Основы технической эксплуатации судового электрооборудования и средств автоматизации

Федеральное агентство морского и речного транспорта Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Волжская государственная академия водного транспорта Кафедра электротехники и электрооборудования объектов водного транспорта В.И. Самулеев, В.К. Малышев Основы технической эксплуатации судового электрооборудования и средств автоматизации Курс лекций для студентов очного и заочного обучения специальности 180404 «Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики» Нижний Новгород Издательство ФГОУ ВПО «ВГАВТ» 2008 УДК 621.31:629.12.004 C17 Отрецензировано на кафедре «Электрооборудование судов» Нижегородского государственного технического университета. Самулеев, В.И. Основы технической эксплуатации судового электрооборудования и средств автоматизации : курс лекций / В.И. Самулеев, В.К. Малышев. – Н. Новгород : Изд-во ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2008. − 151 с. Рассматриваются основные положения технической эксплуатации судового электрооборудования и средств автоматизации. Изложены вопросы эксплутационной надежности, технического обслуживания и диагностирования, а также меры электробезопасности при технической эксплуатации электрооборудования. В приложении дается материал из разделов высшей математики. Для студентов очного и заочного обучения. Работа рекомендована к изданию кафедрой электротехники и электрооборудования объектов водного транспорта (протокол № 3 от 19.10.2007 г.). © ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2008 2 От авторов Курс лекций написан в соответствии с программой дисциплины «Основы технической эксплуатации судового электрооборудования и средств автоматизации». Данная дисциплина является специальной. Она дает знания по основам технической эксплуатации судового электрооборудования и средств автоматизации, которые позволяют наиболее эффективно осуществлять конкретные мероприятия технической эксплуатации. Вопросы, рассматриваемые в данном курсе, особенно вопросы надежности, резервирования, технического диагностирования и технического обслуживания, анализируются с помощью определенного математического аппарата, что иногда вызывает у студентов сложности в понимании и усвоении материала. С учетом этого в курсе дается приложение из разделов высшей математики. Вопросы излагаются в логической последовательности, в допустимо сжатой конспективной форме, что способствует эффективному усвоению читаемого материала. При усвоении курса необходимо обратить внимание на регламентируемые государственными стандартами термины и определения, а также аббревиатурные сокращения. 3 Введение Современные морские суда и суда внутреннего плавания характеризуются большой и все возрастающей степенью электрификации и автоматизации, что ведет к росту и значимости судового электротехнического персонала, от которого зависит эффективность технической эксплуатации (ТЭ) судового электрооборудования (СЭО) и средств автоматики (СА). Эффективность технической эксплуатации СЭО и СА зависит не только от высокой квалификации обслуживающего персонала и соблюдения им требований технической документации и руководящих документов по эксплуатации, но и от высокой эксплуатационной надежности СЭО и СА, от поддержания и восстановления его технического состояния путем технического обслуживания (ТО) и ремонтов. Затраты на ТО и ремонт СЭО и СА морских судов и судов внутреннего плавания составляют значительную часть от общих затрат на ТО и ремонт судов в целом. Для современного судна среднегодовая трудоемкость ТО СЭО и СА составляет 14−18%, а трудоемкость ремонта − около 16% от общей трудоемкости ремонта судна. Для того, чтобы снизить затраты на ТО и ремонт, возникает необходимость организации процесса технической эксплуатации на научной основе. На морском и речном транспорте действует плановопредупредительная система ТО и ремонта. По этой системе выполняется плановое регламентированное ТО или ТО с периодическим контролем, при проведении которых устраняются неисправности, появившиеся в процессе эксплуатации. Техническое обслуживание выполняется судовым персоналом и СРЗ. Но эти виды ТО имеют существенные недостатки, связанные с обязательным его проведением в соответствии с нормативно-технической документацией. При этом не учитывается фактическое техническое состояние СЭО и СА. Это приводит к увеличению затрат времени и средств на ТО и ремонт, к преждевременным разборкам электрических машин и аппаратов. После сборки происходит вновь приработка сопряженных деталей, что ведет к интенсивному износу. При научной организации эксплуатации на основе объективной оценки с помощью СТД определяется техническое состояние СЭО 4 и СА и выбираются оптимальные объемы и сроки ТО и ремонт. Это позволяет предупредить значительную часть отказов и более полно использовать ресурсы СЭО и СА, при появлении отказов элементов СЭО с помощью СТД происходит поиск и устранение отказов с минимальным временем. При использовании методов и средств диагностирования и решении технических и организационных вопросов представляется возможным перейти от регламентированного ТО и ремонта к перспективному виду ТО и ремонту по фактическому техническому состоянию. Применение ТО и ремонта по состоянию связано с затратами на диагностирование, поэтому этот вид ТО целесообразно применять для СЭО и систем ответственного назначения. Действующая планово-предупредительная система ТО и ремонта и Комплексная система технического обслуживания и ремонта судов, введенная в 1988 г., существенно увеличили межремонтные периоды судов − до пяти лет к 2000 г. Комплексная система ТО и ремонта предполагает обеспечение судов комплектом диагностической аппаратуры. Важной особенностью этой системы является предоставление большей самостоятельности судовому персоналу в установлении объемов и сроков ТО и ремонта СТС. В этом случае требования к квалификации обслуживающего персонала и к знанию им основ технической эксплуатации возрастают. I. Общие положения технической эксплуатации Лекция 1 Основные понятия технической эксплуатации. Техническое обслуживание и ремонт СЭО и СА 1. Основные понятия и определения ТЭ. 2. Организация технической эксплуатации СЭО и СА. 5 1. Основные понятия и определения ТЭ Общие требования по технической эксплуатации СЭО и СА, установленных на судах, определяют Правила технической эксплуатации (ПТЭ) судовых технических средств (СТС). В соответствии с этими документами под технической эксплуатацией СЭО и СА понимается совокупность мероприятий по техническому использованию, техническому обслуживанию и ремонту (рис. 1). Техническая эксплуатация представляет собой производственную, организационную и научно-техническую деятельность судовых экипажей, береговых предприятий и организаций, обеспечивающую эффективное использование и исправное состояние СЭО и СА. Начало эксплуатации устанавливается в нормативнотехнической документации или договорах о поставке и исчисляется после установки СЭО и СА на судне с момента окончания монтажа и наладки. Окончание эксплуатации определяется переходом в предельное состояние соответствующего вида, при