Konspekt_OTN

Оглавление Лекция №1 Основные понятия и определения………………………

Лекция №2 Невосстанавливаемые объекты………………………….

Лекция №3 Модель отказа нагрузка и прочность - случайные величины Лекция №4 Модель отказа нагрузка и прочность – процессы………

Лекция №5 Модель отказа параметр поля допуска…………………...

Лекция №6 Модель отказов с марковской аппроксимацией параметра

Лекция №7 Модель процесса изменения параметра в виде цепи Маркова………………………………………………………

Лекция №8 Восстанавливаемые объекты……………………………….

Лекция№9 Объекты с различным временем восстановления…………

Лекция№10 Расчет структурной надежности систем……………………

Лекция№11 Преобразование сложных структур………………………..

Лекция№12 Резервированные объекты (часть1)…………………………

Лекция№13 Резервированные объекты (часть2)………………………….

Лекция№14 Скользящее резервирование………………………………….

Лекция№15 Резервирование по нагрузке………………………………….

Лекция№16 Резервированные восстанавливаемые объекты……………..

3

Лекция №1

1.ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

1.1.Понятия теории надежности

Всоответствии с ГОСТ 27.002-89 ниже приводится ряд определений: Надежность - свойство объекта сохранять во времени в установлен-

ных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования.

Безотказность - свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки.

Долговечность - свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

Ремонтопригодность - свойство объекта, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонта.

Сохраняемость - свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способности объекта выполнять требуемые функции, в течение и после хранения и (или) транспортирования.

Исправное состояние (исправность) - состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.

Работоспособное состояние (работоспособность) - состояние объек-

та, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно технической и (или) конструкторской (проектной) документации.

Предельное состояние - состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна, либо восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно.

Повреждение - событие, заключающееся в нарушении исправного состояния объекта при сохранении его работоспособного состояния.

Отказ - событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта.

Внезапный отказ - отказ, характеризующийся скачкообразным изменением значений одного или нескольких параметров объекта.

Постепенный отказ - отказ, возникающий в результате постепенного изменения одного или нескольких параметров объекта.

Независимый отказ - отказ, не обусловленный другими отказами.

4

Перемежающийся отказ - многократно возникающий самоустраняющийся отказ одного и того же характера.

В теории надежности часто применяют понятия система и элемент, невосстанавливаемый и восстанавливаемый объект.

Система - объект, представляющий собой совокупность элементов, взаимодействующих в процессе выполнения определенного круга задач и взаимосвязанных функционально.

Элемент - объект, представляющий собой простейшую часть системы, отдельные части которого не представляют самостоятельного интереса в рамках конкретного рассмотрения.

Понятия системы и элемента относительны: объект, считающийся системой в одном исследовании, может рассматриваться как элемент, если изучается объект большего масштаба. Например, при расчете надежности системы электроснабжения участка электрической железной дороги тяговая подстанция представлена как элемент и, наоборот, при рассмотрении надежности подстанции ее рассматривают как систему.

Невосстанавливаемый (восстанавливаемый) объект - объект, для ко-

торого в рассматриваемой ситуации проведение восстановления работоспособного состояния не предусмотрено в нормативно технической и (или) конструкторской (проектной) документацией.

Пример: невосстанавливаемый объект - диодный вентиль входит в состав восстанавливаемого объекта - выпрямительного агрегата.

1.2. Подходы к расчетам надежности

Различают два подхода к расчетам надежности: параметрический и непараметрический.

Параметрический подход основан на использовании моделей отказов нагрузка - прочность и параметр - поле допуска. Применение таких моделей возможно тогда, когда имеется информация о закономерностях распределений и процессов изменений прочности или определяющих параметров объектов, а также параметров нагрузок или допустимых значений параметров. Параметрический подход более точен, чем непараметрический, однако расчет при параметрическом подходе сложнее. Например, параметрический подход может быть использован при расчете вероятности отказа (обрыва) контактных проводов по износу. В этом случае степень износа контактного провода можно принять в качестве параметра, определяющего прочность. Допустимое значение износа, при котором провод обрывается, будет границей поля допуска.

5

При непараметрическом подходе используют информацию только о моментах отказов технических объектов. Понятно, что ограничение информации о состоянии объектов приводит к снижению точности расчетов. В настоящее время для значительной части устройств электроснабжения из-за недостатка знаний о закономерностях изменения их параметров расчет надежности может быть выполнен только таким способом.

Принято выделять три уровня исследований надежности.

