Надежность систем с резервированием

Для достижения высокой надежности в машиностроении конструктивные, технологические и эксплуатационные мероприятия могут оказаться недостаточными, и тогда приходится применять резервирование. Это особенно относится к сложным системам, для которых повышением надежности элементов не удается достигнуть требуемой высокой надежности системы.

Здесь рассматривается структурное резервирование, осуществляемое введением в систему резервных составляющих, избыточных по отношению к минимально необходимой структуре объекта и выполняющих те же функции, что и основные.

Резервирование позволяет уменьшить вероятность отказов на несколько порядков.

Применяют:

-постоянное резервирование с нагруженным или горячим резервом;

-резервирование замещением с ненагруженным или холодным резервом;

-резервирование с резервом, работающим в облегченном режиме.

Особенности резервирования в машиностроении. В ряде машин:

-резервные агрегаты используют как рабочие в часы «пик»;

-резервирование обеспечивает сохранение работоспособности, но с понижением показателей.

Резервирование в чистом виде в машиностроении преимущественно применяют при опасности аварий.

В транспортных машинах, в частности в автомобилях, применяют двойную или тройную систему тормозов; в грузовых автомашинах – двойные шины на задних колесах.

В пассажирских самолетах применяют 3...4 двигателя и несколько электрических машин. К аварии самолета не приводит выход из строя одной или даже нескольких машин, кроме последней машины.

В морских судах – по две машины.

Число эскалаторов, паровых котлов выбирают с учетом возможности отказа и необходимости ремонта. При этом в часы «пик» могут работать все эскалаторы.

В общем машиностроении в ответственных узлах используют двойную систему смазки, двойные и тройные уплотнения.

В станках применяют запасные комплекты специальных инструментов.

На заводах уникальные станки основного производства стараются иметь по два или более экземпляров.

В автоматическом производстве применяют накопители, станки-дублеры и даже дублирующие участки автоматических линий.

Применение запасных деталей на складах, запасных колес на автомашинах также можно рассматривать как вид резервирования. К резервированию (общему) следует также относить проектирование парка машин (например, автомобилей, тракторов, станков) с учетом времени их простоев в ремонте.

При постоянном резервировании резервные элементы или цепи подключают параллельно основным( рисунок 1.8).

Рисунок 1.8 – Простейшая резервная система

Вероятность отказа всех элементов (основного и резервных) по теореме умножения вероятностей

,

где – вероятность отказа элемента .

Вероятность безотказной работы . Если элементы одинаковы, то и .

Например, если 0,01 и 2 (дублирование), то 0,9999, 0,01 и =3 (двойное резервирование), то 0,999999.

В системах с последовательно соединенными элементами вероятность безотказной работы определяют перемножением вероятностей безотказной работы элементов.

В системах с параллельным соединением – вероятность отказа перемножением вероятностей отказа элементов.

Системы с частичным резервированием находят широкое применение в машиностроении (рисунок 1.9).

Рисунок 1.9 – Частично зарезервированная система

Если в системе (рисунок 1.9) элементов не дублированы, а элементов дублированы, то надежность системы

При резервировании замещением резервные элементы включаются только при отказе основных элементов. Это включение может производиться автоматически или вручную. К резервированию можно отнести применение резервных агрегатов и блоков инструментов, устанавливаемых взамен отказавших, причем эти элементы тогда рассматривают входящими в систему.

Если элементы одинаковы, то .

Формулы справедливы при условии, что переключение абсолютно надежно. При этом вероятность отказа в раз меньше, чем при постоянном резервировании. Меньшая вероятность отказа понятна, так как меньшее количество элементов находится под нагрузкой. Если переключение недостаточно надежно, то выигрыш может быть легко утерян. Для поддержания высокой надежности резервированных систем, отказавшие элементы необходимо восстанавливать или заменять.

Применяют резервированные системы, в которых отказы (в пределах числа резервных элементов) устанавливают при периодических проверках, и системы, в которых отказы регистрируются при их появлении.

В первом случае система может начать работать с отказавшими элементами. Тогда расчет на надежность ведут за период от последней проверки. Если предусмотрено немедленное обнаружение отказов и система продолжает работать во время замены элементов или восстановления их работоспособности, то отказы опасны за время до окончания ремонта и за это время ведут оценку надежности. В системах с резервированием замещением подключение резервных машин или агрегатов производится человеком, электромеханической системой или даже чисто механически. В последнем случае удобно применять обгонные муфты.

Возможна постановка основного и резервного двигателей с обгонными муфтами на одной оси с автоматическим включением резервного двигателя по сигналу от центробежной муфты.

Если допустима работа вхолостую резервного двигателя (ненагруженный резерв), то центробежную муфту не ставят. В этом случае основной и резервный двигатель подсоединяют к рабочему органу также через обгонные муфты, причем передаточное отношение от резервного двигателя к рабочему органу делают несколько меньшим, чем от основного двигателя.

Эффективность разных способов резервирования проиллюстрируем на основной системе из четырех последовательно соединенных элементов с вероятностью безотказной работы каждого 0,9.

Вероятность безотказной работы системы без резервирования (рисунок 4.10, а)

0,9⁴»0,65 и 0,35.

Дублированной системы с постоянным резервом в виде такой же системы (рисунок 1.10, в)

1–0,35²»0,88.

Дублированной системы с ненагруженным резервом и вполне надежным переключателем

0,94.

Системы с независимым постоянным дублированием каждого элемента (рисунок 1.10 б)

0,96.

а – основная; б – с общим резервированием; в – с поэлементным резервированием; г – с накопителем

Рисунок 4.10 – Система резервирования

Такая же система с независимым ненагруженным дублированием

0,98.

В автоматических линиях, применяют накопители, которые разбивают линии на отдельные участки, причем отказ какого-либо элемента (станка) вызывает остановку не всей линии, а только одного участка. В это время другие участки продолжают работу, получая заготовки от накопителя или подавая заготовки в накопитель.

Вероятность безотказной работы линии меньше этой вероятности для последнего участка и приближается к ней при увеличении емкости накопителя.

Вероятность длительной безотказной работы линии меньше вероятностей для лимитирующего участка.

Если в середине автоматической технологической линии, поставить накопитель высокой надежности (рисунок г), то вероятность ее безотказной работы поднимается с 0,65 до величины, несколько большей 0,81.

Пример наглядно показывает:

- поэлементное резервирование гораздо эффективнее, чем общее;

- резервирование замещением при совершенно надежном переключении эффективнее, чем постоянное.