котором предполагается окончательное прекращение применения СЭО и СА по назначению. Рис. 1. Схема системы технической эксплуатации Управление технической эксплуатацией включает в себя планирование, создание организационных структур, регулирование, контроль, учет и анализ результатов эксплуатации. Оно должно обеспечивать выполнение основных задач технической эксплуатации. Техническое использование − это использование СЭО и СА по назначению в соответствии с технико-экономическими показателями, предусмотренными приемо-сдаточными документами или заданными судовладельцем. Техническое использование осуществляется судовым экипажем и заключается в учете ТС, проверке готов- 6 ности к действию, вводе и выводе из действия, обеспечении, изменении и поддержании режимов работы, сопоставлении заданных и фактических характеристик, оценке и регистрации отклонений. Техническое обслуживание представляет собой комплекс операций по поддержанию работоспособности или исправности СЭО и СА при использовании по назначению, при ожидании, хранении и транспортировании. Техническое обслуживание содержит регламентированные в конструкторской документации операции для поддержания работоспособности или исправности СЭО и СА в течение срока их службы. Под операцией ТО понимается законченная часть ТО составной части объекта, выполняемая на одном рабочем месте исполнителем определенной специальности. В ТО могут входить контроль технического состояния, регулирование, очистка, смазывание, выявление и устранение неисправностей, замена некоторых составных частей, изношенных или вышедших из строя. ТО СЭО и СА осуществляется электрогруппой судна, ремонтными бригадами и береговыми подразделениями и предприятиями (СРЗ, БТОФ). Ремонт − это комплекс операций по восстановлению исправности или работоспособности и восстановлению ресурсов СЭО и СА или их составных частей. Под операцией ремонта понимается законченная часть ремонта, выполняемая на одном рабочем месте исполнителями определенной специальности. В ремонт могут входить разборка, дефектация, контроль технического состояния, восстановление деталей, сборка и другое. Содержание части операций ремонта может совпадать с содержанием некоторых операций ТО. Ремонт может выполняться путем замены или восстановления отдельных деталей или блоков. Ремонт сопровождается выдачей определенных гарантий на последующий срок эксплуатации или наработку СЭО и СА. В зависимости от характера неисправностей, сложности и объема работ, ремонт разделяют на плановый, неплановый, текущий, средний, капитальный и регламентированный, ремонт по техническому состоянию (рис. 2). 7 Рис. 2. Схема видов ремонта Плановый − это ремонт, постановки на который осуществляются в соответствии с требованиями нормативно-технической документации (постановки на неплановый ремонт осуществляются без предварительного назначения). Текущий – выполняется для обеспечения или восстановления работоспособности и состоит в замене или восстановлении отдельных частей (перебор СЭО, восстановление зазоров, регулировка, устранение текущих неисправностей приборов и СА). Средний – проводят для восстановления исправности и частичного восстановления ресурса оборудования с заменой или восстановлением частей ограниченной номенклатуры и с контролем ТС составных частей, выполненных в объеме, установленном в нормативно-технической документации. Капи тальный – осуществляется для восстановления неисправности и полного или близкого к полному восстановлению ресурса оборудования с заменой или восстановлением любых его частей, включая базовые. Для судовых технических средств (СТС) установлено 2 вида ремонта: текущий и капитальный. Регламентированный ремонт – плановый ремонт, выполняемый с периодичностью и в объеме, установленном в эксплутационной документации, независимо от технического состояния оборудования в момент начала ремонта. 8 Ремонт по техническому состоянию – плановый ремонт, при котором контроль технического состояния выполняется с периодичностью и объемом, установленным в нормативно-технической документации, а объем и момент начала ремонта определяется техническим состоянием СЭО и СА. Различают следующие режимы эксплуатации: непрерывный (Н), циклический (Ц), оперативный (ОП), общий (ОБ). При непрерывном режиме эксплуатации период действия объекта длится непрерывно, при циклическом − определенные периоды действия и простоя чередуются с постоянной цикличностью, при оперативном – неопределенный период простоя сменяется периодом действия заданной продолжительности, а при общем режиме периоды действия и простоя чередуются случайным образом. Техническое обслуживание и ремонт СЭО на речном и морском транспорте проводят по планово-предупредительной системе. 2. Организация технической эксплуатации СЭО и СА Организация технической эксплуатации СЭО в пароходствах и бассейновых управлениях пути (БУП) возлагается на службы судового хозяйства, которые через механиков-наставников, групповых и линейных механиков по электрооборудованию обеспечивают: − технический надзор за обслуживанием и использованием электрооборудования на судах; − контроль за техническим состоянием электрооборудования на судах; − организацию технического обслуживания электрооборудования судовыми командами и береговыми производственными участками (БПУ); − контроль за соблюдением судовыми командами требований правил и инструкций по эксплуатации судового электрооборудования. Штат персонала, обслуживающий электрооборудование на судне, устанавливается в зависимости от мощности и сложности электрической установки и условий ее эксплуатации. Если в штате электротехнического персонала на судне имеются 3 человека и более, то устанавливается круглосуточная вахта. При меньшем количестве электротехнического персонала постоянной вахты нет, но 9 организуется временное дежурство у ГРЩ при прохождении сложных для плавания участков пути. Ответственность за техническое состояние СЭО на судне возлагается на персонал, обслуживающий его в соответствии с расписанием по заведованию. Ответственность за использование СЭО по назначению возложена на лиц, пользующихся им. Чистоту наружных частей электрооборудования поддерживают: − в машинно-котельных отделениях – машинная команда; − на палубах – палубная команда; − на камбузах – персонал камбузов; − в жилых помещениях – владельцы кают и персонал, обслуживающий пассажиров. С указанными лицами производится инструктаж по правилам безопасности труда. Электромеханик (помощник механика по электрооборудованию) непосредственно подчиняется механику судна, на которого возлагается ответственность за состояние и эксплуатацию электрооборудования, а электрики подчиняются электромеханику. При несение вахты электрики подчинены старшему по вахте машиннокотельного отделения. Основные обязанности электроме ханика : 1. Обеспечивать исправное техническое состояние, надежную и безопасную работу и правильную техническую эксплуатацию всего электрооборудования. 2. Распределять между электриками заведование отдельными электроустановками. 3. Обеспечивать своевременное и в полном объеме выполнение графиков технического обслуживания. 