Надежность Лекции Шец С.П. (заочно)

Если известно, что для восстановительной операции i-го элемента необходимо затратить время то суммарное время восстановления системы

Если это время сложить с временем, затрачиваемым на профилактические меро-

приятия получим полное время обслуживания, или время технической эксплуатации объекта:

Коэффициент оперативной готовности в стационарном режиме - вероятность того,

что объект, находясь в режиме ожидания, окажется работоспособным в произвольный момент времени, и, начиная с этого момента, будет работать безотказно в течение заданного интервала времени. Фактически он представляет вероятность того, что объект со средней наработкой на отказ , требующий время на восстановление для каждой наработки будет готов к эксплуатации в любой заданный момент времени в будущем.

Общеупотребительным обозначением коэффициента оперативной готовности в стационарном режиме является - коэффициент готовности, который можно определить по формуле

где- время пребывание объекта в работоспособном состоянии,

С точки зрения надежности и эффективности эксплуатации техники можно сделать следующие выводы:

•чем надежнее машина, тем больше величина ;

•чем больше величина , тем эффективнее техника.

Коэффициент ремонтопригодности показывает вероятность того, что в установив-

шемся процессе эксплуатации в любой произвольно выбранный момент времени объект будет находиться в состоянии восстановления:

Вывод: чем больше времени объект будет находиться в работоспособном состоянии, тем меньшее значение будет иметь и более эффективной будет эксплуатация машины.

Коэффициент технического использования - отношение математического ожи-

дания времени пребывания объекта в работоспособном состоянии за некоторый период эксплуатации к сумме математических ожиданий времени пребывания объекта в работоспособном состоянии и времени простоев, обусловленных проведением ТО и профилактических мероприятий за тот же период эксплуатации.

Коэффициент технического использования kти показывает, какую долю общего времени эксплуатации объект находится в работоспособном состоянии

31

СБОР И ОБРАБОТКА СТАТИСТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ О ПОКАЗАТЕЛЯХ НАДЕЖНОСТИ АВТОМОБИЛЕЙ

Для эксплуатируемых автомобилей, характерно значительное рассеивание значений показателей надежности. Это предъявляет особые требования к сбору и обработки информации. Важное значение приобретает качество исходной информации, зависящее от тщательности и длительности наблюдений (или величины наработки автомобилей) и количества одновременно наблюдаемых или испытуемых автомобилей.

Сложность сбора информации о показателях надежности автомобилей усугубляется высокой стоимостью испытаний или наблюдений. Информацию о надежности новых и отремонтированных машин собирают: 1 – в процессе испытаний; 2 – при разовом обследовании машин; 3 – при помощи систематических наблюдений за автотранспортом в процессе эксплуатации.

При испытании хронометрируют работу автомобиля, собирают полную информацию о всех отказах. По окончании испытания полностью разбирают автомашину, проводят микрометраж основных деталей и пробный ремонт, во время которого собирают техническую и экономическую информацию для оценки ремонтопригодности машины и её отдельных элементов. Недостатком испытания является относительная кратковременность, а главное – малое количество одновременно испытуемых машин одной марки.

При разовом обследовании автомобилей путем опроса водителей выявляют типичные, часто встречаемые отказы, причины их появления и условия эксплуатации. Разовое обследование не позволяет получить достаточную информацию о надежности автомобилей и служит вспомогательным методом сбора дополнительной информации. Преимущество этого метода – возможность в короткий срок собрать информацию об отказах одновременно большого количества машин.

Наиболее достоверный способ сбора информации о надежности – это систематическое наблюдение за большим количеством машин одной марки при их эксплуатации в автотранспортных предприятиях, автоколоннах и т.д. Выполнением такой работы на предприятиях занимается отдел надежности или отдел технического контроля (ОТК). Эти отделы ведут техническую документацию с помощью которой можно получить данные по проведению технического обслуживания, устранению отказов, ремонту, наработок автомобилей и многие другие технико-экономические показатели.

В процессе сбора информации возможны различные варианты планов наблюдений и, соответственно, видов информации.

1. План NUN.

Наблюдения ведут до такой наработки, при которой у всех N объектов (автомобилей), находящихся под наблюдением, будут зафиксированы показатели надежности (отказы), интересующие наблюдателя. Символ U, как в этом, так и в других планах, означает, что предусматривается снятие с наблюдения тех объектов, у которых зарегистрирован показатель надежности.

2. План NUT.

