Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Timofeeva_S_S_Nadezhnost_tekhnicheskikh_sistem_i_tekhnogenny_risk_uchebn_posobie_Irkutsk_Izd-vo_IRNITU_2015_Ch_1_141

.pdf
Скачиваний:
212
Добавлен:
13.11.2018
Размер:
2 Мб
Скачать
☆

0,111871 0,005374 0,048036

0,087884 0,004260 0,048475

0,068907 0,003364 0,048815

0,053947 0,002648 0,049079

0,042185 0,002079 0,049283

0,032958 0,001630 0,049442

0,025731 0,001275 0,049566

0,020078 0,000997 0,496620

Графическая иллюстрация результатов дана на рис. 2 и 3.

Рис. 2. Вероятность безотказной работы

Рис. 3. Интенсивность и плотность Распределения времени до отказа

Согласно (2.7), среднее время безотказной работы системы будет равно:

Пример 2.Требуется определить кратность резервирования системы с постоянным резервом, обеспечивающим вероятность безотказной работы 0,96 в течение времени t =150 час. Элементы системы равнонадежны и имеют экспоненциальное распределение со средним временем безотказной работы Т=300 час. Найти также кратность резервирования для системы, элементы которой имеют распределение Рэлея с тем же средним.

Решение: Кратность резервирования может быть определена по формуле:

где P(t) – вероятность безотказной работы элемента в течение времени t;

Pc(t)=0,96 – вероятность безотказной работы системы в течение времени t.

Для экспоненциальною распределения , где интенсивность отказа элемента..

Для распределения Рэлея , где – параметр распределения.

В течении времени t=150 час получим:

–для экспоненциального закона:

–для закона Рэлея:

Представляя значения Р1(t) и Р2(t) в формулах для кратности резервирования m, получим:

–для экспоненциального распределения:

–для распределения Рэлея:

Округляя до целых чисел в большую сторону, получим m1=3, m2=1. Таким образом, для достижения заданной надежности в первом случае потребуется 3 резервных элемента, а во втором случае – только один.

Из примера видно, что надежность системы определяется не только ее структурой и временем работы, но также законом распределения времени до отказа элементов.

Пример 3. В условиях предыдущего примера необходимо обеспечить заданную надежность системы в течении времени t=450 час.

Решение: определим вероятность безотказной работы элемента в течение времени t=450 час для экспоненциального распределения и распределения Рэлея:

Найдем кратность резервирования:

–для экспоненциального распределения:

–для распределения Рэлея:

Округление до целых чисел дает требуемую кратность m1=12, m2=17.Если система работает время t =450 час, то для достижения заданной надежности необходимо иметь 12резервных элементов в первом случае и 17 резервных элементов во втором случае.

Из расчета следует, что структурное резервирование не может обеспечить вероятность безотказной работы системы 0,96 в течение 450 часов. Кратность резервирования настолько высока, что ее практическая реализуемость вряд ли возможна.

Пример 4. Дана резервированная система с постоянным резервом кратности m, все элементы которой равнонадежны и имеют усеченный нормальный закон распределения времени до отказа с параметрами m0 = 400 час и σ0 = 200 час.

Определить все показатели надежности системы. Результаты представить в виде таблиц и графиков. Принять m = 0,1,2.

Решение: для равнонадежных элементов формулы (1)–(3) показателей надежности принимают вид:

Pc(t) = 1– (1–P(t))m+1

fc (t)=(m+1)f(t)(1–P(t)) m

λс(t) =

Плотность распределения времени до отказа и вероятность безотказной работы для усеченного нормального распределения равны соответственно:

f(t) =

P(t) =

где Ф0 (t) – функция Лапласа.

Значения вероятности безотказной работы системы Pc(t) для кратности резервирования m = 0,1,2 содержатся в табл. 2. Соответствующие графики приведены на рис. 4.