4. Проводить техническую учебу команды по изучению электрооборудования судна и инструктировать персонал по соблюдению требований электробезопасности. 5. Вести учет отказов электрооборудования. 6. Своевременно составлять основные и дополнительные ремонтные ведомости. 7. Вести учет поступления и расходования запасных частей и инвентаря. 10 8. Обеспечивать ведение электротехнического журнала. 9. Принимать электрооборудование после ремонта. Следить за соблюдением обслуживающим персоналом требований электробезопасности и создавать условия для их выполнения. Осталь ной электроте хническ ий персонал обяза н: 1. Обеспечивать исправное состояние и своевременное проведение плановых работ по техническому обслуживанию закрепленного за ним электрооборудования. 2. Регулярно замерять сопротивление изоляции электрооборудования и результаты записывать в журнал. 3. Подвергать консервации электрооборудование при постановке судна на отстой или ремонт и выполнять расконсервацию его перед навигацией. Персонал, обслуживающий СЭО, должен пройти проверку знаний в квалификационной комиссии, которая присваивает в зависимости от занимаемой должности соответствующую квалификацию и выдает удостоверение на право работы на данном электрооборудовании. Эксплуатация СЭО предусматривает выполнение комплекса организационных и технических мероприятий, направленных на поддержание его в работоспособном состоянии, а также на обеспечение электро-, пожаро- и взрывобезопастности. Перед выходом в плавание проверяют работу аварийных источников электроэнергии, релевого электропривода, системы ДАУ главных двигателей, электроприводов якорно-швартовных устройств, пожарной и авральной сигнализации, аварийного освещения, сигнально-отличительных фонарей, прожекторов, радио- и электронавигационного оборудования и других электрических установок, обеспечивающих безопасность плавания судна. Запрещается выход судна, если неисправны: один генератор из двух или два генератора из трех установленных; аварийные источники электроэнергии; электрооборудование рулевого устройства, шпиля, брашпиля и механизмов, которые обеспечивают работу ГЭУ на ходу и необходимы при выполнении спасательных операций; сигнально-отличительные фонари; машинные телеграфы; пожарная и авральная сигнализация. Электроустановка должна быть немедленно отключена от сети при появление запаха, дыма или огня, свидетельствующих об обго- 11 рании изоляции; значительном увеличении тока; резком снижении частоты вращения двигателя; сильной вибрации электропривода; при круговом огне на коллекторе или кольцах электрических машин; попадании человека под напряжение. Отключение электроустановок, предназначенных для обеспечения безопасности плавания судна и его ГЭУ, необходимо согласовывать с вахтенным начальником. Нужно предвидеть последствия, которые наступят после отключения той или иной электроустановки. Правила технической эксплуатации СЭО запрещают обслуживающему персоналу использовать электроустановки в режимах и по назначению, не предусмотренных проектом судна и Правилами Речного и Морского Регистров: останавливать генератор без перевода нагрузки на другой генератор; отключать ответственные электроустановки без разрешения вахтенного начальника; отключать механизмы и установки, выполнять различные работы без разрешения старшего по вахте в машинном отделении; проводить изменения в схемах СЭО; пользоваться обычными переносными световыми приборами в помещениях, где хранятся взрывчатые и легковоспламеняющиеся жидкости и вещества. Лекция 2 Общие требования Правил Российского Речного и Морского Регистров к СЭО и СА. Судовая документация 1. Условия эксплуатации и общие требования к СЭО и СА. 2. Судовая документация по технической эксплуатации. 1. Условия эксплуатации и общие требования к СЭО и СА На судах СЭО и СА подвергаются: − вибрации, бортовой или килевой качке, ударным нагрузкам; − воздействию влаги и соли, паров масел и топлива, содержащихся в окружающем воздухе; − изменениям температуры в широких пределах при неограниченном районе плавания (от −50°С до +50°С). 12 Кроме того, размещение СЭО в тесных помещениях с целью экономии места на судне затрудняет его эксплуатацию. Вибрация корпуса судна, возникающая при работе гребных винтов, судовых механизмов и устройств, создает знакопеременные нагрузки в узлах и деталях СЭО. Такие нагрузки вызывают механические повреждения и ослабление электрических контактов соединений, а также увеличивают погрешность измерительных приборов. В результате существенно сокращается время безотказной работы СЭО. Качка и ударные нагрузки от воздействия волн на корпус судна перераспределяют усилия на рабочих поверхностях подшипников и создают осевые и радиальные перемещения роторов ЭМ, вредные для подшипников. Качка и ударные нагрузки приводят к увеличению числа отказов ЭМ, аппаратов, РЩ и светотехнических устройств. Повышенная влажность, наличие примесей в воздухе и изменения t°С приводят к конденсации влаги и осаждению примесей на поверхности СЭО, коррозии, снижению диэлектрической прочности изоляции, ускоренному износу кинематических узлов и контактных устройств. К СЭО и СА предъявляются повышенные по сравнению с общепромышленным электрооборудованием технические требования. Эти требования сформулированы в Правилах Российского Речного и Морского Регистров. Российский Речной Регистр и Российский Морской Регистр Судоходства осуществляют надзор за всеми видами СЭО, кроме электрооборудования хозяйственного, бытового и технологического назначения. Это электрооборудование подлежит надзору Регистрами только в части подключаемых кабелей, средств защиты, изоляции и заземления. В соответствии с требованиями Правил судовое электрооборудование СЭО должно безотказно работать при следующих условиях: − длительном крене судна до 15° и дифференте до 5°, а также бортовой качке до 22,5° с периодом 7−9 с и килей до 10º от вертикали (в аварийном режиме аварийное оборудование должно работать при длительном крене до 22,5º, дифференте до 10º, а также при одновременном крене и дифференте в указанных пределах); 13 − вибрациях частотой 5−30 Гц (с амплитудой 1 мм для частот 5−8 Гц и ускорением 5 м/с2 при частоте 8−30 Гц); − ударах с ускорением 30 м/с2 при частоте 40−80 уд./мин; − относительной влажности воздуха 75 ± 3% при t° 45 ± 2° и 95 ± 3% при t° = 25 ± 2°С; − температуре окружающего воздуха при неограниченном районе плавания для машинных и специальных электрических помещений: 0…45°С, открытых палуб –30… +45°С, других помещений 0 … +40°С, а при плавании вне тропической зоны соответственно 0…+40°С, 30…40°С, 0...