Общие положения
Расчет надежности представляет собой процесс определения одной или нескольких количественных характеристик, описывающих способность системы выполнять требуемые функции в заданных условиях. Данная процедура позволяет решить несколько ключевых инженерных задач:
- Оценка надежности действующего оборудования для получения точных числовых показателей его безотказности.
- Проектирование надежности разрабатываемых систем с целью поиска оптимальной структуры и определения требований к надежности компонентов, которые обеспечат выполнение общих технических условий.
- Оптимизация стратегии восстановления для многоканальных систем, учитывая интенсивности отказов и восстановления, чтобы минимизировать простои.
Решение первых двух задач базируется на анализе структурной схемы системы с применением аналитических методов, устанавливающих связь между исходными данными и итоговыми показателями. Для третьей задачи требуется более сложный анализ, включающий построение графов состояний системы и оценку потерь производительности или информации при выходе из строя каналов передачи или отключении критического питания (например, насосов, компрессоров) в процессе восстановления.
Порядок проведения расчета надежности
Процедура расчета выполняется в несколько последовательных этапов, обеспечивающих системный подход:
- Определение понятия отказа. Четко формулируется, что считается отказом для конкретного оборудования, при этом учитываются только те элементы, чья неисправность приводит к потере работоспособности всей системы.
- Разработка расчетной схемы. Система разбивается на элементы, которыми выступают конструктивно завершенные блоки или модули.
- Выбор метода расчета. Методология выбирается с учетом требуемой точности. Достоверность результатов напрямую зависит от корректности принятых допущений (например, при оценке интенсивности отказов) и полноты учета всех факторов, влияющих на надежность.
- Составление таблицы интенсивностей отказов. На основе справочных данных и паспортной информации об элементах формируется таблица, содержащая сведения о каждом компоненте и соответствующие показатели его надежности.
- Расчет вероятности безотказной работы (ВБР). Определяется зависимость ВБР от времени работы, после чего строятся графики, наглядно демонстрирующие эту зависимость.
- Вычисление средней наработки на отказ (MTBF). Рассчитывается ключевой показатель долговечности системы.
- Определение дополнительных показателей надежности. В зависимости от специфики оборудования рассчитываются другие необходимые количественные характеристики, такие как готовность, коэффициент оперативной готовности и т.д.
Структурные схемы и виды соединений элементов
Для анализа надежности оборудование представляется в виде набора элементов, соединенных определенным образом. Выделяют три основных типа структур:
- Основное (последовательное) соединение. При таком соединении отказ любого одного элемента приводит к отказу всей системы. Это соответствует случаю, когда в системе отсутствует резерв. Важно отметить, что в структурной схеме надежности такое соединение может соответствовать как последовательному, так и параллельному соединению в электрической схеме, если выходной сигнал зависит от работы всех элементов.
- Резервное соединение. Предусматривает наличие дополнительных (резервных) элементов, предназначенных для замены вышедших из строя основных. Резервирование бывает двух видов:
- Общее резервирование: резервный блок или система дублирует всю основную систему в целом. Отказ одного или нескольких резервных элементов не приводит к немедленному отказу объекта.
- Раздельное (поэлементное) резервирование: каждый основной элемент имеет свой собственный резерв. Такой метод при прочих равных условиях обеспечивает более высокий выигрыш в надежности, особенно при большом количестве элементов и высокой кратности резервирования. Для отказа системы при раздельном резервировании должны отказать все резервные и один основной элемент в каждой дублированной цепи.
Кратность резервирования (целая или дробная) определяет соотношение резервных и основных элементов. При постоянном резервировании резервные элементы работают одновременно с основными. В случае резервирования замещением резерв активируется только после отказа основного элемента. Резервные элементы в режиме ожидания могут находиться под нагрузкой (нагруженный резерв), без нагрузки (ненагруженный резерв) или в облегченных условиях (облегченный резерв).
Расчет надежности как для восстанавливаемых, так и для невосстанавливаемых систем при различных типах соединений выполняется с применением математического аппарата теории вероятностей. Приведенные принципы и классификация структур составляют основу для решения типовых инженерных задач, часто встречающихся в практике проектирования и эксплуатации.