ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
< 5, 2008
УДК 62.192
© 2008 г. Труханов В.М.
НОВЫЙ ПОДХОД К РАСЧЕТУ ПРОЕКТНОЙ НАДЕЖНОСТИ СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ТИПА ПОДВИЖНЫХ УСТАНОВОК СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Статья посвящена вопросу расчета проектной надежности сложных технических систем типа подвижных установок специального назначения на основе нового подхода, учитывающего изменение интенсивности отказов элементов на каждом этапе жизненного цикла изделия. Предложены модели расчета надежности, учитывающие случайные и неслучайные отказы, а также расчет надежности металлоконструкций и механических узлов.
В технических требованиях на разработку сложных дорогостоящих объектов типа подвижных установок наряду с выходными техническими и эксплуатационными характеристиками задаются и количественные показатели надежности в виде вероятности безотказной работы, наработки на отказ, коэффициента готовности и других показателей. Заданные показатели надежности на этапе проектирования должны подтверждаться расчетно-аналитическими методами, а на этапе испытаний опытных образцов и в процессе эксплуатации серийных изделий статистическими оценками.
Известно, что наиболее распространенный расчетно-аналитический метод основывается на экспоненциальном законе распределения наработки на отказ от постоянной интенсивностью отказов X = const на всем периоде жизни изделия. В этом случае вероятность безотказной работы за время t определяется по формуле [1]
P (t) = exp (-Xt). (1)
Результаты многолетних исследований и анализа подвижных установок специального назначения свидетельствуют о том, что интенсивность отказов в течение жизненного цикла меняется. Существенное изменение интенсивности отказов наблюдается в начальный период эксплуатации и в конце жизненного цикла [2]. На основании этих исследований предложено проектный расчет надежности проводить с учетом периода эксплуатации с соответствующими значениями интенсивностей отказов X¡ на каждом из них.
Практика показывает, что весь жизненный цикл дорогостоящей подвижной установки специального назначения составляет 20-25 лет. Обработка статистических данных большого числа данного типа установок за многолетний период свидетельствует о том, что изменения интенсивности отказов наблюдается на трех этапах жизненного цикла изделия.
Первый этап соответствует пяти годам (с 1-го по 5-й год) эксплуатации. Этот период характеризуется с одной стороны, проведением конструктивных доработок по замечаниям, выявленным в ходе межведомственных и государственных испытаний опытных образцов, с другой совершенствованием технологии изготовления применительно к серийному производству. Проводимые в этот период мероприятия позволяют существенно снизить интенсивность отказов изделия.
□ и
Структурная схема надежности подвижной установки / = 1, 2, ..., / - номер составной части, п - число составных частей подвижной установки, соединенных последовательно, каждая из которых выполняет свое функциональное назначение
Т
Обобщенная модель расчета надежности
роб« = р1(') р2«рэ«= ехр[ - Е V ехр[ - ЕЕ V х ф[ т=
I = 1=1
Модель расчета, учитывающая случайные отказы
Модель расчета, учитывающая неслучайные отказы
Модель расчета механических узлов и металлоконструкций
РэС)
Статистические оценки интенсивностей отказов элементов Х^, ] - номер этапа жизненного цикла
Рис. 1. Компоненты моделей расчета надежности подвижной установки
Второй этап жизненного цикла соответствует десяти годам эксплуатации (с 6-го по 15-й). Этот период соответствует установившемуся серийному производству и отличается незначительным изменением интенсивности отказов, на котором можно использовать формулу (1). Третий этап занимает период эксплуатации с 16-го по (20-25) год и характеризуется старением и износом элементной базы, что является причиной увеличения интенсивности отказов.
Таким образом, проектный расчет надежности дорогостоящих объектов целесообразно проводить по трем этапам эксплуатации с соответствующими интенсивностями отказов на каждом из них, что позволит обеспечить более высокую точность расчета. При расчете проектной надежности на каждом этапе следует учитывать три составляющие модели функции надежности: модель расчета, учитывающую случайные отказы; модель расчета, учитывающую неслучайные отказы; модель расчета механических узлов и металлоконструкций. Схематически расчетная схема представлена на рис. 1.
В состав подвижной установки специального назначения входят следующие основные элементы (составные части) структурной схемы надежности: 1 - шасси с двигателем и кабиной, на котором монтируется оборудование; 2 - металлоконструкции (балки, кронштейны, стрела), к которым крепится оборудование; 3 - домкраты; 4 - гидроаппаратура; 5 - вытеснитель; 6 - механизм подъемный; 7 - насосная станция; 8 - привод механизма привязки; 9 - блок электроавтоматики; 10 - автономный источник питания (энергоснабжения).