+40°С; − при отклонениях в установившихся режимах от номинальных значений напряжения питания: длительно –10… +6% и кратковременно (не более 1,5 с) −30… +15%; − частоте питающего напряжения: длительной − ±5%, кратковременной (не более 5 с) − ±10%. Для уменьшения вредного воздействия качки, вибрации и ударных нагрузок СЭО устанавливают на амортизаторах. При установке на судне ЭМ большой мощности линии их валов ориентируют параллельно диаметральной плоскости судна, проводят регулярные мероприятия по обжатию электрических соединений и периодические пуски длительно не работающих машин. Уменьшение вредного влияния влаги, примесей в воздухе и изменений температуры достигается соответствующим выбором конструктивных, токоведущих и изоляционных материалов, а также конструктивного исполнения СЭО. Конструктивные элементы изготовляются из прочных трудносгораемых материалов, устойчивых к воздействию морской атмосферы и паров масла. Крепежные детали СЭО, устанавливаемого на открытой палубе и в помещениях с повышенной влажностью, изготавливаются из коррозионно-стойких материалов или с антикоррозионным покрытием. Токоведущие элементы СЭО изготавливаются из меди, медных сплавов и других материалов с равноценными свойствами за исключением реостатов, короткозамкнутых обмоток АД, угольных щеток и т.п. Весь внутренний монтаж СЭО выполняется многопроволочным проводом, площадь сечения которого для устройств распределения, коммутации и тому подобного должна быть не менее 1 мм2, а для систем управления, защиты и измерения – не менее 0,5 мм2 . 14 Температура нагрева токоведущих частей при номинальной нагрузке не должна превышать допустимой температуры нагрева изоляционных материалов. По нагревостойкости изоляционные материалы делятся на 7 классов: Класс изоляции Y A E B F H C Максимально допустимая температура 90 105 120 130 155 180 >180 Для СЭО рекомендуется применять изоляционные материалы не ниже класса Е. Значения нормального и минимально допустимого сопротивлений изоляции для СЭО и СА должны соответствовать нормам, указанным в Правилах технической эксплуатации СЭО. Размещение СЭО и СА проводится в помещениях судна, которые классифицируются таким образом: − сухие (жилые, общественные, служебные, рубки, штурманские и т. п.); − с повышенной влажностью (умывальные, туалетные, камбузы, аварийного ДГ, пожарных насосов и т.п.); − влажные (кладовые, шкиперские, запчастей и т.п.); − особо сырые (бани, душевые и т.п.); − заливаемые водой (открытые палубы); − затопляемые (помещения и пространства, где СЭО работает под водой); − опасные (помещения, в которых имеется горючая пыль взрывоопасной концентрации); − взрывоопасные трёх категорий: 1-я – отсеки и цистерны для воспламеняющихся жидкостей с температурой вспышки паров ниже 60°С, грузовые трюмы для перевозки таких жидкостей и газов в специальной таре и смежные с ними помещения, не отделенные от них коффердамами и не имеющие принудительной вентиляции; 2-я – насосные отделения, компрессорные для сжиженных газов, аккумуляторные, малярные кладовые и т.п., где могут 15 образоваться скопления воспламеняющихся газов взрывоопасной концентрации; 3-я – трюмы и помещения, где возможно образование воспламеняющейся смеси, пыли или волокон с воздухом. СЭО в зависимости от исполнения корпуса бывает: 1. Открытого исполнения. Электрооборудование, у которого вращающиеся или токоведущие части не имеют специальных защитных приспособлений от случайных прикосновений и попадания внутрь него посторонних предметов. 2. Защищенное. Имеет защитные сетки, щитки, кожухи, предохраняющие от прикосновений к нагретым вращающимся или токоведущим частям, а также от попадания внутрь него посторонних предметов. 3. Каплезащищенное. Имеет защитную конструкцию, что в процессе эксплуатации исключает возможность случайного прикосновения к токоведущим или вращающимся частям и поверхностям, нагретым до t° = 60°С и выше, а также попадание внутрь него капель, падающих по вертикали или под углом не более ±15° к вертикали. 4. Брызгозащищенное. Имеет защитные приспособления от попадания внутрь водяных капель любого направления и выдерживает испытание искусственным дождем интенсивностью 5 мм/мин. Испытание проводится в течение 10 мин. 5. Водозащищенное. Имеет специальные защитные приспособления против попадания воды внутрь и выдерживает испытание путем обливания его струей воды из брандспойта с расстояния 3 м. Давление водяной струи – не менее 1 кг/см2. Испытание – в течение 15 мин. 6. Водонепроницаемое – палубное. 7. Погружное (герметичное). Имеет плотно закрытый корпус, не допускающий проникновения воды внутрь при его работе в погруженном состоянии и выдерживающий испытание путем погружения в воду с давлением не менее 1 кг/ см2 в течение времени, указанном в технических условиях на изготовление отдельных видов электрооборудования. 8. Взрывозащищенное. Обеспечивает безопасность применения в условиях взрывоопасных помещений (аккумуляторные, трюмы для перевозки взрывоопасных материалов, помещения танкерного флота). 16 В зависимости от места расположения СЭО должна применяться соответствующая степень защиты электрооборудования. Предусмотрены буквенно-цифровые обозначения степеней защиты СЭО. Обозначение состоит из латинских букв IP и двух цифр. Первая цифра (от 0 до 6) указывает степень защиты СЭО от попадания внутрь посторонних предметов и защиты персонала от соприкосновения с токоведущими и вращающимися частями. Большая цифра соответствует большей степени (при 0 специальная защита отсутствует, а при 6 полностью предотвращено проникновение пыли внутрь СЭО). Вторая цифра (от 0 до 8) характеризует степень защиты СЭО от попадания внутрь воды. Большая цифра соответствует большей степени защиты (при 0 защита отсутствует, при 8 защита обеспечивает работу СЭО в случае полного погружения в воду при данном давлении неограниченное время). Если СЭО расположено в сухих помещениях, степень защиты должна быть не ниже IP20 (жилые, общественные и служебные помещения); IP22 (рулевые, штурманские, радиорубки и т.п.); IP10 (сухие специальные электрические помещения). В помещениях с повышенной влажностью и влажных устанавливается СЭО со степенью защиты не ниже IP23 (кроме умывальных, туалетных, камбузов и тому подобных помещений, в которых степень защиты СЭО – IP44). В особо сырых помещениях степень защиты СЭО – IP55, а в особо сырых и заливаемых водой – IP56. В затапливаемых и опасных помещениях устанавливается СЭО – IP68. Во взрывоопасных помещениях 3-й категории допускается устанавливать СЭО с защитой не ниже IP65. В помещениях 2-й категории взрывоопасности допускается размещать светильники, устройства сигнализации обнаружения пожара, приборы контроля управления и связи, электроприводы вентиляторов во взрывозащищенном исполнении. В помещениях 1-й категории не допускается устанавливать СЭО, за исключением датчиков уровня и температуры, вибраторов эхолотов и устройств сигнализации обнаружения пожара во взрывозащищенном исполнении. Защитное заземление. 17 Защитное заземление должно иметь все металлические части СЭО и СА, которые не находятся под напряжением, но доступны к прикосновению в эксплуатационных условиях. Кроме СЭО, питаемого напряжением безопасного значения, имеющего двойную или усиленную изоляцию; изолированных металлических частей СЭО; крепежных элементов кабелей; одиночного приемника с напряжением до 250В, питающегося от изолирующего трансформатора. Стационарное СЭО должно быть заземлено не отключаемым заземлением с помощью наружных заземляющих проводников или жилы заземления в питающем кабеле (необходимо применять проводники из меди). Можно использовать проводники из других коррозионно-стойких материалов, их сопротивление не должно превышать сопротивление требуемого медного проводника. Заземлять передвижные приемники следует через заземленное гнездо розетки или другое заземленное устройство и медную заземляющую жилу питающего кабеля. Вторичные обмотки всех измерительных трансформаторов тока и напряжения должны быть заземлены. 