книги / Надежность дизель-электрических агрегатов и их систем автоматизации
..pdfаккумуляторных батарей и батареи автоматики. Такой блок имеет необходимую для этого аппаратуру и при боры.
Дистанционный пульт управления шестижильным ка
белем соединен со |
щитом |
автоматического управления |
и содержит кнопки |
пуска |
и остановки электроагрегата, |
а также реле выбора режима управления (дистанцион ное или автоматическое). Блок вспомогательных уст ройств БВУ имеет в своем составе приборы управления
вспомогательными устройствами |
(пополнения расход |
|||
ных топливных |
баков, |
вентиляции машинного |
зала |
|
и т. п.). |
элементы |
системы |
автоматизации |
(дат |
Некоторые |
чики, исполнительные механизмы) расположены непо средственно на моноблоке дизель-генератор и провода ми соединены со щитом автоматического управления. При расчете надежности их также следует учитывать или в составе системы автоматизации, или в составе дизеля.
В 'неблочиой системе автоматизации использованы те же приборы и аппаратура, однако конструктивно они смонтированы в общем щите автоматического управле ния. Неблочная система автоматизации может быть представлена расчетной моделью, где каждый условный элемент изображает группу приборов, аппаратов и проводов, обеспечивающих выполнение той или иной технологической операции (пуск, аварийную защиту по каждому контролируемому параметру, включение на грузки, остановку и т. д.). Естественно, что на подоб ные элементы может быть разделена и система автома тизации блочного исполнения. Каждый условный эле мент или отдельный блок системы автоматизации мо жет быть, в свою очередь, представлен на расчетной модели состоящим из реальных элементов. В зависи мости от цели расчета надежности и этапа разработки, степень дробления системы автоматизации на расчетной модели может быть доведена до отдельного контакта реле.
В качестве примера на рис. 62, б показана расчет ная модель цепи аварийной защиты дизеля от пониже ния уровня воды в системе охлаждения. При срабаты вании датчика уровня воды ДУВ сигнал по соедини тельным проводам поступает на реле уровня РУВ, кото
231
рое, в свою очередь, срабатывает и включает реле аварийной защиты РОА. Последнее своим контактом, включает цепь питания соленоида нормального оста нова СО, который прекращает подачу топлива в дизель, выключая рейку топливного насоса. Электроагрегат останавливается. В данном случае элементы цепи ава рийной защиты включены последовательно. При отказе любого из них произойдет отказ всей цепи аварийной защиты, и электроагрегат может выйти из строя. При необходимости цепь аварийной защиты также может быть изображена на расчетной модели более подробно вплоть до 'отдельного контакта на протяжении; всего пути прохождения-команды: от датчика до исполнитель ного элемента.
Подобные расчетные модели могут быть составлены и для всех других цепей системы автоматизации. Знание расчетных моделей системы автоматизации электроаг регатов позволяет определять их надежность, пользуясь методами и расчетными формулами, указанными в гл. III. Следует указать, что для выполнения таких рас четов необходимо также знать характеристики надеж ности всех элементов, входящих в состав системы авто матизации и влияющих на ее надежность. И чем точнее определены эти характеристики, тем выше будут ре зультаты расчета надежности электроагрегатов.
§ 25. ХАРАКТЕР РАСЧЕТОВ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ
АВТОМАТИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОАГРЕГАТОВ НА РАЗЛИЧНЫХ ЭТАПАХ
ИХ РАЗРАБОТКИ
Предварительные замечания. Инженерные расчеты надежности электроагрегатов и составляющих их узлов и систем следует применять при разработке новых ти пов электроагрегатов и их узлов, причем, в зависимости от этапа разработки, нужно использовать тот или иной метод расчета. Расчету на надежность должен предше ствовать выбор элементов с точки зрения удовлетворе ния ими всех основных условий работы в составе элек троагрегатов. Если электроагрегат или отдельный его узел спроектирован так, что какое-либо из этих основ ных требований не удовлетворяется, то нет смысла и рассчитывать на надежность. В этом случае необходимо внести в состав и конструктивное исполнение узлов или
232
электроагрегата в целом изменения, которые бы низво дили обеспечить требуемые характеристики, и только после этого приступить к расчету надежности.