Расчет надежности радиоэлектронной аппаратуры и электроавтоматики проводится по справочным данным интенсивностей отказов элементов или статистическим оценкам интенсивностей отказов элементов, полученных по результатам испытаний или эксплуатации. Расчет надежности металлоконструкций, механических, гидравлических, пневматических элементов и узлов предложено проводить на основе аналитических зависимостей расчета запасов: прочности, износостойкости, теплостойкости и т.п. в зависимости от действующих внешних воздействующих факторов. По полученным расчетным значениям запасов определяют вероятность безотказной работы по формуле [3]
Р = Ф
т - т0
(2)
ч./о, + а-,/
Pkn H
Исходная информация для расчета и расчет проектной надежности
Выходная функция надежности
Мероприятия по повышению надежности
Рис. 2
Рис. 3
Рис. 4
Рис. 2. Структурная схема надежности с поканальным резервированием Рис. 3. Структурная схема надежности с поэлементным резервированием Рис. 4. Методология расчета по достижению требуемого уровня надежности
где m2 - математические ожидания соответственно прочности и нагрузки; о1; о2 -средние квадратические отклонения соответственно прочности и нагрузки; Ф(^) - нормированная нормальная функция распределения, соответствующая вероятности P, вы-
I 2 2
бирается из таблиц [2, 3]; Up = (m1 - m2)/ ,Jo1 + о2 - квантиль функции нормального распределения.
В другой равносильной форме записи выражение (2) можно записать так
22
P = Ф((п - 1)/^/nv1 + v2 ), где n = m1/m2 - коэффициент запаса, и1 = о1/т1 - коэффициент вариации прочности, и2 = o2/m2 - коэффициент вариации действующей нагрузки. Расчетные формулы для вычисления квантилей различных элементов, узлов и механизмов можно найти в [2].
При расчете проектной надежности металлоконструкций, механических, гидравлических, пневматических элементов и узлов можно также использовать статистические данные, полученные по результатам испытаний или эксплуатации элементов и узлов на изделиях-аналогах.
В целях повышения надежности составных частей подвижной установки, таких как система электроавтоматики и другая электронная аппаратура, предлагается использовать различные виды резервирования. Графические изображения структурных схем надежности представлены рис. 2 и рис. 3.
Расчетная формула надежности поканального резервирования выглядит так
P = 1-( I-Р11Р12-Pln)(1-Р21Р22-P2n)-(1-PklPk2-Pkn).
Расчетная формула надежности поэлементного резервирования выглядит так
P = [ 1-( 1-P11 )( 1-P21 )...( 1-Pk 1 )]х
Х[ 1- ( 1- P12 )( 1- P22 )...( 1- Pk 2 )]...[ 1- ( 1- P1n )( 1- P2n ).••( 1- Pkn)].
В расчетах проектной надежности используют также схемы выборочного резервирования, когда работоспособность системы обеспечивается при безотказной работе у'-эле-ментов и k - резервных. Вероятность безотказной работы такой схемы определяется по формуле
k!
k
P = X ' ( 1- P )k - ', где Cí
, p - вероятность безотказной работы од-
Ж к - ])!
1 = 1
ного элемента.
Вероятность безотказной работы системы, соединенной по схеме два из трех, выра-
3 2
жается соотношением вида Р = р + 3р (1 - р), где р - вероятность безотказной работы одного элемента.
Вероятность безотказной работы системы, выполненной по мостиковой схеме, находится из соотношения Р = р5 + 5p4q + 8р3д2 + 2р2д3, где q = (1 - р) - вероятность отказа одного элемента.
В системах электроавтоматики и радиоэлектронной аппаратуры подвижной установки предусматривают горячее резервирование для цепей, выполняющих основную работу, когда время на переключение отказавшего канала (элемента) на резервный не допускается. Используется также холодное резервирование с целью увеличения ресурса работы исполнительных элементов, механизмов, когда допускается переключение отказавшего канала (элемента) на резервный. Например, система температурно-влаж-ностного режима позволяет вследствие длительного сохранения допустимой температуры в обогреваемых или охлаждаемых отсеках, произвести восстановление путем замены канала (элемента).
Источник питания (энергоснабжения) подвижной установки предусматривает 3-х кратное резервирование, что существенно повышает надежность выполнения поставленной задачи.
Методология проектного расчета надежности дорогостоящей подвижной установки представляет собой замкнутый цикл, изображенный на рис. 4.
В случае, если полученная выходная характеристика в виде функции надежности не удовлетворяет заданному уровню, то разрабатывают мероприятия по повышению надежности путем изменения исходной информации, а также введения различных видов резервирования.
При известных значениях статистической информации по отказам и наработке для систем, работающих в циклическом режиме, в расчете проектной надежности используют биномиальное распределение. В этом случае вероятность безотказной работы определяют по формуле
Р; = 1- (т;/п;), (3)
где тг - число отказов 1-го элемента; пг - число циклов работы 1-го элемента; Рг - вероятность безотказной работы г-го элемента за один цикл;
аР1 = > г (1- Рг) / П, (4)
где ор - среднее квадратическое отклонение вероятности безотказной работы.
Если число отказов равно нулю (т = 0), то формулы (3) и (4) принимают вид
1
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.