Теоретичні відомості про технічні системи та їх розрахунок

Технічні й технологічні системи з огляду на їх надійність є складними комплексами, скомпонованими в найрізноманітніших комбінаціях з окремих підсистем та елементів, що відрізняються між собою важливістю показників надійності та їхнім рівнем. Тому задачі визначення показників надійності таких систем багатоваріантні, але в їх розв’язанні можна виокремити два основних принципи:

Будують структурну схему надійності системи і визначають показники її надійності з урахуванням впливу на ці показники всіх без винятку елементів системи, тобто здійснюють повне визначення надійності;

Будують структурну схему надійності системи і за завчасно заданим критичним рівнем показників надійності елементів виділяють ті з них, що мають низьку надійність, яка є визначальною для системи в цілому. Надійність системи визначають за надійністю цих елементів, тобто розраховують надійність системи за визначальними елементами.

Системи можуть складатися з елементів, які діють послідовно (послідовна система), і з елементів, що діють паралельно (паралельна система, або система з резервуванням). Комбіновані системи можуть мати ділянки з послідовною та паралельною дією елементів.

13.2.1. Надійність послідовних систем

У техніці більшість становлять послідовні системи. Прикладом такої системи може бути привід будь-якого засобу механізації (рис. 13.1).

• • •

Рис. 13.1. Привід засобу механізації (послідовна система): 1 – двигун; 2 – муфта; 3 – редуктор; 4 – запобіжна муфта; 5 – і-й елемент системи; 6 – кінцевий (виконавчий) елемент системи

 

У послідовних системах відмова будь-якого зі складових елементів призводить до відмови всієї системи, а тому ймовірність безвідмовної роботи системи в цьому разі визначається множенням імовірностей безвідмовної роботи складових елементів:

(13.1)

Якщо ймовірність безвідмовної роботи всіх елементів є однаковою, то

. (13.2)

Отже, чим більше складових елементів, тим нижчою є надійність такої системи. Наприклад, система з 10 послідовних елементів, імовірність безвідмовної роботи кожного з яких становить 0,9, має загальну ймовірність безвідмовної роботи , тобто дуже низьку.

Найчастіше ймовірність безвідмовної роботи елементів досить висока, а тому простіше визначати її через імовірність відмов, використовуючи методи наближених обчислень:

(13.3)

оскільки добутком двох малих величин можна знехтувати.

13.2.2. Надійність паралельних систем (систем з резервуванням)

Для підвищення надійності складних відповідальних систем, де цього не вдається досягти за рахунок надійності складових елементів, застосовують резервування.

При постійному резервуванні з навантаженням («гарячим») резервом резервні елементи або ланцюги елементів підключать паралельно до основних (рис. 13.2). Імовірність відмови всієї системи визначають за теоремою множення ймовірностей:

(13.4)

де - ймовірність відмови і-го елемента.

 

Рис. 13.2. Система з резервуванням

 

Тоді ймовірність безвідмовної роботи системи:

. (5.7)

Якщо елементи системи рівнозначні, то

; (5.8)

Ці залежності у загальному вигляді характеризують гаряче резервування. Наприклад, якщо при гарячому резервуванні і n = 2, то , а отже, безвідмовність системи підвищується.

Інші види резервування мають свої особливості, які впливають на розрахунки. При холодному резервуванні, тобто резервуванні заміщенням, резервні елементи вступають у дію тільки після відмови основних. Резервні елементи можуть включатися в дію автоматично або вручну, а ті елементи, що відмовили, відновлюються або замінюються. У цьому разі для основного експоненційного закону розподілу відмов (за високої надійності складових елементів) імовірність відмови системи становить:

. (13.5)

Для рівнозначних елементів

. (13.6)

Ці формули (13.5), і (13.6) справедливі за умови, що надійність включення резерву гарантується повністю.

13.2.3. Надійність комбінованих систем

Комбіновані системи охоплюють ділянки з послідовно і паралельно діючими складовими елементами. Якщо в системі а елементів не дубльовані і b елементів дубльовані (рис. 13.3), то ймовірність безвідмовної роботи системи визначають за формулою

(13.7)

де , - ймовірність безвідмовної роботи ділянок відповідно з послідовно і паралельно діючими елементами.

а

bв

 

 

Рис. 13.3. Комбінована система з послідовним і паралельним з’єднанням елементів

 

При послідовному з’єднанні елементів

. (13.8)

Для повного гарячого резервування

(13.9)

Для інших видів резервування надійність ділянок з паралельно діючими елементами b розраховують методами, викладеними раніше.

У харчових виробництвах часто застосовують комбіновані системи, які не можуть належати ні до послідовних, ні до паралельних (складні комбіновані системи). Така система може бути, наприклад, у технологічній схемі цукрового виробництва, де інколи паралельні лінії перекачування технологічних рідин мають додатковий насос, який за потреби може бути резервом для будь-якої лінії. Розглянемо такий випадок. Основна система (рис. 13.4) із елементів здубльована системою з елементів , для яких передбачений елемент С, що резервує елементи А і В.

 

А

В

В1

 

Рис. 13.4. Складна комбінована система

 

У розрахунках подібних складних систем використовують теорему Байєса, яку для визначення надійності формулюють так: імовірність відмови системи F = F (C дієздатний) + F (C недієздатний) , де і - імовірності відповідно безвідмовної роботи і відмови резерву С.

Імовірність відмови системи при дієздатному резерві С визначають як добуток імовірностей відмови елементів А1 і В1:

F(C дієздатний) = . (5.18)

Імовірність відмови системи при недієздатному резерві С:

F(C недієздатний) = . (5.19)

Тоді у загальному вигляді ймовірність відмови такої складної системи можна розрахувати за формулою:

. (5.20)

Цей метод дає змогу обчислювати надійність комбінованих ділянок, які в складних системах можуть повторюватися багатократно.

 

Порядок виконання

1) Перед тим, як складати структурну схему об’єкта, треба старанно вивчити його призначення, конструкцію, особливості роботи з точку зору надійності і довговічності. Привести короткий опис об’єкту і по можливості дати принципову конструктивну схему.

2) Структурна схема об’єкта повинна визначати взаємодію окремих елементів, їх функціонування певним чином в певній послідовності.

Дослідження структури надійності дозволяє виявити фактичні або потенційні вузькі місця системи з точки зору надійності, оцінити надійність системи, побудованої з елементів з відомою надійністю, або, виходячи із вимог до надійності систем, пред’явити вимоги до надійності складових елементів.