Следует иметь в виду, что при больших значениях t вероятность безотказной работы настолько мала, что нет смысла эксплуатировать систему. Таблица необходима только для иллюстрации результатов решения задачи, представления решения в графическом виде и вычисления среднего времени безотказной работы системы методом Симпсона.

Из графиков следует, что Pc(t) возрастает при увеличении кратности резервирования, причем этот эффект тем сильнее, чем меньше m.

На основе данных таблицы 2 приближенно вычислим среднее время безотказной работы системы для значений m = 0,1,2. Воспользуемся формулой Симпсона:

Т1 =

в которой шаг интегрирования примем равным h = 50 час, n = 20. Расчеты показывают, что при m= 0 Т1 ≈ 411 час, при m = 1 Т1 ≈ 518 час, при m = 2 T1≈573 час.

В табл. 3 содержатся значения плотности распределения вероятностей fc(t) для той же кратности и резервирования. Графики fc(t) приведены на рис. 5.

Пример 5. Дана резервированная система с резервом замещением кратности m = 2. Элементы системы имеют постоянную интенсивность отказа λ = 0,05, час-1. Определить вероятность безотказной работы в среде и время безотказной работы системы. Сравнить Pc(t) с постоянно включенным резервом.

Решение: по формуле (13) получим:

Pc(t) =

Рассчитанные Pc(t) при различных значениях t сведены в табл. 5. Для сравнения в таблицу помещены также значения P (t) для постоянно включенного резерва.

График вероятности безотказной работы для обоих видов резервирования показан на рис. 7.

Среднее время безотказной работы для резерва замещением по формуле(11)

равно T c=3T =3∙20=60 час. Для постоянного резерва, как было показано в примере 1, это время составляет 36,7 часа.

Порядок выполнения работы

1.Внимательно изучите теоретические положения и примеры расчетов.

2.Выполните расчеты по заданиям, приведенным ниже.

3.Подготовьте отчет.

Задание.1. Техническая система представляет собой дублированную систему с постоянно включенным резервом. Вероятность безотказной работы основной и резервной подсистем в течение t = 200 час равна 0,8. Найти вероятность безотказной работы и вероятность отказа системы в течение времени t. Найти среднее время безотказной работы системы при условии, что ее подсистемы имеют постоянную интенсивность отказа.

Задание 2.Интенсивность отказа элементов системы λ=0,0025 час-1. Требуется определить кратность резервирования системы с постоянно включенным резервом, построенную из этих элементов, которая обеспечивает среднее время безотказной работы системы Тl c=800 час.

Задание 3.Найти показатели надежности резервированной системы с постоянным резервом кратности m=3, элементы которой имеют интенсивности

отказа λ0 = 0,004 час , = 0,007 час , =0,002 час , =0,001 час .

Время непрерывной работы системы t = 120 час.

Задание 4. Определить показатели надежности мажоритарной системы, состоящей из 6 равнонадежных элементов, время до отказа которых

равномерно распределено на интервале от 0 до 1000 часов. Количество резервных элементов равно 2. Получить аналитическое и графическое представления показателей надежности системы.

Задание 5. Получить формулу для вероятности безотказной работы мажоритарной системы, состоящей из элементов разной надежности при n = 4, m = 2.

Задание 6.Интенсивность отказа одного элемента λ = 0,0035 час . Требуется определить кратность резервирования системы (резерв замещением), построенную из этих элементов, которая обеспечивает среднее время

безотказной работы системы T =800 час.

Задание 7.Найти показатели надежности P (t), Тс, (t) резервированной системы (резерв замещением) кратности m =3, элементы которой имеют

интенсивности отказа λ =0,04 час , λ = 0,07час , λ = 0,02 час , λ = 0,1 час . Решение получить в виде формул, таблиц и графиков.

Задание 8. Для резерва замещением кратности m получить формулу вероятности безотказной работы, если элементы системы равнонадежны и

имеют гамма-распределение времени до отказа с параметрами и .

Задание 9. Для резерва замещением кратности m получить формулу плотности распределения времени безотказной работы при условии, что системы равнонадежны и имеют нормальное распределение с параметрами m и ( <m/3).