2. Судовая документация по ТЭ Судовая документация по ТЭ подразделяется на учетную и отчетную. У ч е тн ы е д о к у м е н ты 1. Судовой формуляр (ФС). 1 том – «Корпус, судовые устройства, технические средства механической и электрической частей»; 2 том – «Средства радиосвязи и электрорадионавигации»; 3 том – «Гребная электрическая установка». В нем заносятся основные параметры и технические характеристики судна, судовых технических средств (СТС) (вкл. и СЭО). В нем регистрируются изменения основных параметров и характеристик судна, изменение состава СТС. Завод-строитель судна вносит в ФС, в его таблицы сведения о судне, его конструкциях и СТС. Завод передает 3 экземпляра ФС на судно при его приемке судовладельцем. 18 Один экземпляр передается судовой администрации в пароходство в технический отдел. Другой экземпляр ФС передается ЦНИИМФ для паспортизации флота. В течение гарантийного срока (или 1 года с момента заполнения ФС) судовая администрация проверяет характеристики СТС, записанные в ФС заводом-изготовителем, вносит в ФС изменения и дополнения. Эти изменения и дополнения вносятся в первый же технический отчет судна (ТОС). ТОС направляется в пароходство после окончания корректировки судового экземпляра ФС. В дальнейшем в ФС вносятся все изменения основных параметров и технических характеристик судна и вносятся сведения о замене СТС. По техническому отчету судна (ТОС) корректируются экземпляры в пароходстве и ЦНИИМФ. ФС судов приобретенных за границей заполняют центральные проектно-конструкторские бюро (ПКБ) агентств по речному и морскому транспорту по заказу судовладельца или КБ пароходства. ФС заполняется и передается судовладельцу через 6 месяцев после приемки судна. За сохранность, правильность и своевременность заполнения ФС несут ответственность: за 1-й том – старший механик; за 2-й – начальник судовой радиостанции; за 3-й – старший электромеханик на электроходах. 2. Журнал учета технического состояния (ЖТС). Состоит из пяти частей: часть 1 «Электрооборудование и электрические средства автоматизации»; часть 2 «Электроприводы»; часть 3 «Сопротивление изоляции электрооборудования»; часть 4 «ГЭУ»; часть 5 «Специальное электрическое устройство». Для судов всех типов ЖТС имеет единую форму. Ведется в одном экземпляре и хранится в течение всего срока службы судна. ЖТС заполняется электромехаником, который несет ответственность за полноту и правильность записей и за сохранность ЖТС. ЖТС служит для регистрации: − повреждений, отказов и дефектов; − мер, принятых для их устранения; 19 − выполненных работ по ТО с полной разборкой, замене и модернизации; − результатов определения ТС в процессе ТО и ремонта. ЖТС служит для накапливания материала, необходимого для совершенствования нормативов в планово-предупредительной системе ТО и ремонта СЭО. 3. Машинный журнал (электротехнический журнал на электроходах). Ведется на судне непрерывно в процессе ТЭ. Объем МЖ рассчитан на 1 месяц. МЖ является документом первичного учета состояния ТЭ СТС. В МЖ ведутся записи параметров СЭУ вахтенным механиком каждые 4 часа. Три раза за вахту записывается нагрузка генераторов, один раз в сутки − сопротивление изоляции силовой сети и сети освещения. В МЖ регистрируются: − неисправности и отказы ответственного оборудования и меры, принятые для их устранения; − выполненные проверки перед выходом судна в рейс; − работы по ТО в течение суток и ремонту СЭО. В графу «Особые отметки» МЖ в течение суток вносятся записи: − случаи обесточивания судна; − результаты проверок в действии аварийных источников, ЭП подруливающих устройств, системы управления АДГ. На основании записей в МЖ определяется наработка основного СЭО. О тч е т н ы е д ок у м е н ты 1. Технический отчет судна (ТОС) является основным судовым отчетным документом по ТЭ. Составляется в двух экземплярах по окончании квартала. ТОС составляется независимо от того, находится ли судно в эксплуатации или ремонте. Один экземпляр остается на судне. Другой экземпляр направляется в службу судового хозяйства. Материалы ТОС служат: а) для оценки ТС судна, его конструкций и СТС; б) для обеспечения работоспособности судов и уточнения объектов ремонтных работ; 20 в) для контроля за расходом ЗИПа и составления заявок на его пополнение; г) для накопления данных о надежности и замене СТС; д) для формирования годовых отчетов соответствующей службе пароходства. ТОС имеет 6 разделов. Подраздел 3.3 «Электрическая часть» заполняется электромехаником. В 4-й раздел «Сводные сведения о ТО и ремонте» заносятся данные о потребности в ЗИПе, о трудоемкости ТО СЭО. 2. Рекламационный акт-донесение об отказе (РАДО). Является составной частью ТОС, содержит первичную информацию об отказах и служит для списания и заказа ЗИПа. Он заполняется только в гарантийный период (после постройки судна или его ремонта). В других случаях форма составляется как донесение об отказе в 3-х экземплярах: два идут в пароходство, одно остается на судне. Заполняется на одно конкретное изделие с перечислением отказавших деталей. Кроме этой документации на судне должны быть: 1) чертежи и схемы СЭО. Выдаются при постройке судна или модернизации; 2) монтажные и принципиальные схемы. Их используют при ремонте, поиске и устранении неисправности; 3) формуляры и паспорта СЭО; 4) технические инструкции по эксплуатации и описания СЭО завода-изготовителя и проектных организаций; 5) ведомость учета ЗИПа, где дается перечень деталей и узлов, устройств, необходимых для замены вышедших из строя; 6) ПТЭ СЭО; 7) таблицы замеров сопротивления изоляции СЭО, отчеты по наладке сложных ЭП, где указаны порядок настройки, точки замеров и значения параметров; 8) журнал учета и испытаний диэлектрических защитных средств; 9) журнал учета и проверки щитовых и переносных электроизмерительных приборов; 10) журнал инструктажа по технике электробезопасности. 21 Лекция 3 Основные показатели оценки технического состояния СЭО Техническое состояние (ТС) − это совокупность свойств, характеризуемых в определенный момент времени признаками, установленными технической документацией. Начальное ТС СЭО определяется конструктивно-производственными факторами (схемные, конструктивные решения, элементная база, качество производства, материалы). При технической эксплуатации оборудование подвергается воздействию эксплуатационных факторов, которые влияют на их ТС. Это условия и режимы работы (температура, влажность, вибрация, установившиеся и переходные режимы и др.), а также воздействие обслуживающего персонала (квалификация, стаж работы). Под воздействием эксплуатационных факторов происходит изнашивание и старение элементов СЭО, а отсюда изменение ТС СЭО. Многообразие и вероятностный характер воздействий конструктивно-производственных и эксплуатационных факторов приводят к тому, что фактическое ТС СЭО оказывается различным при одинаковой наработке или продолжительности эксплуатации. Указанные обстоятельства обуславливают связь процесса ТЭ, с процессом изменения ТС СЭО. На разных этапах ТЭ устанавливают виды ТС. Виды ТС Соответствие или несоответствие СЭО определенным техническим требованиям, установленным нормативно-технической документацией на данный объект, характеризуется видами ТС: Ωи и Ωн.