Первый уровень - объект рассматривается как черный ящик, характеристика состояний которого - отказ и исправное. Для получения показателей надежности такого объекта всякий раз испытания необходимо проводить заново. Оценки показателей надежности при таком способе их определения наиболее достоверны, т. к. получены при испытании именно этого объекта. Если бы такой уровень исследований применялся при определении показателей надежности тяговой подстанции это потребовало бы больших затрат времени и материальных средств. Практически такой подход означал бы, что подстанцию нужно включить и в рабочем режиме продержать достаточно долго, чтобы проявились все закономерности отказов. В то же время полученные показатели надежности нельзя было бы распространить на другие подстанции из-за имеющихся различий в конструкции, сроках службы, параметрах нагрузок и т. д. Понятно, что такой подход применим только к недорогим и несложным объектам, не имеющим различий в конструкции и условиях функционирования.

Второй уровень - объект рассматривается как система, состоящая из отдельных элементов. Состояние каждого элемента может быть отказ или исправное. Надежность всего объекта (системы) рассчитывается на основании надежности отдельных элементов. Преимущества такого подхода заключаются в возможности расчета надежности нового объекта без проведения его испытаний. Например, вновь спроектировано и изготовлено устройство релейной защиты. Элементная база такого устройства содержит перечень типовых элементов (микросхем, транзисторов, диодов и т. д.). Показатели надежности таких элементов известны из справочной литературы. На основе известных показателей надежности всех элементов рассчитывается надежность устройства релейной защиты. При внесении в схему устройства каких - либо изменений расчет можно повторить и получить уточненные показатели надежности.

Третий уровень - у каждого элемента, входящего в объект, рассматриваются процессы изменений параметров, и на их основе находятся закономерности изменения параметров всего объекта. А уже по этим закономерностям рассчитываются показатели надежности объекта. Такой подход позволяет получить более точные оценки показателей надежности, так как он учитывает закономерности изменения параметров и нагрузок. Расчеты получаются достаточно сложными и требуют большой объем исходной информации

6

об объекте. В настоящее время такой подход используется в расчетах надежности авиакосмической техники; для устройств электроснабжения транспорта он мало разработан.

Различают также два вида расчета надежности - структурный и функциональный. Структурный расчет надежности не учитывает степень влияния отказа на работоспособность объекта. Любой отказ объекта одинаково влияет на показатели надежности. Такой расчет проще, однако не отражает влияния надежности на потребительские качества объекта и на процесс коммерческой эксплуатации. Например, обрыв струны в цепной подвеске и падение опоры с подвеской одинаково квалифицируются как отказ контактной сети. Понятно, что если в первом случае возможен пропуск локомотивов с опущенным токоприемником, то во втором случае движение вообще невозможно.

Расчет функциональной надежности предполагает расчет надежности выполнения заданных функций объекта. Такой расчет наиболее полно показывает влияние надежности на потребительские качества объекта и учитывает не только полные, но и множество частичных отказов. Например, система электроснабжения должна обеспечивать уровень напряжения на шинах в пределах 2700 - 3850 В. Но из-за отказа системы регулирования напряжение колеблется в зависимости от нагрузки в пределах 2500 - 4000 В. Это приведет к ухудшению условий движения локомотивов, однако движение не прекратится. Система электроснабжения в этом случае будет выполнять свои функции с понижением показателей качества функционирования.

1.3.Этапы формирования надежности объекта

Существует понятие жизненного цикла технического объекта, который

включает в себя следующие этапы:
1этап включает:
а) маркетинг
б)	проектирование	и	разработка	технических

требований, разработка продукции; в) материально - техническое снабжение;

г) подготовка и разработка производственных процессов д) производство

2 этап включает:

а) производство; б) контроль, проведение испытаний;

в) упаковка и хранение; г) реализация и распределение; д) монтаж;

7

3 этап включает:

а) эксплуатация, техническое обслуживание; б) утилизация после использования

В соответствии с ними различают три этапа формирования надежности объекта: проектирование, изготовление (монтаж) и эксплуатация. По дан-

ным Консультативной группы по вопросам надежности радиоэлектронной аппаратуры (AGREE) стоимость неустраненной ошибки, которая на этапе исследований составляет 1 $, увеличивается на этапе проектирования до 10 $, изготовления 100 $ и эксплуатации 1000 $.

Неглубокая проработка технического задания является одной из причин возникновения ошибок конструкторов. Допущенные на стадии проектирования принципиальные просчеты не могут быть компенсированы на стадии производства.