Задание 10. Даны две системы со скользящим резервом. Первая система состоит из n = 7 элементов, из которых m=3 резервных. Вторая система состоит из n= 5 элементов с m = 2 резервными. Определить более надежную систему по критерию вероятности безотказной работы. Элементы обеих систем имеют

постоянную интенсивность отказа λ =0,01 час .

Задание 11. Дана последовательно-параллельная система размером 3×5 (5 элементов нерезервированной системы, 3 резервных подсистемы) с постоянно включенным резервом. Все элементы имеют одинаковую надежность, время до отказа элементов имеет распределение Рэлея с математическим ожиданием Т = 50 час. Требуется определить вероятность безотказной работы системы при общем и раздельном резервировании. Провести сравнение по критерию Pc(t). Указание: воспользоваться формулами (8) и (14).

Задание 12. Дана последовательно-параллельная система размером 3×5 (5 элементов нерезервированной системы, 3 резервных подсистемы), резервированная методом замещения. Все элементы имеют одинаковую

интенсивность отказа λ=0,02 час . Требуется определить вероятность безотказной работы системы при общем и раздельном резервировании. Провести сравнение по критерию Pc(t). Указание: воспользоваться формулами

(9) и (15).

Задание 13. Элементы резервированной системы с постоянно включенным резервом имеют распределение Вейбулла времени работы до отказа. Найти выражениедля среднего времени безотказной работы системы при кратности резервирования m = 0,1, 2, 3,4, 5. Вычислить среднее время безотказной

работы при параметрах закона распределения =2,5, = 20. Решение представить в виде таблицы.

Задание 14. Даны две системы с постоянно включенным резервом с дробной кратностью резервирования m = 1/2 и m = 2/3 соответственно. Определить показатели надежности систем Pc(t), Tc, λc(t). Решение представить в виде формул, графиков и таблиц. Известны следующие исходные данные для числового анализа: время работы системы t= 0÷500 час, среднее время безотказной работы нерезервированной системы Т=550 час, основная и все резервные системы равнонадежны и имеют экспоненциальное распределение времени до отказа.. Определить какая из систем имеет более высокие показатели надежности.

Задание 15.Даны две системы, описанные в задание 14. Определить

критическое время t , свыше которого резервирование с дробной кратностью не целесообразно. Определить значение вероятности Р(tкр). Решение получить в аналитическом и численном виде.

Задание 16. Резервированная система с постоянно включенным резервом состоит из двух подсистем, имеющих различные законы распределения

времени до отказа. Необходимо вычислить Рс(t), T , λ (t). Решение получить в аналитическом виде, в виде графиков и таблиц. Графики представить в диапазоне t = 0÷500 час. Исходные данные содержатся в табл. 6.

Таблица 6 - Сводные данные расчетных значений статистических характеристик

№ интер

Границы

Середина

Частота в

Хср· (Хср–

(Хср–

(Хср–

Час-

вала

интервала

интервала Хср

интер вале ni

ni

x)

x)2

2·ni)

тость, Pi

….

Последовательность расчетов статистических характеристик:

Составить ряд распределения.

Для упрощения расчета численных значений случайной величины разбиваются на несколько интервалов. При объеме выборки около 100 единиц рекомендуется назначать 6–10 интервалов. Ширина интервала равна

∆X=W/k, (1)

где W = Хтax – Xmjn – размах выборки;

Хтах Хmjn – максимальное и минимальное значения случайной величины в выборке;

к – число интервалов.

В колонку 2 табл. 1 записываются границы интервалов в порядке возрастания случайной величины. т. е. составляется ряд распределения.

1.2. Рассчитать среднее значение выборки

Для этого в каждом интервале определяется среднее значение интервала, подсчитывается частота ni попадания случайных величин в каждый интервал. При этом если значение попадает вне границы двух интервалов, его нужно отнести к левому интервалу.