и. − исправное и неисправное; Ωр и Ωн.р. − работоспособное и неработоспособное; Ωф и Ωн.ф. − правильного и неправильного функционирования; Ωп − предельное. Рассмотрим техническое состояние по видам: 1. Исправное − объект соответствует всем требованиям нормативно-технической или конструкторской документации. 2. Неисправное − объект не соответствует хотя бы одному требованию нормативно-технической или конструкторской документации. 3. Работоспособное − значения всех параметров объекта, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической документации. 22 4. Неработоспособное − значение хотя бы одного параметра объекта, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям нормативно-технической документации. 5. Правильного функционирования − объект выполняет в данный момент времени предписанные ему алгоритмы функционирования со значением параметров, соответствующих требованиям нормативно-технической документации. 6. Неправильного функционирования − объект не выполняет в данный момент предписанные ему алгоритмы функционирования с требуемыми значениями параметров. 7. Предельное − это состояние объекта, при котором его применение по назначению недопустимо или нецелесообразно, либо восстановление его исправного или работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно. Переход СЭО в предельное состояние может произойти при отказе, неустранимом нарушении требований безопасности, моральном старении и других факторах. Переход СЭО в предельное состояние приводит к временному или окончательному прекращению применения по назначению. Согласно определениям все множество ТС объекта Ω можно представить в виде пар множеств: Ω = Ωи ∪ Ωн.и. = Ωр ∪ Ωн.р. = Ωф ∪ Ωн.ф. (∪ − знак соединения двух множеств) Понятие исправность шире, чем работоспособность. Работоспособный объект может быть неисправным, но его неисправности не настолько существенны, чтобы нарушать работоспособность. Понятие работос пособность шире, чем понятие правильного функционирования. Неработоспособный объект с учетом всех режимов работы может находиться в состоянии правильного функционирования для конкретного режима работы, на которых неисправности не оказывают влияния. Ωи ∈ Ωр ∈ Ωф ∈ Ω; Ω н.ф. ∈ Ωн.р. ∈ Ωн.и. ∈ Ω. 23 Все подмножества видов ТС являются пересекающимися, и внутри каждого вида может быть большое число ТС. Группы ТС Техническое состояние объекта можно условно разбить на группы, определяемые пересечениями подмножеств видов ТС: − И = Ωи ∩ Ωр ∩ Ωф − группа состояний И, Р, Ф; − Р = ΩР ∩ Ωф ∩ Ωн.и. − группа состояний Р, Ф, НИ; − Ф = Ωф ∩ Ωн.р. ∩ Ωн.и. − группа состояний Ф, НР, НИ; − НФ = Ωн.ф ∩ Ωн.и ∩ Ωн.р. − группа состояний НФ, НИ, НР; – П − группа предельных состояний. В процессе ТЭ под воздействием эксплуатационных факторов любое СЭО переходит из одной группы ТС в другую. Рис. 3. Диаграмма видов и групп ТС В зависимости от ТС СЭО осуществляются следующие мероприятия технической эксплуатации: − исправное (И) − техническое использование (ТИ); − работоспособное (Р) − ТИ, ТО; − правильного функционирования (Ф) − ТИ, ТО, ремонт; − неправильного функционирования (НФ) − ТО, ремонт; − предельное (П) − ремонт, списание. 24 Категории ТС Для уточнения технического состояния СЭО могут быть разделены на следующие категории: 1. Хорошее (годное) − состояния И, Р, Ф при номинальных параметрах ТС и отсутствии повреждений. 2. Удовлетворительное (годное) – состояния И, Р, Ф при нахождении параметров ТС в пределах от номинального до предельно допустимого значения и наличия несущественных повреждений. 3. Неудовлетворительное (ограничение годное или негодное) − состояние НИ, с ограниченными работоспособностью и функционированием при нахождении параметров в пределах от предельно допустимого до предельно возможного при наличии существенного повреждения. 4. Отказа (негодное) − состояния НИ, НР, НФ, при нахождении параметров в пределах от предельно возможного до аварийного и при наличии отказа. Мероприятия ТЭ, такие, как ТО и ремонт, направлены на поддержание и восстановление уровня ТС. II. Эксплуатационная надежность СЭО и СА Лекция 4 Основные понятия, определения и характеристики надежности 1. Понятия и определения. 2. Классификация отказов. 1. Понятия и определения Понятия и определения в области надежности установлены применительно к техническому объекту. Под объектом понимаются СЭЭС в целом, отдельные ее элементы, любое другое СЭО. Объект обладает качеством. Качест во − это совокупность свойств, обусловливающих пригодность объекта выполнять функции в соответствии с назначением. Одним из свойств этой совокупности является надежность. 25 Надежность − это свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, ТО и ремонтов. Надежность − это комплексное свойство, которое состоит из сочетания свойств: безотказности; долговечности; ремонтопригодности; сохраняемости. Безотка знос ть − это свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или наработки. Долговечность − это свойство объекта сохранять работоспособность до предельного состояния при установленной системе ТО и ремонта. Ремон топригоднос ть − это свойство объекта, заключающееся в приспособленности к предупреждению причин возникновения отказов, повреждений и восстановлений работоспособности путем проведения ТО и ремонтов. Сохраняемос ть − это свойство объекта сохранять значения показателей безотказности, долговечности, ремонтопригодности в течение и после хранения или транспортирования. Надежность отличается от понятия живучесть. Живучесть − это свойство объекта, при котором он сохраняет во времени значение всех параметров при воздействии пожара, затопления, взрыва и других аварийных ситуаций. Параме тры СЭО − это i, U, f, r и з , те мпература на гре ва и т.д. В процессе эксплуатации параметры изменяются и СЭО переходит из исправного состояния в другие ТС. Если параметры превышают допустимые пределы, то СЭО переходит в неработоспособное состояние. Переход СЭО из одного ТС в другое происходит при повреждении или отказе. Повреждение – событие, заключающееся в нарушении исправного состояния объекта при сохранении работоспособного. Отказ − событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния. В надежности используются еще и понятия дефекта и неисправности. Дефект − это отдельное несоответствие объекта установленным требованиям. Если есть дефект, то один из показателей или 26 параметров объекта вышел за предельное значение или не выполняется одно из требований нормативно-технической документации. Дефект может быть конструктивный и производственный. Неисправность – это неисправное состояние объекта. Находясь в неисправном состоянии, объект имеет один или несколько дефектов. Отказ объекта может возникнуть при наличии одного или нескольких дефектов. Но появление дефектов не всегда означает, что возник отказ. Дефект и неисправность, в зависимости от их влияния на ТС объекта, могут означать или повреждение, или отказ. Рис. 4. Схема основных переходов ТС: 1 − повреждение; 2 − отказ; 3 − моральное старение СЭО может быть ремонтируемым и неремонтируемым. Ремонтируемое СЭО (неремонтируемое) − для него предусмотрены (непредусмотрены) ремонты в нормативно-технической документации. Ремонтируемое СЭО может быть восстанавливаемым или невосстанавливаемым. 