Наблюдения ведут за N объектами до заранее заданной наработки Т независимо от того, у скольких объектов из числа N будут зарегистрированы показатели надежности (например, отказы).

При планах NUN и NUT количество наблюдаемых машин постепенно уменьшается по мере увеличения наработки Т.

3. План NRT.

Наблюдения ведут за N объектами до их наработки Т независимо от того, у скольких объектов и сколько показателей надежности будут зарегистрированы. Буква R, как в этом, так и в других планах наблюдения, означает, что предусматривается восстановление вышедших из строя объектов и их повторная постановка под наблюдение.

32

Таким образом, при плане NRT количество наблюдаемых объектов N остается постоянным за все время наблюдения.

4. План NUr.

Наблюдения ведут до фиксации у всех N объектов заранее заданного числа r показателей надежности (например, r числа отказов).

5. План NRr

Тот же самый, что план NUr, при условии восстановления вышедших из строя объектов и повторного их наблюдения.

При сборе информации о надежности машин наибольшее применение находят планы наблюдений NUN, NUT и NRT.

План NUN используют главным образом при сборе информации о технических ресурсах и сроках службы объектов (элементов) сравнительно невысокой долговечности. При таком плане наблюдений можно получить наиболее полную, а следовательно, и наиболее точную информацию, которая называется полной или неусеченной.

Проводить ресурсные испытания автомобилей при плане наблюдений NUN практически невозможно вследствие их относительно высокой долговечности. Поэтому при сборе информации о показателях долговечности таких машин используют план наблюдения NUT с ограниченной наработкой Т до конца наблюдения. При таком плане наблюдения предельное состояние будет зарегистрировано только у части объектов (желательно, чтобы не меньше чем у 50% наблюдаемых объектов N). Полученная при таком плане наблюдения информация называется усеченной.

При пользовании планом NUT возможны случаи преждевременного снятия с наблюдения некоторых исправных объектов (автомобилей) (передача в другую автоколонну или продажа), наработка которых не достигла заданных значений.

В этом случае информация будет не только усеченной, но и с выпадающими точками. Такая информация называется многократно усеченной, а преждевременно снятые с наблюдения исправные автомобили — приостановленными.

План NRT широко используют при сборе информации о показателях безотказности отдельныхз автомобильных агрегатов, а также об удельных затратах времени и денежных средств на устранение эксплуатационных отказов и проведение операций технического обслуживания.

Информацию о показателях ремонтопригодности и сохраняемости собирают по произвольному плану наблюдения в процессе ремонта машин или их постановки на хранение.

Информацию о комплексных показателях надежности собирают при смешанных планах наблюдения (комбинация информации о показателях долговечности, безотказности, ремонтопригодности и сохраняемости).

Применительно к показателям долговечности (ресурс, срок службы, интенсивность отказов) такие наблюдения соответствуют плану NUT, а применительно к показателям безотказности (параметр потока отказов, наработка на отказ) — плану NRT.

Лекция 9

НАДЕЖНОСТЬ СИСТЕМ

Системы в теории надежности

Надежность большинства изделий в технике приходится определять при рассмотрении их как систем, состоящих из отдельных элементов. Любая техническая система является интегральной, состоящей из подсистем, каждая из которых в свою очередь состоит из соединенных определенным образом элементов более низкого уровня.

33

Вполне очевидно, что если речь идет о параметрах надежности системы и параметрах надежности составляющих элементов, они не должны рассматриваться независимо, т. е. надежность системы всегда зависит от параметров надежности составляющих элементов. Но при расчете надежности системы недостаточно знать только количественные соотношения системы и элементов. В этом слeчае еще необходимо учитывать характер функционального взаимодействия элементов и их назначение.

С позиции надежности можно выделить системы с последовательным, параллельным и комбинированным соединением элементов.

Системы с последовательным соединением элементов

В этих системах отказ любого элемента приводит к отказу всей системы. Автомобиль в целом, двигатель, коробка передач, рулевое управление, трансмиссия, колесо в сборе и другие составные части автомобиля следует рассматривать как восстанавливаемые системы с последовательным соединением элементов.

Структурная схема надежности систем с последовательным соединением элементов от до приведена на рис.13.