Анализ создания новых источников электропитания в специализированных конструкторских бюро и некото рых научно-исследовательских институтах промышлен ности показывает, что при разработке электроагрегатов и их систем автоматизации целесообразно проводить приближенный и окончательный расчеты на надежность.
Это также подтверждает опыт, имеющийся в других отраслях техники (например, в радиоэлектронике), где инженерные методы расчета уже нашли значительное распространение. В радиоэлектронике находит приме
нение еще и так называемый прикидочный метод рас чета. Однако ом в основном применим лишь к таким устройствам, в которых имеется небольшая номенкла тура входящих в них элементов. Этот вид расчета мож но применять на начальной стадии разработки изделия (например, при согласовании требований по надеж ности, заложенных в техническом задании).
Рассмотрим кратко методику расчета систем автома тизации электроагрегатов по каждому из рекомендуе мых методов.
Приближенный расчет надежности. При таком ме тоде расчета надежности систем автоматизации электроагрегатов и их основных узлов учитывают за висимость надежности от количества и типов используе мых в них элементов. При этом принимают следующие допущения:
все элементы работают в номинальном режиме, пре дусмотренном техническими условиями;
интенсивность отказов всех типов элементов не зави сит от времени, т. е. Л0ДО =Л03= const;
все элементы работают одновременно; элементы данного типа равнонадежны.
Для приближенного расчета надежности системы ав томатизации электроагрегата необходимо знать типы применяемых в ней элементов, количество элементов каждого типа, величину интенсивности отказов l 0j эле ментов, а также способы их соединения в 1электроагрегате (расчетную модель). Расчет надежности следует про водить последовательно, начиная от простых и переходя к более сложным узлам ii блокам.
233
Расчет целесообразно оформлять в виде таблицы, где для каждого типа элементов указывать минималь ные и максимальные значения интенсивностей отказов, а также количество элементов каждого типа. При отсут ствии таких данных пользуются ‘средними значениями интенсивностей отказов. Затем определяют суммарную величину интенсивностей отказов узлов, блоков to систе
мы ‘автоматизации в целом и, |
пользуясь формулами, |
|
приведенными в гл. III, рассчитывают вероятность без |
||
отказной работы за |
различное |
время эксплуатации. |
По этим данным |
строят график зависимости 'макси |
мальных и минимальных значений вероятности безот казной работы Р0 от времени t Полученные значения сравнивают с заданными в технических требованиях или техническом задании величинами надежности и делают вывод. Если расчетная надежность оказалась ниже за данной, то ее повышают подбором более надежных эле ментов, применением их резервирования, 'созданием бо лее облегченных режимов работы элементов или други ми возможными способами. В 'гл. IV уже отмечалось, что при обеспечении надежности электроагрегатов в хо де проектирования никогда нельзя ограничиться лишь одной какой-либо мерой повышения надежности. Наи более ощутимый 1результат получается при комбиниро ванном применении этих методов. После проведения по добных мероприятий вновь рассчитывают надежность узла или системы в целом. И если результат удовлетво рительный, т. 'е. полученная величина надежности 'равна или выше заданной, то предварительный расчет Ьадежности на этом заканчивают. В противном случае вновь изыскивают пути повышения надежности, и расчет по вторяют !до получения .удовлетворительных результатов.
Приближенный расчет надежности электроагрегатов целесообразно проводить на 'этапе эскизно-технического проектирования, когда определяют состав электроагре гата и выбирают основные 'его элементы, а также ‘прово дят конструктивно-компоновочную проработку электро агрегата и обеспечивает выполнение требований по ос новным техническим параметрам. Этот вид расчета по зволяет провести сравнительную 'оценку надежности раз рабатываемых вариантов 'электроагрегатов 'или его от дельных узлов и выбрать наиболее оптимальный. Одна ко следует помнить, что приближенный расчет не обеспе
234
чивает достаточной точности, так как не .учитывает дей ствительные режимы работы и величину нагрузки эле ментов электроагрегатов.