27 Восстанавливаемое (невосстанавливаемое) СЭО − это СЭО, для которого предусмотрено (не предусмотрено) восстановление работоспособности в нормативно-технической документации. Неремонтируемые СЭО всегда невосстанавливаемые. Пример. Транзисторы, тиристоры, диоды, микросхемы и другие полупроводниковые элементы − неремонтируемые и невосстанавливаемые. Генераторы, электродвигатели, трансформаторы и другое оборудование являются ремонтируемыми. Но могут быть восстанавливаемыми или невосстанавливаемыми в зависимости от возможности устранения отказа. Наработка − это продолжительность или объем работы объекта. Наработка до отказа − это продолжительность работы объекта от начала эксплуатации до первого отказа. Наработка между отказами − это продолжительность работы объекта от окончания восстановления работоспособности после отказа до следующего отказа. Относится только к восстанавливаемым СЭО. Технический ресурс − это наработка объекта от начала эксплуатации (или ее возобновления после ремонта) до перехода его в предельное состояние. Для ремонтируемого СЭО отсчет ресурса возобновляется по окончании капитального ремонта. Полный ресурс − это наработка объекта от начала эксплуатации до окончательного прекращения эксплуатации. Срок службы − это календарная продолжительность от начала эксплуатации объекта (или ее возобновления после ремонта) до перехода в предельное состояние. Срок сохраняемости − это календарная продолжительность хранения, в течение и после которой сохраняются значения показателей безотказности, долговечности, ремонтопригодности. 2. Классификация отказов Классифицируют отказы по следующим признакам: − характеру изменения параметров объекта (внезапный, постепенный); − связи с отказами других объектов (независимый, зависимый); 28 − стадии возникновения причины отказа (конструкционный, производственный, эксплуатационный); − устойчивости неработоспособности (самоустраняющийся, перемежающийся). Внезапный (постепенный) отказ характеризуется скачкообразным (постепенным) изменением значений одного или нескольких заданных параметров объекта. Деление отказов на внезапные и постепенные носит условный характер и определяется в основном возможностями контроля параметров объекта. Отказ классифицируется как внезапный, если ему не предшествует направленное изменение какого-либо из наблюдаемых, эксплуатационных параметров и значит невозможно прогнозировать время возникновения такого отказа. Постепенному отказу предшествует закономерное изменение эксплуатационного параметра, что позволяет прогнозировать время возникновения отказа. Независимый (зависимый) отказ − отказ объекта необусловленный (обусловленный) отказом другого объекта. Такое разделение отказов позволяет установить зависимость (независимость) отказа элемента электрической системы от отказа элементов этой же системы. Конструкционные отказы возникают в результате несовершенства или нарушения устанавливаемых правил и норм конструирования объекта. Производственные отказы обусловливаются несовершенством или нарушением устанавливаемого процесса изготовления или ремонта объекта. Эксплуатационные отказы возникают в результате нарушений установленных правил и условий эксплуатации объекта. В СЭО и СА могут возникать отказы, после которых работоспособность самовосстанавливается. Это отказы самоустраняющиеся. Самоустраняющийся отказ одного и того же характера может возникать в СЭО и СА несколько раз через относительно короткие интервалы времени. Этот отказ называется перемежающимся. 29 3. Признаки и причины отказов При отказе объект переходит в неработоспособное состояние, поэтому отказ определяется по признакам неработоспособного состояния (выход значений параметров за допустимые пределы, нарушение признаков нормальной работы), которые устанавливаются нормативно-технической документацией. Например, признаками отказов судовых СА могут быть: − несрабатывание − выходной сигнал не достигает заданного уровня при подаче на вход соответствующего сигнала; − ложное срабатывание − выходной сигнал достигает заданного уровня при отсутствии соответствующего сигнала на входе; − уход сигнала − выходной сигнал выходит за допустимые пределы; при допустимом сигнале на входе снижается r изоляции ниже допустимого уровня; искажение или неустойчивость выходного сигнала при соответствующем входном сигнале. Причинами отказов СЭО и СА могут быть нарушения правил и норм, допущенные при конструировании, производстве и технической эксплуатации, а также процессы изнашивания и старения. Внезапные отказы происходят в основном в результате короткого замыкания или обрыве электрической цепи. Общими причинами внезапных отказов являются конструктивные недостатки, низкое качество изготовления, неправильные действия судового обслуживающего персонала. Постепенные отказы обусловливаются изнашиванием и старением элементов СЭО и СА, особенно изоляции токоведущих частей и подвижных электрических и механических соединений. Старение изоляции, то есть необратимое изменение структурного и химического состава изоляции происходит под воздействием температуры, влажности, вибрации, электродинамических сил и др. Изнашивание элементов электрических соединений ЭМ (коллекторов, контактных колец, щеток) вызывается механическим трением, биением рабочих поверхностей, нагревом в месте контактов и искрением. На износ контактов электрических аппаратов оказывает влияние ток, напряжение, род тока, частота включения, вибрация, окружающая среда. Одним из наиболее важных факторов, влияющих на изнашивание контактов, является электрическая дуга. 30 Статистические данные показывают, что частыми причинами отказов ЭМ является старение изоляции обмоток и износ подшипников. У электрических аппаратов − 60% отказов приходится на контакты, а 40% − поровну на обмотку и механическую часть. Отказы в СА распределяются так: − резисторы 23%; − конденсаторы 3−6%; − элементы с обмотками (трансформаторы, дроссели, катушки индуктивности) − 3−7%; − реле и преключатели − 12%. Самоустраняющиеся и перемежающиеся отказы особенно опасны для СА с ЭВМ и диагностических систем. Установлено, что для цифровой вычислительной техники самоустраняющиеся отказы превышают другие виды отказов в 10−15 раз. Анализ отказов аппаратуры показывает, что 40−45% отказов происходит из-за ошибок, допущенных при конструировании; 20% − из-за ошибок в процессе производства; 30% − в результате неправильной эксплуатации; 5−10% − вследствие естественного изнашивания и старения. Лекция 5 Законы распределения случайных величин в теории надежности 1. Понятия случайных величин. 2. Законы распределения дискретных случайных величин. 3. Законы распределения непрерывных случайных величин. 