Основы надежности сложных систем

III. Основы надежности сложных систем III. 1. Понятие сложной системы. Под сложной системой понимают объект, предназначенный для выполнения заданных функций, который разделен на элементы, каждый из которых выполняет определенные функции и находится во взаимодействии с другими элементами. Сложные системы с позиции надежности обладают следующими отличительными особенностями: 1) большое число элементов, отказ каждого из которых может привести к отказу всей системы; 2) даже у систем одинаковых конструктивно, каждый экземпляр имеет свои индивидуальные черты, сказывающиеся на выходных параметрах системы; 3) сложным системам присуща в той или иной мере самоорганизация, когда система способна найти наиболее устойчивое состояние; 4) для сложной системы часто возможно восстановление работоспособности по частям, без прекращения ее функционирования; 5) не все элементы одинаково влияют на надежность сложных систем, многие из них сказываются лишь на эффективности ее работы. Факторы 1-2 на надежность влияют отрицательно, 3-5 - положительно. III. 2. Элементы сложных систем Под элементом понимают составную часть сложной системы, которая может характеризоваться самостоятельными входными и выходными параметрами. Расчленение сложной системы 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, которые в свою очередь также могут считаться сложными системами и при оценке их надежности должны быть разделены на элементы и т.д. При определении структуры сложной системы 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 4 типа: 1. Элементы, отказ которых сам по себе или в сочетании с отказами других элементов вызывает отказ всего изделия. 2. Элементы, влияющие на формирование одного или нескольких выходных параметров изделия. 3. Элементы, влияющие на работоспособность других элементов системы. 4. Элементы, отказ которых практически не влияет на работоспособность системы. Очевидно, что при анализе надежности сложных систем в первую очередь имеет смысл включать в рассмотрение элементы первого типа. У сложных систем состоящих только из таких элементов необходимо и достаточно обеспечить безотказную работу каждого элемента в отдельности. Автомобиль не относится к таким системам. Он состоит из элементов всех четырех типов. В этом случае элементы нельзя считать независимыми и необходимо рассматривать систему в целом. III. 3 Основные типы структур сложных систем С позиции надежности можно выделить следующие структуры сложных систем: • расчлененные, у которых надежность отдельных элементов может быть заранее определена, т.к. их отказы являются независимыми событиями; • связанные, у которых отказ элементов является зависимым событием, связанным с изменением параметров всей системы; • комбинированные, состоящие из подсистем со связанной структурой и с независимым формированием показателей надежности для каждой из подсистем. Автомобиль относится к объектам с комбинированной структурой. Для сложных систем безотказность работы элементов необходимое, но не достаточное условие для безотказной работы всей системы. В первых большую роль играют взаимосвязи, когда работоспособные элементы оказывают побочные воздействия на другие элементы и могут вывести их из строя. Во вторых - малые изменения параметров каждого из элементов в пределах нормы могут дать такое сочетание, которое неблагоприятно отразится на работоспособности системы. III. 4. Расчет схемной надежности сложных систем При расчете обычно требуется определить безотказность работы всей системы. Наиболее характерен случай, когда отказ одного элемента выводит из строя всю систему, как это имеет место при последовательном соединении элементов. Большинство приводов машин подчиняются этому условию. Так если в приводе машины выйдет из строя любая шестерня, подшипник, муфта, то весь привод перестанет функционировать. При этом отдельные элементы необязательно должны быть соединены последовательно. Например, подшипники на валу редуктора работают конструктивно параллельно друг с другом, однако выход из строя любого из них приводит к отказу системы. В системе с последовательным соединением для безотказной работы в течение некоторой наработки необходимо и достаточно чтобы каждый из ее n-элементов работал безотказно в течение этой наработки. Расчет надежности таких систем основан на допущении о том, что все распределения наработки до отказа и времени восстановления отдельных элементов являются экспоненциальными, т.е. процесс функционирования системы является стационарным, без последствия и ординарным. 1. Стационарность процесса, означает постоянство параметра потока отказов в течение заданного промежутка времени. 2. Отсутствие последствия, означает независимость появления отказов элементов системы, т.е. отказы элементов системы взаимно независимы и не влияют друг на друга. 3. Ординарность процесса, означает практическую невозможность появления двух или более отказов в одно и то же время. Принятое допущение справедливо, если средняя наработка до отказа элементов системы значительно больше времени их восстановления. На практике это условие обычно выполняется. Считая отказы элементов независимыми, вероятность одновременной безотказной работы n-элементов определяется по теореме умножения вероятностей: Вероятность совместного появления независимых событий равна произведению вероятностей этих событий. если элементы одинаковы: Пример: При увеличении количества элементов в системе с последовательным соединением элементов надежность системы снижается. Высокий уровень надежности систем с последовательным соединением элементов достигается в результате: • использования высоконадежных элементов; • правильного назначения периодичности ТО и ремонта; • обеспечение быстрого восстановления или замены отказавших элементов в процессе эксплуатации. При параллельном соединении элементов отказ любого элемента не приводит к отказу системы, пока не откажут все элементы. Для отказа системы с параллельным соединением элементов в течение некоторой наработки необходимо и достаточно чтобы все ее элементы отказали в течение этой наработки, поэтому отказ системы заключается в совместном отказе всех элементов. Вероятность чего при допущении независимости отказов может быть найдена по теореме умножения вероятностей как произведение вероятностей отказа элементов. В случае, когда элементы одинаковые Пример: С увеличением количества параллельно соединенных элементов надежность системы увеличивается. В зависимости от поставленной задачи на основании результатов расчета характеристик надежности сложных систем делаются выводы и принимаются решения о: • необходимости изменения или доработки элементной базы; • резервировании отдельных элементов или узлов; • установлении определенного режима ТО и ремонта; • номенклатуре и количестве запасных частей.