Среднее значение выборки определяется по формуле

(2)

где Xcp i – середина i-го интервала;

ni– число случаев в i-том интервале;

–сумма значений по вертикали в колонке 5;

N – объем выборки;

к – число интервалов.

Среднее число выборки и является средней наработкой на отказ Т0.

1.3. Определить дисперсию выборки Д и среднее квадратическое отклонение

σ.

Дисперсия случайной величины характеризует ее рассеивание около математического ожидания. Для выборки объемом N дисперсия определяется по формуле

(3)

В соответствии c этой формулой для каждого интервала рассчитываетcя разность и заполняются последовательно колонки 6, 7 и 8 табл. 1. Числитель формулы 2 является суммой всех значений в колонке 8.

Среднее квадратическое отклонение равно корню квадратному из дисперсии,

(4)

Размерность среднего квадратического отклонения совпадает с размерностью случайной величины.

1.4. Рассчитать коэффициент вариации. Числовое значение коэффициента вариации

. (5)

2. Определить закон распределения наработки между отказами

Закон распределения характеризует связь между значениями случайной величины и соответствующими им вероятностями. Случайные величины, используемые для оценки показателей надежности, наиболее часто подчиняются нормальному, экспоненциальному или распределению Вейбулла.

2.1. Построить гистограмму эмпирического распределения и выдвинуть статистическую, гипотезу.

Гистограмма распределения строится по результатам расчета статистической вероятности. Статистической вероятностью является частность

Pi = ni /N, (6)

где ni – число случаев в i-ом интервале;

N – объем выборки.

Значение Р необходимо записать в колонку 9 табл. 1.

При построении гистограммы по оси абсцисс откладываются интервалы (берутся из табл. 1) и на каждом интервале строятся прямоугольники, высота которых равна Р. Масштаб по оси ординат выбирается в зависимости и от максимального значения Р.

По виду гистограммы необходимо выдвинуть статистическую гипотезу, т. е. предварительно определить закон распределения случайной величины. При этом учесть, что если коэффициент вариации V<0,33, то наиболее вероятно нормальное распределение; если К=0,33–2,00, то может быть распределение Вейбулла; если V =1,0, вероятным является экспоненциальное распределение.

2.2. Проверить статистическую гипотезу.

Правдоподобие гипотезы оценивается критериями согласия. С помощью критериев определяется – с какой вероятностью эмпирическое распределение согласуется с теоретическим, т. е. оценивается сходимостью по вероятности.

Наиболее часто применяется критерий Пирсона, который рассчитывается по формуле

(7)

где к, пi, N – см. уравнение 1 и табл. 1;

Pi – теоретическая вероятность в каждом интервале.

Предварительный анализ информации показывает, что распределение между отказами машин во всех вариантах задания близко к экспонентному. В связи с этим в данной работе предлагается оценить сходимость с экспоненциальным законом.

Таблица 2 - Между отказами машин

№ п/п xa xб λ- xa λ- xб е- λ- xa е- λ- xб Рi N · Рi ni-N·Pi (ni-N·Pi)2

…

Последовательность расчетов

1.Начертить таблицу по форме табл. 2.

2.Заполнить колонки 1, 2, 3, взяв данные из табл. 4–13.

3.Рассчитать показатель, экспоненты

4.Для каждого интервала рассчитать значения Х-ка и X-j, колонки 4 и 5 табл. 2).

5.По табл. 14 X2 значений функции ехр(-λ·х) найти значение в каждом интервале (колонки 6 и 7).

6.Рассчитать теоретическую вероятность Рi в каждом интервале (колонка 8).

7.Определить значение N–Pi для колонки 9. Произведение N·Pi является теоретическим числом случаев попадания изучаемой величины в i-й интервал.

8.Выполнить последующие расчеты и заполнить колонки 10, 11 и 12. Разность (пi – N·Pi) характеризует между опытным и теоретическим числом случаев в каждом интервале.

9.Определить значение критерия X2, суммируя результаты по всем интервалам колонки 12.

10.По критерию X2 и числу степеней свободы