В качестве примера 'сделаем приближенный рас чет надежности щитов Автоматического управления элек троагрегатов АСДА, выполненных по второй степени ав томатизации. Как известно, указанный щит автоматиче ского управления ЩАУ2 состоит из трех блоков: блока автоматизации JBA2, зарядного блока Б32 и пульта ди станционного управления ДПУ. В соответствии с прин ципиальной электрической схемой системы автоматиза ции и анализом технологических функций, выполняемых ею, определим те элементы .ЩАУ2, которые влияют на надежность работы электроагрегата. Кроме того, отме тим, что все элементы в ЩАУ2 с точки зрения надеж ности соединены последовательно. Будем 'рассчитывать надежность ЩАУ2 поблочно. Среднее значение интен сивностей отказов Xoj элементов определим по справоч ным данным и частично экспериментально. Результаты приближенного расчета надежности блока автоматиза ции БА2 представлены в табл. 27.
Вероятность безотказной |
работы блока |
автоматиза |
|||
ции БА2 за различное время t будет составлять: | |
|||||
при t= 1 ч |
|
|
|
|
|
РОБА-2 (1) = |
e~iZXojwj = |
a - i - 2 5 .4 3 . io - s = |
0,998; |
||
при t= 150 ч |
|
|
|
|
|
Л>БА .2 (150) = |
e-m oiwl = |
е - 1 5 0 -2 5 ,13-Ю - |
0,963. |
||
Наработка на отказ блока БА2 |
|
|
|||
Т’овА-г = |
; |
1 |
= 3930 ч. |
||
2 5 , 4 3 - 1 0 - 5 |
|||||
|
|
|
|
Аналогичным методом выполнен приближенный рас чет надежности зарядного блока Б32 и пульта дистан ционного управления ДПУ. Вероятность безотказной работы блоков Б32 и ДПУ составляет соответственно:
Яобз-2 (1) = e~m o)w! е-ыг.г.ю-* в 0,999;
Родпу (1) = e -‘*xojwi = е- ы ,81-ю-5 = 0,999;
235
при t — 150 ч:
Робз-2(150) ««Н50.12.2.1О-* = 0,982;
Р одпу (150) = 6 -1 5 0 .1 .8 1 10 -6 = 0,997.
Кроме указанных блоков, система • автоматизации электроагрегатов имеет ,еще 'элементы, размещенные не посредственно на (моноблоке дизель — генератор: четыре датчика температур КР и датчик давления, реле скоро сти вращений РЦ-3, реле уровня воды РУС-3, два соле ноида остановки дизеля РС-41.
О б о з
н ач ение Э лем ен ты Тип н а р а с
четные м одели
Т а б л и ц а 27
К о л и ч е с т |
И н т е н с и в |
V |
t * |
|
н о с т ь |
||||
во Э л е - |
о т к а з а |
|||
MeHTODD |
X 10^ * |
|||
|
||||
б л о к е w . |
|
D |
Ч 1 |
Реле аварийного останова . . . . ТКЕ-53
Реле нормального останова . . . . ТКЕ-53
Реле уровня воды ТКЕ-53
Реле |
температуры |
ТКЕ-53 |
|
воды |
............... |
|
|
Реле давления масла |
ТКЕ-53 |
||
Реле скорости |
вра |
ТКЕ-53 |
|
щения ............... |
|
||
Реле воздушной за |
КМ-25 |
||
слонки ............... |
|
||
Автомат защиты се |
АЗС-5 |
||
ти ....................... |
|
|
|
Реле контроля на |
|
||
пряжения |
. . . МКУ-48С |
||
Реле включения со |
КМ-25 |
||
леноида . . . . |
|||
Реле |
включения |
ТКЕ-53 |
|
стартера . . |
. . |
||
Реле времени |
. . . |
ЭВ-142 |
|
Реле включения на |
ТКЕ-56 |
||
грузки ................ |
|
||
Реле режимное . . |
ТКЕ-56 |
||
Реле счетное |
. . . |
РС-52 |
|
Разъем |
штепсель |
ШР-32 |
|
ный |
................... |
|
|
Конденсаторы . . |
К-1-500 |
||
Сопротивления . . |
МЛТ |
АП |
I |
1,1 |
1,1 |
А12 |
1 |
1,1 |
1.1 |
А13 |
1 |
1,1 |
1,1 |
А14 |
1 |
1.1 |
1.1 |
AI5 |
1 |
1,1 |
1,1 |
AI6 |
1 |
1.1 |
1,1 |
AI7 |
1 |
1.3 |
1.3 |
AI8 |
1 |
0,6 |
0,6 |
AI9 |
1 |
1.3 |
1,3 |
AI10 |
1 |
1.3 |
1,3 |
All 1 |
1 |
1 1 |
1,1 |
AI12 |
1 |
з!б |
3,5 |
АИЗ |
1 |
1,1 |
1,1 |
AI14 |
1 |
11 |
1.1 |
А115 |
5 |
из |
6,5 |
А116 |
3 |
0.01 |
0,03 |
AI17 |
2 |
0,3 |
0,6 |
AI18 |
4 |
0,1 |
0.4 |
И тоге |
|
= 25,43-К>-* |
|
т
Выполним приближенный расчет надежности Исходя из того, что с точки зрения надежности элементы со единены последовательно. Величину интенсивностей их отказов будем приближенно считать: для датчиков — равной интенсивности отказов реле КМ-25 и МКУ-48С, для проводов и паек — соответствующей данным, при меняемым в радиоэлектронике 1,5 • 1(Н ч~\ для солено идов РС-41— 1,5-10-5 ч_ |. Для соленоидов эта величина была предварительно определена по эксперименталь ным данным. Тогда суммарная интенсивность отказов датчиков и реле РС-41 составит
liKjWj = 12,1-10-5 «И.
