5.2 Методы обеспечения и повышения надежности техники в процессе проектирования.

Будем разрабатывать методы, решая конкретную задачу.

Пусть проектируемая система состоит из n=1350 элементов, средняя интенсивность отказов которых λ=1,2∙10^-6 час^-1. Система предназначена для длительной эксплуатации. Требованием на ее надежность является P(250) 0,97. Предположим, что справедлив экспоненциальный закон распределения времени до отказа. Тогда вероятность безотказной работы системы (если не принимать мер по ее повышению) будет иметь значение:

Надежность системы низкая, она не соответствует требованию. Какие же методы повышения надежности следует использовать для удовлетворения требований?

Обратимся к функции надежности =. Так как система не восстанавливаема и не резервирована, то . Тогда вероятность безотказной работы системы будет обеспечена при условии: или .

Обеспечить это условие можно, если n, λ, t будут иметь, при прочих равных условиях, значения:

Из этих расчетов видно, что упрощение системы, повышение надежности элементов или сокращение времени непрерывной работы системы не могут обеспечить необходимую вероятность безотказной работы, т. к. из 100 элементов вместо 1350 создать систему невозможно, уменьшить на порядок интенсивность отказов всех элементов нельзя, сократить время работы системы с 250 до 18,5 часов невозможно по техническим условиям. Какой же выход? Применение избыточности в процессе проектирования – единственный способ обеспечения требуемой надежности. Для нашей системы это использование нагрузочной или структурной избыточности.

Если средняя интенсивность отказа элементов, приведенная в условии задачи, относится к номинальным нагрузкам, то теоретически путем облегчения режимов работы интенсивность можно уменьшить на порядок (режим хранения). Тогда при λ=1,2∙10^-7 час^-1 вероятность безотказной работы системы будет:

Вероятность безотказной работы не удовлетворяет требованиям даже в режиме хранения.

Применим структурное резервирование. При постоянном включении резерва . Так как ,а , то

или

При резервировании замещением и m=1

при m =2

Таким образом, для обеспечения вероятности безотказной работы системы необходимо применить резервирование замещением кратности .

Из этого краткого примера видно, что такие методы, как упрощение системы (уменьшение числа элементов) и сокращение времени непрерывной работы мало эффективны. Только благодаря применению резервирования удалось обеспечить требования на надежность системы.

При этом увеличение вероятности безотказной работы с 0,667 до 0,992 стоит слишком дорого. К основной системе нужно прибавить две резервные. Стоимость, вес, габариты возросли в 3 раза.

Из примера следует, что для повышения надежности системы целесообразно подходить комплексно и одновременно использовать многие методы повышения надежности. В нашем примере это может быть одновременное применение нагрузочного и структурного резервирования. Пусть, например, в результате облегчения режимов работы элементов удалось уменьшить среднюю интенсивность отказов элементов в 2 раза.

Тогда вероятность безотказной работы системы будет:

.

Применим теперь общее резервирование с постоянно включенным резервом кратности m = 1. Тогда

Теперь требования удовлетворены при меньшей кратности резервирования и более простой его реализации (постоянно включенный резерв).

Пусть теперь анализируемая система является восстанавливаемой со средним временем восстановления Т_в=55 час, а коэффициент готовности должен удовлетворять условию: К_г>0,97. Необходимо разработать способы обеспечения коэффициента готовности.

Первоначально вычислим коэффициент готовности системы, воспользовавшись формулой .

Исследуемая система является нерезервированной и имеет экспоненциальные законы распределения отказов и восстановления. В таких системах наработка на отказ и среднее время безотказной работы совпадают, т. е. . Тогда

Так как К_г не удовлетворяет требованиям, то будем искать пути его повышения. Для повышения надежности имеются два принципиально различных способа: повышение надежности системы путем увеличения среднего времени безотказной работы Т или повышение ремонтопригодности системы снижением среднего времени восстановления.

Пойдем по первому пути. Для обеспечения коэффициента готовности, равного 0,97, необходимо повысить среднее время безотказной работы до величины:

Тогда средняя интенсивность отказов элементов должна быть:

Для обеспечения К_г необходимо уменьшить среднюю интенсивность отказов в 3 раза. Для сложной системы длительной работы и большим чилом элементов это вряд ли можно реализовать.

Пойдем по второму пути. Повысим ремонтопригодность системы. Для обеспечения коэффициента готовности К_г>0,97 необходимо, чтобы Т=617 час среднее время восстановления было не меньше следующего значения:

Это почти в 3 раза меньше, чем получено в процессе проектирования. Повышение в 3 раза ремонтопригодности – большая техническая проблема. Для ее решения необходимо менять технологию восстановления в направлении автоматизации этого процесса, что потребует дополнительного оборудования, которое должно передаваться заказчику. Вряд ли такой способ можно реализовать на практике.

Воспользуемся структурным резервированием.

При дублировании системы с постоянно включенным резервом и одной обслуживающей бригаде коэффициент готовности определяется выражением:

В нашем случае

Подставляя это значение в формулу для , получим

Проблема обеспечения готовности системы низкой надежности и ремонтопригодности решена путем дублирования системы без увеличения числа ремонтных бригад.