Например, в одном из тоннелей электрифицированной дороги расчет подвески контактных проводов был выполнен неверно. Это привело к тому, что при температуре воздуха + 30 С, при проходе поезда с предельным габаритом груза 5300 мм возникла дуга и пожар. Поезд остановился в тоннеле, сгорело семь платформ с дорогостоящим грузом. За три месяца до аварии по участку проходил вагон-лаборатория, температура воздуха была – 30 С, высота подвеса контактных проводов составляла 5700 мм.

Структура проектируемого объекта должна иметь возможно меньше последовательно (по надежности) соединенных элементов и возможно больше параллельных соединений. Надежность системы всегда будет меньше надежности наименее надежного элемента, включенного последовательно.

При проектировании необходимо учитывать процессы изготовления и монтажа. Обязательно уделять внимание контроле- и ремонтопригодности объектов. Например, при разработке железобетонных опор контактной сети мало внимания уделялось их контролепригодности. В результате, когда проявились процессы коррозии арматуры и потребовалась диагностика, возникли серьезные проблемы. Аппаратура диагностики разрабатывалась после установки большого числа опор, имеющих низкую контролепригодность. Это потребовало усложнения аппаратуры и методов измерения, а также снизило достоверность контроля. В частности, для подключения электродов аппаратуры диагностики к арматуре опоры необходимо долбить защитный слой бетона. В новых конструкциях опор этот недостаток исправлен, сделан специальный отвод от арматуры для подключения к приборам диагностики. Но и здесь имеется пример плохой проработки вопросов контролепригодности. Опоры просто "приспособили" к уже имеющейся аппаратуре, которая, в свою очередь, разрабатывалась для "неприспособленных" опор. Правильней проблему контролепригодности было бы решать в комплексе. Вначале рассмотреть все возможные способы диагностики, выбрать наиболее эффективные и

8

внести изменения в конструкцию опоры. Например, это могут быть специальные отверстия для помещения внутрь опоры датчиков и т. д.

Ошибки, допущенные при изготовлении и монтаже, приводят к преждевременным отказам объектов. Надежность объекта на этапе изготовления и монтажа определяется качеством изготовления деталей, качеством сборки и методом испытаний. Например, японские фирмы считают, что нет смысла контролировать качество выпускаемой продукции. Количество людей, занятых контролем качества в Японии, составляет 1,5 % от числа работающих. В отечественной промышленности этот показатель составляет 10 %. Уровень дефектности в промышленности Японии составляет один объект на миллион изготовленных.

Ошибки монтажа и дефекты изготовления также оказывают влияние и на надежность устройств электроснабжения. Например, в течение продолжительного времени встречался заводской дефект литья струновых зажимов в виде раковин в металле. Как следствие, часто зажимы ломались и струны провисали, что нередко приводило к поломке токоприемников. Случаются ошибки и при монтаже. Например, на одном из вновь электрифицированных участков высота подвески контактного провода на целом перегоне была установлена более 7 м. Бригада, монтировавшая подвеску, измеряла высоту подвеса проводов не от уровня головок рельсов (как требуется), а от каретки изолирующей вышки. Но бригада на этом перегоне работала не со своей, а с другой изолированной вышкой, которая имела другую высоту. В результате электровоз не смог бы "дотянуться" токоприемником до контактного провода. На этом же участке струновой зажим из-за спешки был установлен в обхват контактного провода. При первой же поездке по участку токоприемник был сломан.

На этапе эксплуатации надежность объекта поддерживается своевременным проведением регулировок, замен отдельных элементов. На этом этапе надежность объекта формируется за счет проведения мероприятий по техническому обслуживанию.

Объект в целом должен применяться только по назначению, нагрузки не должны превышать допустимых. Например, на одном из электрифицированных участков было принято решение о подвешивании дополнительных усиливающих проводов на опоры контактной сети. Участок был электрифицирован много лет назад, и из-за увеличения размеров движения и веса поездов уровень напряжения в контактной сети снизился. Металлические опоры были исправны, но они не предназначались для подвеса такого количества усиливающих проводов. В результате, вскоре после подвески новых проводов, зимой, в ночное время, когда температура снизилась, при проходе пассажирского поезда несколько опор разрушилось.

9

1.4. Особенности расчета надежности устройств

системы электроснабжения

Система электроснабжения электрифицированных железных дорог содержит различные устройства, имеющие особенности конструкции и функционирования. Эти особенности приводят к различиям в определении их надежности.

Система электроснабжения состоит из трех подсистем, имеющих различное функциональное назначение. Это устройства преобразования, переда-

чи энергии, защиты и управления.

