Надёжность систем. Структурная схема надежности системы

Оценка надёжности является одним из элементов сложной системы управления риском, предполагающей выполнение таких работ, как идентификация и анализ риска, оценка пределов его допустимости и возможностей уменьшения путем выбора, осуществления и контроля управляющих действий.

Расчёт надежности технических систем производится с целью выбора лучших конструктивных решений, режимов эксплуатации, организации технического обслуживания и ремонта. Задачами надежности являются определение числовых показателей, выявление наиболее ненадежных элементов, определение наиболее эффективных мер повышения показателей надежности. Решение этих задач возможно после предварительного структурно-логического анализа системы.

Объект, как было ранее сказано, есть техническое изделие определенного целевого назначения, рассматриваемое в периоды проектирования, производства, испытаний и эксплуатации.

Большинство технических объектов представляют собой сложные системы, состоящие из отдельных деталей, узлов, агрегатов, устройств контроля, управления и т. д. Техническая система (ТС) – совокупность технических устройств (элементов), предназначенных для выполнения определенной функции или функций. Соответственно,элемент – составная часть системы.

Расчленение ТС на элементы достаточно условно и зависит от постановки задачи расчета надежности. Например, при анализе работоспособности технологической линии её элементами могут считаться отдельные установки и станки, транспортные и загрузочные устройства и т. д. В свою очередь, станки и устройства также могут считаться техническими системами и при оценке их надежности должны быть разделены на элементы – комплексы, комплекты, сборочные единицы, детали, согласно классификации ЕСКД.

При определении структуры ТС в первую очередь необходимо оценить влияние каждого элемента и его работоспособности на работоспособность системы в целом. С этой точки зрения целесообразно разделить все элементы на четыре группы:

1. Элементы, состояние которых практически не влияет на работоспособность системы (например, деформация кожуха, изменение окраски поверхности и т. п.).

2. Элементы, работоспособность которых за время эксплуатации практически не изменяется и вероятность безотказной работы близка к единице (корпусные детали, малонагруженные элементы с большим запасом прочности).

3. Элементы, ремонт или регулировка которых возможна при работе изделия или во время планового технического обслуживания (наладка или замена технологического инструмента оборудования и т. д.).

4. Элементы, отказ которых сам по себе или в сочетании с отказами других элементов приводит к отказу системы.

Очевидно, что при анализе надежности ТС целесообразно включать в рассмотрение только элементы последней группы.

Подход к объекту как к одному целому не позволяет выявить наиболее слабый элемент.

Для составления структурной схемы изделие разбивают на элементы, а затем рассматривают влияние отказа произвольно взятого элемента на надёжность всего объекта.

Вводятся уточнения:

– если отказ элемента приводит к отказу всего объекта, то элемент считается встроенным в структурную схему последовательно;

– если отказ элемента не приводит к отказу всего объекта, то элемент считается встроенным в структурную схему параллельно.

При составлении структурной схемы придерживаются следующих
правил:

– элементы изображаются в виде прямоугольников и обозначаются или номерами, или индексами, например 1, а;

– одна сторона прямоугольника считается входом, другая – выходом для сигнала;

– элемент считается работоспособным, если сигнал со входа элемента проходит на выход;

– отказ элемента делает невозможным прохождение сигнала;

– линии, соединяющие элементы друг с другом, считаются абсолютно безотказными.

Системы различаются:

– по принципу действия (механическая часть, электрическая часть, гидравлическая часть);

– по характеру выполняемых работ;

– по операциям, выполняемым машиной в течение цикла.

Степень деления может быть разной. Для расчета и оценки критериев надежности подсистем достаточным бу­дет их представление в виде отдельных сборочных элементов (корпус, вентилятор, воздуховод и т. п.).

Если же поставленная задача включает оптимизацию конструкции отдельных элементов, то деление должно быть более глубоким и доходить до уровня отдельных деталей.

Цель расчёта надёжности:

– обосновать выбор того или иного конструктивного решения;

– выяснить возможность и целесообразность резервирования;

– выяснить, достижима ли требуемая надежность при существующей технологии разработки и производства.