Суммарная интенсивность отказов проводов и паек всей системы автоматизации (ориентировочно 200 про водов и 400 паек) составит
IfrojW =200-1,5-10-8+ 400-1 - 10-е = з .ю -б +
+ 4 -10~6 = 7-10-6 ч~{.
Вероятность безотказной работы датчиков и реле РС-41, расположенных на моноблоке дизель-генератор, с учетом интенсивностей отказов проводов и паек со ставит:
при t = 1 ч
Po{\)=e~m oFi = e-i 1м - ю -5= о,999;
при t= 150 ч
Р'о (150) = |
=■■e-»eo.i2,a.io“ B= о,98. |
Вероятность безотказной работы Рол всей системы автоматизации электроагрегатов будет равна произведе
нию вероятностей всех блоков, входящих в ее состав: при t= 1 ч
Роа(1) = Роба-2 (1)-Робз-2 (1)-Родпу (1) *Ро (1) —0,999 X
X 0,999-0,999-0,999 = 0,995;
при /= 150 ч
Рол(150) = Роба-2 (150)-Робз-2 (150)-Родпу (150) X
Х Ро (150) = 0,963-0,982-0,997-0,98 = 0,921.
237
Теперь определим наработку на отказ всей системы автоматизации. Для этого найдем суммарную интенсив ность отказов Да всей системы автоматизации:
А А= 2 Л Л = 25,43-10-5 + 12,2-10“ 5 + 1,81 •10“ 5 -|-
+ 12,1 -10-5 + 0,7-10-5 = 52,24-10~5 ( ч -1).
Наработка на отказ Т0л системы автоматизации со ставит
Тол _ 1_ |
1 |
= 1911 Ч. |
ла |
52,24-10—5 |
|
|
|
Необходимо отметить, что в техническом задании ,на разработку источников электропитания требования по надежности, как правило, бывают заданы целиком к электроагрегату. Поэтому при разработке электроагре гатов задача конструктора — правильно «распределить» эту .надежность между составляющими основными ком плектующими узлами с учетом ‘их сложности, назначе ния и возможности обеспечения такой надежности. При этом конструктор может «маневрировать» величиной на дежности между узлами в пределах выполнения общих требований Но надежности электроагрегата. Если для какого-либо узла электроагрегата трудно обеспечить не обходимую для него расчетную надежность, то можно допустить некоторое ее снижение. Однако в этом слу чае надежность других узлов злектроагрегата должна быть соответственно повышена настолько, чтобы общая расчетная величина 'надежности была не менее задан ной. Наиболее оптимальным решением будет обеспече ние равнойадежности узлов, .имеющих одинаковую с точ ки зрения надежности сложность.
Сравним полученные расчетные данные с результата ми экспериментального исследования надежности систем автоматизации |электроагрегатов АСДА. Наработка на отказ системы [автоматизации этих электроагрегатов, по лученная по результатам их I эксплуатации, составила 1800 ч, что довольно хорошо совпадает с расчетными данными- С учетом объема проведенных эксперимен тальных исследований нижняя и верхняя границы сред ней наработки на отказ системы автоматизации электро агрегатов АСДА при доверительной вероятности а =0,9 будут соответственно равны 1000 и 3800 ч.
