НАДЕЖНОСТЬ СИСТЕМЫ С НЕНАГРУЖЕННЫМ РЕЗЕРВИРОВАНИЕМ

Общий анализ надежности приведен для системы, состоящей из одного основного (рабочего) и (n - 1) резервных элементов.

Допущения:

1. Время замены отказавшего элемента резервным равно 0 (t₃ 0).

2. Переключающее устройство подключения резервного элемента вместо отказавшего основного – абсолютно надежно.

При ненагруженном резервировании резервный элемент не может отказать, находясь в отключенном состоянии, и его показатели надежности не изменяются.

Исходные данные для расчета надежности:

· вероятность безотказной работы (ВБР) i-го элемента P_i(t).

· интенсивность отказов (ИО) i-го элемента _i(t).

· математическое ожидание (МО) наработки до отказа i-го элемента T_0i.

Анализ случайной наработки до отказа системы с ненагруженным резервом (рис. 11.1):

Рис. 11.1

МО наработки до отказа системы:

где T_0i = M(T_i ) – МО наработки до отказа i-го элемента системы.

Рассмотрим систему, состоящую из основного элемента (ОЭ) и одного резервного (РЭ). ОЭ и РЭ являются невосстанавливаемыми объектами (рис. 11.2).

События, соответствующие работоспособности системы за наработку (0, t):

A = {безотказная работа (БР) системы за наработку (0, t)};

A₁ = {БР ОЭ за наработку (0, t)};

A₂ = {отказ ОЭ в момент t >, включение (t3 = 0) РЭ и БР РЭ на интервале (t – )}.

Событие A = A₁ A₂, поэтому ВБР системы к наработке t (за наработку (0, t)), определяется:

P(A) = P(A₁ ) + P(A₂ ) ,

где P(A) = P_с(t);

Рис. 11.2

P(A₁) – ВБР ОЭ к наработке t, P(A₁) = P₁ (t);

P(A₂) = P_р (t) – вероятность отказа ОЭ и БР РЭ после отказа ОЭ.

При известном законе распределения наработка до отказа ОЭ вычисление P₁ (t) не представляет сложности.

Событие A₂ является «сложным» событием, включающим в себя простые:

A₂₁ = {отказ ОЭ при τ < t (вблизи рассматриваемого момента )};

A₂₂ = {БР РЭ с момента τ до t, т. е. в интервале (t - )}.

Событие A₂ осуществляется при одновременном выполнении событий A₂₁ и A₂₂:

A₂ = A₂₁ A₂₂.

События A₂₁ и A₂₂ являются зависимыми, поэтому вероятность события A₂

P(A₂) = P(A₂₁ ) · P(A₂₂| A₂₁ ).

Соответствующие вероятности:

1) P(A₂₂| A₂₁ )=P₂ (t -) - ВБР РЭ в интервале (t -), где P₂ (t) - ВБР РЭ к наработке t.

2) для определения P(A₂₁) рассмотрен малый интервал (, + d), для которого вероятность отказа ОЭ равна: f₁() d

Для получения ВО ОЭ к моменту интегрируем полученное выражение по τ от 0 до t.

Поскольку ВО, как функция распределения случайной наработки до отказа, равна

то

где

Вероятность события A₂:

Тогда ВБР рассмотренной системы с ненагруженным резервом равна:

Аналогично, для системы с одним ОЭ и (n -1) РЭ, получается рекуррентное выражение:

где индекс (n - 1) означает, что соответствующие характеристики (ВБР и ПРО) относятся к системе, в которой включается в работу последний n-й элемент.

Выражение (11.2) приведено для состояния, когда к моменту τ отказал предпоследний (n -1) элемент системы и остался лишь один (последний) работоспособный элемент.

Принимая для рассматриваемой системы, что наработки до отказа ОЭ и РЭ подчиняются экспоненциальному распределению с параметрами ₁ и ₂:

выражение (1) после интегрирования имеет вид:

Плотность распределения наработки до отказа системы, равна:

При кратностях резервирования k > 5 распределение наработки до отказа системы с ненагруженным резервом становится близким к нормальному независимо от законов распределения наработки, составляющих систему элементов.

При идентичных ОЭ и (n -1) РЭ и экспоненциальном распределении наработки элементов для ВБР системы с ненагруженным резервом и целой кратностью резервирования k = (n - m)/m, где m = 1:

где n – число элементов системы;

k = (n - 1)/1 = (n - 1) – кратность резервирования, при m = 1.

ВО системы:

ПРО системы:

ИО системы:

Таким образом, распределение наработки до отказа таких систем подчиняется распределению Эрланга (гамма-распределение при целых n).

Согласно, выражению (11.5) проанализируем, как изменяется ВБР системы при различной кратности резервирования:

Сравнение ненагруженного и нагруженного резервирований проведено по графику P_с(t) для системы с идентичными элементами () и кратностью резервирования k = 2.

Наибольшая эффективность от использования системы с ненагруженным резервом будет при продолжительности работы РЭ не менее 1.5 T₀.

При ненагруженном резерве с дробной кратностью (при m > 1) и экспоненциальном распределении наработки до отказа идентичных элементов (ИО ) расчетное выражение для P_с(t):

где k* = n – m.

Ниже рассмотрены показатели безотказности системы с ненагруженным резервированием, когда случайная наработка до отказа элементов системы подчиняется нормальному распределению с ПРО

где n - число элементов системы.

Поскольку случайная наработка до отказа системы равна а T_i являются независимыми случайными величинами наработки, то сумма (композиция) независимых случайных величин, каждая из которых распределена нормально, также имеет нормальное распределение с параметрами:

- математическое ожидание наработки до отказа

- дисперсия наработки до отказа

Среднее квадратичное отклонение наработки до отказа системы, определяется:

Плотность распределения случайной наработки до отказа системы при целой кратности резервирования

Показатели безотказности определяются с использованием функций f(x) и (x) для

и имеют вид:

P_с(t) = 0,5 - (x); Q_с(t) = 0,5 + (x).

Для системы с элементами наработка на отказ которых подчиняется экспоненциальному распределению P_i (t) = exp(-_it), можно принять P_i(t) 1 -_it, поэтому выражения ВО и ВБР:

При ненагруженном резерве ВО системы в n! раз меньше, чем при нагруженном.

Контрольные вопросы:

1. Что представляет собой ненагруженное резервирование и как случайная наработка до отказа системы связана со случайными наработками составляющих систему элементов?

2. Основные допущения, принятые при расчете системы с ненагруженным резервированием?

3. К какому закону распределения стремится наработка до отказа системы при больших значениях кратности резервирования?

4. Проанализируйте, как изменяется вероятность безотказной работы системы с увеличением кратности резервирования?

5. При каких условиях ненагруженное резервирование становится значительно эффективнее нагруженного?

6. Какой закон распределения наработки до отказа будет у системы с ненагруженным резервированием, если законы распределения наработки до отказа элементов являются нормальными?

7. Приведите расчетные формулы показателей безотказности для системы с нормальным распределением наработки элементов?