Анализ структурной надежности ТС, как правило, содержит следующие операции:

1) рассматриваются выполняемые системой и её составными частями функции, а также взаимосвязь составных частей;

2) формируется содержание понятия «безотказной работы» для данной конкретной системы;

3) определяются возможные отказы составных частей и системы, их причины и возможные последствия;

4) оценивается влияние отказов составных частей системы на ее работоспособность;

5) в системе выделяются элементы с известными показателями надеж­ности;

6) составляется структурно-логическая схема надёжности технической системы, которая является моделью её безотказной работы;

7) составляются расчётные зависимости для определения показателей надёжности ТС с использованием данных по надёжности её элементов и с учётом структурной схемы;

8) в зависимости от поставленной задачи на основании результатов расчёта характеристик надёжности ТС делаются выводы и принимаются решения о необходимости изменения или доработки элементной базы, резервировании отдельных элементов или узлов, об установлении определённого режима профилактического обслуживания, о номенклатуре и количестве запасных элементов для ремонта и т. д.

Для расчётов параметров надёжности удобно использовать структурно-логические схемы надёжности ТС, которые графически отображают взаимосвязь элементов и их влияние на работоспособность системы в целом. Структурно-логическая схема представляет собой совокупность ранее выделенных элементов, соединенных друг с другом последовательно или параллельно. Критерием для определения вида соединения элементов (последовательного илипараллельного) при построении схемы является влияние их отказа на работоспособность ТС.

Последовательным (с точки зрения надёжности) считается соединение, при котором отказ любого элемента приводит к отказу всей системы (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Последовательное соединение элементов

Параллельным (с точки зрения надежности) считается соединение, при котором отказ любого элемента не приводит к отказу системы, пока не откажут все соединенные элементы (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Параллельное соединение элементов

Определенная аналогия здесь прослеживается с электрической цепью, составленной из проводящих элементов (исправный элемент пропускает ток, отказавший – не пропускает): работоспособному состоянию ТС соответствует возможность протекания тока от входа до выхода цепи.

Наиболее наглядным примером последовательных систем могут служить автоматические станочные линии без резервных цепей и накопителей. В них название реализуется буквально. Однако понятие «последовательная система» в задачах надежности шире, чем в задачах электротехники. К последовательным системам относятся все системы, в которых отказ элементов приводит
к отказу всей системы. Примером параллельных систем являются электрические системы из электрических машин, работающих на общую сеть, многомоторные самолеты, суда с двумя машинами и резервные системы.

Однако не всегда структурная схема надежности аналогична конструктивной или электрической схеме расположения элементов. Например, подшипники на валу редуктора работают конструктивно параллельно друг с другом, однако выход из строя любого из них приводит к отказу системы. Эти элементы с точки зрения надежности образуют последовательное соединение.

Электрическая схема	Структурная схема надёжности при отказе типа
обрыв	замыкание

Рис. 5.3. Электрические и структурные схемы соединения коммутационных элементов
при различных видах отказов

Кроме того, на структуру схемы надёжности может оказывать влияние и вид возникающих отказов. Например, в электрических системах для повышения надежности в ряде случаев применяют параллельное или последовательное соединение коммутирующих элементов (рис. 5.3). Отказ таких изделий может происходить по двум причинам: обрыв (т. е. невозможность замыкания цепи) и замыкание (т. е. невозможность разрыва соединения). В случае отказа типа «обрыв» схема надежности соответствует электрической схеме системы («обрыв» в любом коммутаторе при последовательном соединении элементов приводит к отказу, при параллельном соединении все функции управления выполняет исправный коммутатор). В случае отказа типа «замыкание» схема надёжности противоположна электрической (при параллельном соединении утратится возможность отключения тока, а при последовательном соединении общего отказа не происходит).

Контрольные вопросы

1. Каковы основные цели и задачи расчета показателей надежности
систем?

2. Перечислите и поясните основные этапы расчета надежности систем.

3. Что такое структурная схема надежности?

4. Назовите правила составления структурной схемы.

5. Как производится разбивка элементов по системам?

6. Зачем используется структурная схема безотказности изделия?