Отметим, ;что при наличии более точных показателей надежности элементов системы автоматизации и учета нижних и верхних пределов интенсивностей отказов каждого элемента можно получить нижние и верхние расчетные значения характеристик надежности системы автоматизации для наиболее удобного и полного срав нения с эксплуатационными данными. Естественно, что при разработке новых электроагрегатов и их систем ав томатизации подобное сравнение может быть проведено лишь по результатам эксплуатации .серийных электро агрегатов, которые к этому времени уже .частично уста ревают. Поэтому основным мерилом при разработке новых электроагрегатов и их систем автоматизации яв ляются требования по надежности, приведенные в техни ческом задании. Следует стремиться к тому, чтобы ниж няя расчетная граница вероятности безотказной работы электроагрегата при заданной доверительной вероятно сти ja совпадала или была выше требуемого значения надежности.
Приближенный расчет надежности может быть вы полнен подобным образом и для других комплектующих изделий и узлов, входящих в состав электроагрегата. Однако !в некоторых узлах, кроме внезапных отказов, подчиняющихся экспоненциальному закону распределе ния, возникают и изиосные отказы, особенно при дли тельной эксплуатации электроагрегатов. Эти особенно сти следует учитывать при выполнении расчетов надеж ности таких узлов.
Расчетные таблицы и номограммы. При практиче ском выполнении расчетов надежности узлов, комплек тующих изделий и систем автоматизации электроагрега тов получаются довольно громоздкие вычисления. Чем сложнее .изделия и чем ,больше элементов входит в их состав, тем .более громоздким будет расчет надежности. С целью облегчения этих расчетов пользуются таблица ми, составленными заранее для предполагаемого закона распределения отказов.
Однако и дри табличном ^методе не удается полно стью избежать математических расчетов, так как для определения вероятности безотказной работы электро агрегата по вероятностям безотказной работы входящих в него узлов .требуется перемножение этих вероятностей. А для определения средней наработки на отказ при воз-
239
Действии как внезапных, так И постепенных отказов не обходимо опять-таки пользоваться расчетными формула-
ми |
и (41) |
|
ме того, при пользовании табличным методом |
расчета необходимо «дробить» электроагрегат или си стему на относительно мелкие узлы, в которых содер жатся элементы, имеющие практически одинаковые ин тенсивности отказов A,0j, средние сроки службы T0j и их квадратические отклонения <j0j- В противном случае нельзя пользоваться расчетными таблицами, что опять приводит к необходимости выполнения расчетов.
Следует также иметь в виду, что для удовлетворения широкой номенклатуры узлов, входящих в состав элек троагрегата, требуется довольно большое количество подобных таблиц на весь диапазон параметров (Я0д Toj, a0j, W, t и т. д.), ,от которых зависит надежность изде лий. Это также не позволяет широко применять на прак тике подобные методы расчета надежности.
Табличные методы расчета можно, естественно, при менять и для определения других характеристик надеж ности, в частности, параметров ремонтопригодности. Все сказанное выше остается в силе и в этом случае.
Для полного устранения математических вычислений на стадии проведения приближенных и прикидочных расчетов надежности узлов и электроагрегата в целом целесообразно пользоваться номограммами. На рис. 63 представлена номограмма, построенная по формуле экс
поненциального закона распределения |
времени работы |
|||
электроагрегатов между отказами при t= \ ч, т. е. |
|
|||
Номограмма имеет четыре |
шкалы, |
построенные |
в |
|
логарифмическом масштабе: |
наработки на |
отказ |
Т0 |
|
левая вертикальная — шкала |
||||
в ч; |
|
|
|
|
правая вертикальная — шкала вероятности |
безотказ |
|||
ной работы Po{t) к концу первого часа работы; |
|
|
нижняя горизонтальная — шкала сложности электро агрегата, выражаемая количеством элементов W, непо средственно влияющих на надежность-
диагональ, проведенная из левого нижнего в правый верхний угол номограммы, — шкала интенсивностей от казов К0) элементов в ч-1.
240