§ 2.5. Методы повышения надежности систем

Для создания систем с заданной степенью надежности в процессе проектирования используются следующие методы:

резервирование (дублирование);

упрощение систем с целью снижения интенсивности отказов и самих отказов;

выбор наиболее надежного оборудования, у которого мин;

возможность создания систем с ограниченными последствиями отказа, при которых значение расчетных параметров не будет резко отличаться от формулировки отказа;

обеспечение режимов работы [косвенно - снижение ];

контроль за основными рабочими параметрами в процессе эксплуатации системы.

Резервирование. Под резервированием понимается применение определенных средств и возможностей с целью обеспечения работоспособности объекта при отказе. В системах с резервированием выделяют основной и резервный элементы: первый представляет собой элемент структуры объекта, отказ которого при отсутствии резервирования приводит к потере работоспособности объекта, второй - элемент, предназначенный для обеспечения работоспособности объекта в случае отказа основного элемента.

Различают общее и раздельное резервирование: общим называют метод повышения надежности, при котором резервируется объект (система) в целом, раздельным - метод резервирования отдельных элементов для системы, изделия (рис.2.8).

Рис.2.8. Виды резервирования

а - общее; б - раздельное; в - постоянное; г - замещением

Для характеристики резервирования применяется такое понятие, как кратность резервирования: отношение числа резервных агрегатов к числу резервируемых (основных). Кратность резервирования может быть целой и дробной. При резервировании с целой кратностью есть целое число, с дробной - есть дробное несокращаемое число. Например, = 4/2 означает наличие четырех резервных агрегатов и двух рабочих. При сокращении = 2 означает, что резервирование уже является целой кратностью, при которой число резервных элементов равно двум, а общее число элементов равно трем.

Резервирование разделяется на постоянное и резервирование замещением. При постоянном резервировании резервные образцы подключены к основным в течение всего времени работы и находятся в одинаковом с ними режиме. При резервировании замещением резервные изделия замещают основные после их отказа.

Более полная классификация способов резервирования приведена в табл.2.6.

Таблица 2.6

Классификация способов резервирования

#G0Способ резервирования	Определение способа резервирования
По характеристике резерва
Нагруженный	Один или несколько резервных элементов находятся в том же режиме, что и основной элемент
Облегченный	Один или несколько резервных элементов находятся в менее нагруженном режиме, чем основной элемент
Ненагруженный	Один или несколько резервных элементов практически не несут нагрузки
Восстанавливаемый	Один или несколько резервных элементов, работоспособность которых в случае их отказа восстанавливается
Невосстанавливаемый	Один или несколько резервных элементов, работоспособность которых в случае их отказа не восстанавливается
По виду резервирования
Общее	Резервирование, при котором резервируется вся система в целом
Раздельное	Резервирование, при котором резервируются отдельные элементы системы
Постоянное	Резервирование без перестройки структуры системы при возникновении отказа одного из его элементов
Динамическое	Резервирование с перестройкой структуры системы при возникновении отказа одного из его элементов
Замещением	Динамическое резервирование, при котором функции основного элемента передаются связанному с ним резервному только после отказа основного элемента
Скользящее	Резервирование замещением, при котором один или несколько резервных элементов могут заменить любой отказавший основной элемент
Гибридное	Резервирование, предусматривающее сочетание различных видов резервирования в одной системе
Частичное	Резервирование, предусматривающее сохранение работоспособности системы не при всяких отказах любого элемента
Полное	Резервирование, предусматривающее сохранение работоспособности системы при любом отказе любого элемента

При резервировании вероятность безотказной работы элементов или в целом всей системы повышается. Повышение зависит от способа и характера резервирования. Ниже приводятся несколько расчетных формул для расчета характеристик надежности невосстанавливаемых образцов при основном соединении элементов, под которым понимается отказ технического устройства при отказе одного из его элементов. При расчете надежности таких устройств предполагается, что отказ элемента является событием случайным и независимым.

Общее резервирование с постоянно включенным резервом и с целой кратностью (см. рис.2.8):

(2.39)

где - вероятность безотказной работы -го элемента в течение времени - число элементов основной или любой резервной цепи; - кратность резервирования.

При экспоненциальном законе надежности

(2.40)

(2.41)

где - интенсивность отказов нерезервированной системы.

Раздельное резервирование с постоянно включенным резервом и с целой кратностью (см. рис.2.8, б, в) при экспоненциальном законе надежности и ненагруженном состоянии резерва:

(2.42)

или

(2.43)

(2.44)

где - порядковый номер элемента.

Общее резервирование замещением с целой кратностью (рис.2.8, а, г):

(2.45)

(2.46)

где - интенсивность отказов и средняя наработка до первого отказа основного (нерезервированного) устройства.

Раздельное резервирование замещением с целой кратностью (рис.2.8, в, г):

(2.47)

где - вероятность безотказной работы системы из-за отказов элементов -го типа, резервированных по способу замещения; вычисляется по формулам общего резервирования замещением формул (2.45) и (2.46).

Общее резервирование с дробной кратностью и постоянно включенным резервом (рис.2.8, а, в):

(2.48)

(2.49)

где - вероятность безотказной работы основного или любого резервного элемента; - общее число основных и резервных систем; - число систем, необходимых для нормальной работы резервированной системы; - число сочетаний из образцов по . В данном случае кратность резервирования .

Пример 3. Исходные данные из примера 2.

Требуется определить вероятность безотказной работы с постоянно включенным резервом и с целой кратностью = 1 при = 8000 ч:

Данные по расчету надежностных характеристик восстанавливаемого оборудования здесь не приводятся: эти данные достаточно подробно рассмотрены в работе [6].

Упрощение системы. Вероятность безотказной работы системы равна произведению вероятностей безотказной работы ее элементов:

(2.50)

Из формулы (2.50) следует, что произведение будет тем больше, чем меньше элементов ( < 1). Следовательно, снижение числа устройств приводит к повышению надежности.

Выбор наиболее надежного оборудования. Более надежное оборудование имеет меньшие значения . В этом случае наработка до первого отказа будет большей у устройств, у которых будет наименьшей.

Возможность создания систем с ограниченными последствиями отказа. Постановка вопроса говорит сама за себя: разрыв водопровода в городских условиях приносит больший ущерб, чем авария на водоводе, расположенном вне городских территорий.

Облегчение режимов работы. Износ элементов происходит при форсированных режимах значительно быстрее, чем износ их при нормальных эксплуатационных режимах при выпуске, например, одного и того же объема продукции. Следовательно, для увеличения сроков работы сооружений должен быть всегда выявлен оптимальный режим эксплуатации.

Контроль за основными параметрами в процессе эксплуатации системы. Любое отклонение от эксплуатационного режима ведет к нарушению работы не только отдельного элемента, но и всей системы в целом. Например, избыток или недостаток коагулянта приводит к получению некачественной воды. Контроль должен осуществляться не только путем осмотров и снятия показаний приборов, но и путем накопления статистического материала по работе всех видов оборудования.