Рис. 13. Структурная схема надежности систем с последовательным соединением элементов

Если нагоузка на систему распределена равномерно по элементам , а несущие способности элементов независимы друг от друга, то их отказы являются событиями независимыми, а вероятность безотказной работы системы равна произведению вероятностей безотказной работы элементов:

Вероятность отказа системы

Следствием выражения для вероятности безотказной работы системы может быть равенство

которое, например для экспоненциального закона, принимает вид

Полученные уравнения позволяют сделать заключение, что надежность системы с последовательно соединенными элементами всегда ниже надежности самого слабого элемента в этой системе.

Это обстоятельство обязывает обеспечивать чрезвычайно высокий уровень надежности для составляющих систему элементов.

Системы с параллельным соединением элементов

В этих системах элементы включены так, что отказ какого-либо одного из них не приводит к отказу всей системы в целом. Примерами параллельных систем являются энергетические системы электрических машин, работающих на общую сеть, многомоторные самолеты, водные суда с двумя двигателями и резервированные системы. В автомо-

биле к системам с параллельным включением элементов относятся система внешних

34

световых приборов (фары, сигнальные фонари), стеклоочистители, рабочая тормозная система.

Структурная схема надежности систем с параллельным соединением элементов от до представлена на рис.14.

Рис. 14. Структурная схема надежности систем с параллельным соединением элементов

Надежность - вероятность отказаи вероятность безотказной работы - параллельных систем рассчитывается по формулам

В том случае, если все элементы системы имеют равную надежность, расчетные формулы принимают вид

Комбинированные системы

Реальные технические системы обычно представляют в виде комплексных схем, имеющих группы как последовательно, так и параллельно соединенных элементов. Системы с последовательно-параллельной структурой элементов носят название комби-

нированных систем.

Структурная схема надежности таких систем представлена на рис 14.

Расчет надежности комбинированных или сложных систем выполняется в определенной последовательности, которая предусматривает сведение системы любой конфигурации к системе с последовательно соединенными элементами:

Рис. 14. Структурная схема надежности комбинированных систем

35

Пример.

Система состоит из трех последовательно соединенных изделий, имеющих следующие параметры потока отказов:

Определить показатели безотказности системы: среднюю наработку до отказа и вероятность безотказной работы для наработки 50 ч, а также установить, во сколько раз изменится надежность системы при повышении вдвое надежности каждого элемента.

1.Определим поток отказов системы:

2.Определим среднюю наработку до отказа:

3.Определим вероятность безотказной работы системы для наработки 50 ч:

4.Определим, во сколько раз увеличится надежность системы при уменьшении параметра потока отказов каждого элемента вдвое:

Пример.

В стенде для диагностики и контроля систем автомобиля для регистрации параметров используются параллельно соединенные аналоговый и цифровой измерительные приборы. Вероятность безотказной работы аналогового прибора при эксплуатации в течение наработки t составляет 0,98, цифрового - 0,99. Определить надежность регистрации параметров на стенде.

1.Надежность регистрации параметра определяется работоспособностью любого измерительного прибора или обоих вместе, поэтому систему измерения стенда необходимо представлять как систему с параллельным соединением элементов. Определим вероятность отказа системы в течение заданной наработки:

2.Вероятность безотказной работы системы измерения параметра в течение времени

Пример.

Система состоит из трех изделий, имеющих следующие параметры потока отка-

зов:

Схема соединения элементов системы представлена на рис.15.

36

Рис.15. Схема соединения элементов системы с последовательно-параллельной структурой

Определить вероятность безотказной работы системы для наработки 50ч, а также установить, во сколько раз изменится надежность системы при повышении вдвое надежности каждого элемента.

1.Определим вероятность безотказной работы системы для наработки 50ч:

2.Определим вероятность безотказной работы системы для наработки 50ч при повышении надежности каждого элемента вдвое, т. е. при уменьшении в 2 раза параметров потока отказов:

3. Определим, во сколько раз увеличится надежность системы при уменьшении параметра потока отказов каждого элемента вдвое:

Лекция 10

СИСТЕМЫ С РЕЗЕРВИРОВАНИЕМ ЭЛЕМЕНТОВ

Разновидностью параллельных систем являются системы с резервированием элементов.

Резервирование представляет собой метод повышения надежности техники за счет введения избыточности - структурной, нагрузочной или функциональной.

Структурное резервирование предусматривает создание избыточных элементов в структуре изделия, нагрузочное резервирование - способность изделия воспринимать дополнительные нагрузки.

37

Структурное резервирование в конструкции автомобиля предплагает обычно параллельное включение резервных и основных элементов.