Каждая подсистема характеризуется своим видом преобладающих нагрузок. Для части объектов это прежде всего токовые нагрузки, для другой части - нагрузки от уровня напряжения. Большая группа объектов испытывает помимо нагрузок от тока и напряжения также и механические нагрузки, а контактная сеть еще и нагрузки от токосъема. Различна степень влияния метеоусловий. Аппаратура, расположенная на открытых частях распределительных устройств, больше подвержена климатическим воздействиям, чем находящаяся внутри помещений тяговых подстанций. Контактная сеть и воздушные линии электропередач вообще целиком расположены под открытым небом. Кабельные линии страдают из-за коррозии как почвенной, так и вы-

званной блуждающими токами.

Устройства электроснабжения в разной степени подвержены загрязнениям как промышленным (в том числе и от перевозимых грузов), так и природным.

Различна степень структурной сложности. Например, устройства управления и защиты имеют высокую структурную сложность, большое число различных соединений.

Большие различия имеются в уровнях сигналов, величине рабочих токов и напряжений. В разных распределительных устройствах подстанций уровни токов и напряжений различаются на порядки. В одних решающее значение будут иметь нагрузки от тока, в других - от напряжения. Сигналы в цепях управления и защиты невелики по амплитуде, и здесь возникает проблема мешающих влияний.

Для части элементов системы электроснабжения преобладающим является отказ типа "обрыв", как электрический, так и механический. Это, прежде всего, различные проводники, шины, провода. Для другой части характерен отказ типа "короткое замыкание", например, для изоляции. Для третьей части имеют значение оба типа отказов. Например, полупроводниковый вентиль может выйти из строя как из-за обрыва, так и из-за пробоя.

10

Различия в конструкциях, выполняемых функциях и нагрузках приводят к преобладанию износовых (постепенных) или внезапных (случайных) отказов. Например, для мощных трансформаторов преобладающими являются износовые процессы.

Сами процессы износов, разрегулировок также различны. Для некоторых устройств это монотонные процессы ухудшения параметров, например, из-за загрязнения и старения изоляции, или механического износа. Для других устройств это случайные блуждания параметра, например, разрегулировка зигзагов.

Различна степень обеспеченности резервом. Например, на тяговых подстанциях все основное оборудование имеет тот или иной вид резервирования. Контактная сеть резерва не имеет.

Важной особенностью устройств электроснабжения является их различная степень распределенности в пространстве. Если оборудование тяговых подстанций расположено компактно, то линии электропередач и контактная сеть распределены на достаточно протяженных участках пространства.

Все перечисленные особенности влияют на выбор методов и подходов для определения надежности устройств электроснабжения. Специалист, занимающийся расчетом надежности систем электроснабжения, должен владеть всеми самыми разнообразными методами расчетов.

Лекция №2

2.НЕВОССТАНАВЛИВАЕМЫЕ ОБЪЕКТЫ

Кневосстанавливаемым объектам относятся, например, следующие элементы: конденсаторы, резисторы, транзисторы, микросхемы и полупроводниковые вентили. Это те объекты, ремонт и восстановление которых либо невозможны, либо экономически неоправданны. Поэтому жизненный цикл такого объекта заканчивается в момент отказа.

2.1.Показатели надежности невосстанавливаемых объектов

Для оценки надежности невосстанавливаемых объектов используют вероятностные характеристики случайной величины - наработки объекта до отказа. Под наработкой понимают продолжительность или объем работы объекта, измеряемые в часах, циклах или других единицах. Например, это

11

могут быть километры пробега, число киловатт - часов переработанной электроэнергии, число проходов электрического подвижного состава. Когда наработку до отказа выражают в единицах времени, то используют термин время безотказной работы.

Основными показателями надежности невосстанавливаемых объектов являются:

функция надежности (вероятность безотказной работы);

функция ненадежности (вероятность отказа);

плотность распределения наработки до отказа;

интенсивность отказов;

вероятность безотказной работы в течение заданного интервала наработки;

средняя наработка до отказа.

2.1.1 Функция надежности

Функцией надежности называют вероятность того, что случайная величина наработки до отказа будет не менее заданной наработки, отсчитываемой от начала эксплуатации.

F(t) P(T t),

(1.1)

где Т - случайная величина наработки до отказа; t - заданная наработка.

Свойства функции надежности: F(0) = 1;

F(t) - монотонно убывающая функция наработки t;

lim F(t) 0, т. е. любой объект со временем откажет. t

2.1.2. Функция ненадежности

Функцией ненадежности называют вероятность отказа объекта на интервале (0, t). Функция ненадежности является интегральной функцией распределения случайной величины наработки до отказа:

Q(t) P(T t) 1 F(t) .

(1.2)

12