще одну стратегию - восстановление по ТС с контролем показателей надежности.

Для таких сложных технических систем как система электроснабжения, назначать одну и ту же стратегию проведения ТО и Р нецелесообразно - для каждого элемента, устройства, агрегата должна быть выбрана своя стратегия с учетом их роли в обеспечении показателей эффективности эксплуатации машин с использованием экономико-математических моделей. При этом в качестве исходной информации используются:

- показатели надежности оборудования и его элементов, оцененные на стадии разработки и определенные в процессе эксплуатации;

- стоимости плановых и неплановых ТО и Р;

- значения ущерба от простоя оборудования;

- влияния технического состояния элементов на показатели качества электроэнергии;

- стоимость технического диагностирования;

- существующая система ТО и Р;

- обеспечение требований безопасности движения, электробезопасности и экологической безопасности.

Восстановительные воздействия после отказа применяются для элементов, отказы которых не приводит к потери работоспособности системы электроснабжения и нарушениям требований безопасности.

Для элементов, отказ которых является одновременно отказом системы, при этой стратегии ТО и Р какие-либо действия, управляющие безотказностью и уровню удельных потерь, невозможны. Уровень безотказности и нижняя граница потерь от отказа предопределены только надежностью элемента и не могут быть уменьшены без ее повышения, т. е. без изменения конструкции.

При стратегии предупредительного восстановления по наработке имеются два вида потерь - отказы одних элементов и недоиспользование других. Уменьшить один вид потерь без одновременного увеличения другого невозможно; можно только минимизировать суммарные удельные потери (при оптимальной периодичности ТО и Р).

При стратегии предупредительного восстановления по результатам контроля параметров (технического диагностирования) появляется возможность уменьшить потери от отказа и потери от недоиспользования ресурса, причем в большей степени, чем ниже уровень затрат на диагностирование.

При стратегии ТО и Р с контролем параметров должны быть установлены предотказовые значения параметров (критерии предотказового состояния) элементов и определена частота контроля (при использовании мобильных средств диагностики). Эта стратегия должна применяться для ответственных элементов, обладающих достаточной контролепригодностью, отказы которых приводят к длительным простоям или нарушениям требований безопасности.

Преимущества третьей стратегии очевидны, однако существуют два технических ограничения ее сферы применения:

невозможность контролировать вообще или с требуемой точностью и приемлемой стоимостью параметры ТС отдельных элементов неразрушающими методами;

скачкообразное (мгновенное) изменение параметров ТС отдельных элементов.

Следует отметить, что эти ограничения являются относительными - они обусловлены уровнем развития методов и средств диагностирования. По мере их совершенствования будут расширяться возможности контроля неразрушающими методами параметров ТС, т.е. будут сниматься ограничения.

Для неответственных однотипных элементов и для перспективного планирования ТО и Р может использоваться стратегия восстановления с контролем показателей надежности.

Систему ТО и Р системы электроснабжения необходимо формировать вначале на уровне агрегатов и узлов, а затем машины в целом. Выбор стратегии ТО и Р должен вестись по минимуму суммарных удельных потерь при обеспечении нормативных значений качества электроснабжения и обеспечения безопасности эксплуатации.

В предварительную программу ТО и Р элемента должны входить: объемы и периодичность ТО и Р по наработке; объемы и периодичность контрольно-диагностических работ, в том числе работ по контролю наличия отказавших элементов, восстановление которых предусмотрено после отказа (локализация отказа); предельные (предотказовые) значения параметров и признаки ТС элементов. Разработанная предварительная программа ТО и Р каждого агрегата, устройства служит основой для формирования системы ТО и Р системы электроснабжения в целом.

В общем случае оптимальные сроки ТО и Р разных агрегатов, узлов могут не совпадать, а проведение многочисленных рассредоточенных во времени ТО и Р является нецелесообразным. Необходимо группировать процессы ТО и Р по разным агрегатам и устройствам оптимальным образом и назначать периодичности работ по условиям эксплуатации конкретной установки с учетом ее фактического ТС.