Структурно - логический анализ технических систем

Конечной целью расчета надежности технических устройств является оптимизация конструктивных решений и параметров, режимов эксплуатации, организация технического обслуживания и ремонтов. Поэтому уже на ранних стадиях проектирования важно оценить надежность объекта, выявить наиболее ненадежные узлы и детали, определить наиболее эффективные меры повышения показателей надежности. Эти задачи можно решить предварительным структурно – логическим анализом системы.

Большинство технических объектов являются сложными системами, состоящими из отдельных узлов, деталей, 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 ее 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 - узлы, блоки, которые, в свою очередь - на детали и т.д..

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, отказ 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, конструктивные доработки ТС и т.д.).

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

Очевидно, при анализе надежности ТС имеет смысл включать в рас-смотрение только элементы последней группы.

Для расчетов параметров надежности удобно использовать структурно - логические схемы надежности 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 или параллельного) при построении схемы является влияние их отказа на работоспособность ТС.

Последовательным (с точки зрения надежности) считается соединение, при котором отказ любого элемента приводит к отказу всей системы (рис. 3).

Параллельным (с точки зрения надежности) считается соединение, при котором отказ любого элемента не приводит к отказу системы, пока не откажут все соединенные элементы (рис. 4).

Рис.3 Последовательное соединение элементов

Рис.4 Параллельное соединение элементов

Безотказность сложной системы, состоящей из последовательно включенных элементов, определяется произведением вероятностей безотказной работы элементов как совместно наблюдаемых событий. Например, система состоит из 50 эле­ментов с одинаковой безотказностью Как видно из приведенного примера, увеличение количества эле­ментов при их последовательном включении приводит к снижению безотказности сложной системы. Следует пояснить, что «последо­вательным» такое соединение элементов является только в смыс­ле надежности, физически они могут быть соединены как угодно.

Для реальных элементов безотказность является переменной величиной, зависящей от их наработки, ее можно выразить зако­ном распределения вероятностей. На рис. 5 показаны графики законов распределения вероятностей для трёх

последовательно включённых элементов.

Рис. 5. Схема влияния наработки системы на вероятность

отказа ее элементов

Из рис. 5 следует, что при наработке t₁ наибольшую вероят­ность отказа будет иметь первый элемент, однако, при увеличении наработки до величины t₂ вероятность отказа вто­рого элемента может существенно возрасти. Третий элемент при рассматриваемых значениях наработки остается практически бе­зотказным. Таким образом, для повышения безотказности систе­мы, состоящей из последовательно включенных элементов, следу­ет в первую очередь повышать надежность наиболее «слабых» эле­ментов. Одинаково увеличивать средний ресурс всех элементов системы нецелесообразно.

При параллельном включении элементов (рис. 6) сложная система откажет только при отказе всех т элементов, вероятность совместного наблюдения этих событий

Бе­зотказность сложной системы

Например, для системы из трех элементов с безотказностью 0,9 об­щая безотказность. Таким образом, увели­чение числа параллельно включенных элементов увеличивает бе­зотказность сложной системы.

Рис. 6. Структурная схема безотказности системы

из трех параллельно включенных элементов

В качестве примера оценим безотказность грузового двухосного автомобиля по проколу колес (колеса задней оси спаренные). Изве­стно, что при определенном пробеге автомобиля безотказность по проколу переднего колеса равна а по проколу заднего колеса (часто передние колеса наезжают на лежащий гвоздь, подбрасывают его и он прокалывает заднее колесо, поэтому обычно вероятность прокола задних колес больше, чем передних).

Если автомобиль груженый (вариант а), то при проколе любого колеса дальнейшее движение авто нобиля невозможно — наблюда­ется отказ сложной системы. Если автомобиль совершает порож­ний пробег (вариант б), то при проколе одного из спаренных колес дальнейшее движение возможно; отказ будет происходить только при проколе обоих спаренных колес или переднего колеса. В соот­ветствии с этими условиями на рис. 7 показаны структурные схемы безотказности сложной системы по обоим вариантам.

Безотказность сложной системы по структурной схеме варианта а

Безотказность сложной системы по структурной схеме варианта б

Рис. 7. Структурная схема безотказности автомобиля по проколу колес

а — движение груженого автомобиля; б — движение порожнего автомобиля; Пл — переднее левое колесо, Пп — переднее правое колесо,

Зл — заднее левое колесо, Зп — заднее правое колесо

Таким образом, при движении груженого автомобиля отказ по проколу колеса может наблюдаться в 22 случаях из 1000, а при движении порожнего автомобиля — в 2 случаях из 1000.

Структурные схемы безотказности выстраиваются с учетом влияния на отказ системы отказа её элементов, которые условно считают последовательно или параллельно включенными. При этом выделяются и анализируются два варианта совместных событий: не откажет ни один элемент или откажут все элементы. Во многих случаях проще провести анализ всех возможных состояний слож­ной системы, рассматривая каждое из них как несовместное собы­тие. Для такого анализа составляют структурные схемы состоя­ний сложной системы, которые дают представление обо всех воз­можных комбинациях состояний элементов, и каждая комбинация рассматривается как несовместное событие.