Резервные элементы могут быть:

•нагруженными (постоянно включенными) - горячее постоянное резервирование;

•ненагруженными (включающимися в работу только при отказе основных элементов) - холодное резервирование замещением;

•работающими в облегченном режиме (со смешанным включением).

Например, для грузового автомобиля сдвоенные шины на задних колесах можно считать структурным нагруженным резервированием. Для любого автомобиля запасное колесо является резервным ненагруженным элементом, таким же элементом в системе электрооборудования является аккумулятор, который используется только в случаях, когда не работает генератор (при его отказе или при запуске двигателя).

Установку на автомобиль колес с более широкими шинами, по сравнению со штатными, можно рассматривать как нагрузочное резервирование колес.

Применение в рабочей тормозной системе вакуумного усилителя позволяет при работающем двигателе уменьшить нагрузку на педаль тормоза, что также можно рассматривать как нагрузочное резервирование.

Функциональное резервирование предусматривает использование способности элементов выполнять дополнительные функции. Например, основное назначение стояночного тормоза - удержание автомобиля неподвижным, но, кроме того, он может использоваться в экстренных случаях при движении. Функциональное резервирование в автомобилестроении имеет ограниченное применение.

Резервирование может быть общим, когда параллельно (дополнительно) основной системе подключается такая же система; поэлементным, когда резервируются все элементы системы по отдельности; частичным, когда резервируется не весь объект, а его отдельные элементы. Системы с частичным резервированием объектов относятся к системам с последовательно-параллельной структурой элементов, т.е. к комбинированным системам.

Структурные схемы различных систем даны на рис.16.

Рис. 16. Структурные схемы различных систем:

а - простейшая с резервированием; б - с общим резервированием; в - с поэлементным резервированием; г - с частичным резервированием

Надежность (вероятность отказа и вероятность безотказной работысистем с постоянным резервированием резервных элементов для схем рассчитывается по следующим формулам:

а) простейшая система с резервированием (рис. 16, а)

38

так как для систем с резервированием

б) система с общим резервированием (рис.16, б)

в) система с поэлементным резервированием (рис.16, в)

г) система с частичным резервированием (рис. 16, г)

При резервировании замещением (резервный элемент является ненагруженным) резервный элемент включается только при отказе основного элемента (см. рис. 16, а), а надежность системы (вероятность безотказной работы) определяется по формуле

Эта формула справедлива только при условии, что переключение с отказавшего основного элемента на резервный (ручное или автоматическое) абсолютно надежно. При этом вероятность отказа системы в 2 раза ниже, чем при постоянном резервировании. Однако если переключение недостаточно надежно, то выигрыш в надежности системы может быть легко потерян.

Надежность в период нормальной эксплуатации системы при резервировании с постоянно подключенным резервным элементом, работающим до отказа основного элемента в облегченном режиме (см. рис. 16, а), когда основной элемент имеет интенсивность отказов а резервный - рассчитывается по формуле

Пример.

Система состоит из двух основных элементов, соединенных последовательно. Интенсивность отказов этих элементов равна соответственно

В целях повышения надежности решено произвести резервирование рабочих элементов такими же элементами.

Для периода нормальной эксплуатации при наработке 100 ч определить, как изменится надежность системы при следующих вариантах резервирования:

-общее горячее резервирование;

-поэлементное горячее резервирование;

-общее холодное резервирование;

-поэлементное холодное резервирование;

39

- общее резервирование с постоянным подключением элементов, работающих в облегченном режиме (интенсивности отказов резервных элементов в рабочем режиме соответственно

1. Определим вероятность безотказной работы и вероятность отказа основных элементов системы.

Так как

то можно записать

2.Определим вероятность безотказной работы основной системы:

3.Определим вероятность безотказной работы системы с общим горячим резервированием:

4.Определим вероятность безотказной работы системы с поэлементным горячим резервированием:

5.Определим вероятность безотказной работы системы с общим холодным резервированием:

6.Определим вероятность безотказной работы системы с поэлементным холодным резервированием:

7.Определим вероятность безотказной работы системы при резервировании с постоянно подключенным резервным элементом, работающим до отказа основного в облегченном режиме:

8.Итоги расчетов представим в следующем виде:

Лекция 11

НАДЕЖНОСТЬ ТОРМОЗНОЙ СИСТЕМЫ АВТОМОБИЛЯ

Требование надежности, тормозной системы автомобиля возникло сразу же после первого выезда первого автомобиля, который закончился аварией - подвели тормоза.

40