1. Понятия случайных величин Отказы и восстановление СЭО и СА происходят под влиянием большого числа различных факторов. Поэтому они рассматриваются как случайные события, которые характеризуются случайными величинами, использующимися в теории надежности для количественной оценки надежности. 31 Случайное событие (отказ) – это событие, которое при неоднократном воспроизведении одного и того же опыта может произойти или не произойти. Случайная величина – это переменная величина, значение которой может случайным образом меняться от опыта к опыту. Случайные величины могут быть дискретными и непрерывными. Дискретная (прерывная) случайная величина в определенном промежутке времени может принимать ограниченное, конечное или счетное множество значений. Дискретными случайными величинами являются, например, число отказов, возникающих в течение заданного времени работы какого-либо объекта, число неисправных устройств, число дефектных элементов в некоторой партии изделий и т.п. Непрерывная случайная величина в некотором промежутке времени может принимать несчетное количество значений. Непрерывными случайными величинами, например, являются: время безотказной работы объекта; время восстановления объекта; уровень какого-либо параметра и т.п. Для характеристики непрерывной случайной величины определяют диапазон ее возможных значений, максимальные и минимальные значения. Указать заранее, какое конкретное значение примет случайная величина в данном опыте, невозможно, поэтому для ее характеристики применяются вероятности того, что случайная величина будет равна заданному значению или окажется в указанных пределах возможного ее значения. Случайные величины в задачах надежности (число отказов, наработка, время восстановления и т.п.) могут иметь различные распределения вероятностей. В практических расчетах наиболее часто встречаются следующие законы распределения вероятностей: − для дискретных случайных величин – биноминальный и Пуассона; − для непрерывных случайных величин – экспоненциальный, нормальный и Вейбулла. 32 2. Законы распределения дискретных случайных величин Би н о м и н а л ь н ы й з а к о н р а с п р е д е л е н и я Если при воспроизведении отдельного опыта событие А (отказ) может появляться с вероятностью P, а вероятность его непоявления q = 1 − P, то число появлений события А (отказ) в N независимых опытах (на N объектах) будет случайной величиной, подчиненной биноминальному закону распределения. Согласно этому закону вероятность PN (n) появления события А (отказа) равна n раз при N опытах: n n N-n PN (n) = CN p q, (1) n где CN = N!/(N − n)! n! – число различных сочетаний из N по n. Математическое ожидание появления числа отказов n в N опытах находится: M(n) = Np. (2) Дисперсия и среднеквадратичное отклонение б числа n появлений событий A (отказов) определяются: D(n) = б 2(n) = NP (1 − р). (3) В практических задачах часто требуется определить вероятность хотя бы одного появления события A (отказа) при N опытах. PN(n ≥ 1) = 1 − (1 − p)N. (4) З а к о н р ас п р е д е ле н и я П у а с с он а При распределении Пуассона поток случайных событий (поток отказов, восстановлений), происходящих одно за другим, должен удовлетворять требованиям ординарности, стационарности и отсутствия последствия. Поток отказов называется ординарным, если вероятность совмещения двух и более отказов в один и тот же момент времени настолько мала, что практически такое совмещение является невозможным. 33 Аналитически понятие ординарности можно выразить так: ∞ lim Σ Pn(t, t + ∆t)/ ∆t = 0, ∆t→0 n= 2 (5) или ∞ ∞ n=2 n=1 Σ Pn (t, t + ∆t)/ Σ Pn (t, t + ∆t) = 0. lim ∆t→0 (6) Стационарность означает, что вероятность появления n отказов на участке времени длиной τ зависит только от τ и не зависит от t. Важными характеристиками потока отказов являются мгновенная интенсивность потока λ(t) = lim Ω(t + ∆t) − Ω(t)/∆t = lim Ω(t, t + ∆t)/∆t = ∆t → 0 ∆t → 0 ∞ = lim ∑ nPn (t, t + ∆t ) / ∆t ∆t → 0 n = 1 (7) и мгновенный параметр потока ∞ ω(t) = lim Σ Pn (t, t + ∆t)/∆t, ∆t→0 (8) n=1 где Ω (t, t + ∆t) – среднее число отказов на промежутке (t, t + ∆t); Pn(t, t + ∆t) – вероятность появления на промежутке (t, t + ∆t) равно n отказов (n = 1, 2, …). Для стационарного потока отказов интенсивность потока и параметр потока отказов также не зависят от времени t, т.е. (9) λ(t) = λ = const и ω(t) = ω = const. Если поток отказов ординарный, то (10) λ = ω = const. Наличие свойства стационарности значительно облегчает изучение потока отказов. Однако реальные потоки отказов могут быть в общем случае и нестационарными. Доказать стационарность потока можно только путем статистической обработки результатов его наблюдения. Отсутствие последствия показывает, что вероятность появления определенного числа отказов n в течение некоторого промежутка 34 времени не зависит от числа и характера возникновения отказов до начала этого промежутка. Распределение Пуассона определяет вероятность Рn появления n отказов в заданном интервале времени t: Pn = an l-a/n!, (11) где а – среднее число отказов за время t (математическое ожидание числа отказов в интервале времени t). Если в среднем в единицу времени наступает λ отказов, то а = λt и формулу (11) можно записать: Pn = (λt)n l-λt/n! Согласно ∞ ∑ теореме сложения вероятностей (12) выражение Pn = 1 рассматривается как сумма вероятностей полной груп- n=0 пы несовместных событий. С учетом формулы (12), задаваясь значениями n = 0, 1, 2, …, можно записать: ∞ ∑ (λt )l − λt / n! = 1, (13) n =0 l-λt + λt l-λt + (λt)2 l-λt/2 + (λt)3 l-λt/6 +…. = 1. (14) Выражение (14) имеет важное практическое значение, т.к. каждый член ряда определяет вероятность появления соответствующего числа отказов n за время t: первый член определяет вероятность отсутствия отказов − P(t) = l-λt; второй − определяет вероятность появления одного отказа – λtℓ-λt; третий – вероятность появления двух отказов − (λt)2 l-λt/2 и т.д. 3. Законы распределения непрерывных случайных величин Экспоненциальный закон распределения Рассмотрим величины надежности. P(t) – вероятность безотказной работы объекта, системы. Q(t) – вероятность отказа объекта, системы. 35 λ(t) – интенсивность отказов. f(t) – плотность вероятности отказа в момент t. Тср – средняя наработка до отказа. При этом законе распределения величины будут определяться следующим образом. Исходя из выражения (14), P(t) определится так: (15) P(t) = l-λt. Вероятность отказа Q(t) = 1 – P(t) = 1 − lλt. Плотность вероятности отказа l(t) = (16) dQ(t)/d(t) = λl-λt . (17) Физический смысл f(t) заключается в том, что она определяет вероятность отказа в малый промежуток времени. Интенсивность отказов (условная плотность вероятности отказа) λ(t) = f(t)/P(t) (18) Интенсивность отказов показывает, какая часть от работоспособных в некоторый момент времени объектов отказывает в единицу времени после этого момента (рис. 5). При экспоненциальном законе распределения величина λ(t) определится таким образом: λ(t) = λl-λt/l-λt = λ = const. (19) Средняя наработка до отказа Тср – математическое ожидание (среднее значение) наработки объекта до отказа. При экспоненциальном законе распределения ∞ ∞ ∞ ∞ Тср = ∫tƒ(t)dt = − ∫t dP(t)/dt ∞ dt = ∫P(t)dt. (20) При экспоненциальном законе распределения ∞ ∞ ∞ ∞ Tcр = ∫ P(t )dt = ∫ λ−λt dt = 1 / λ . 36 (21) Рис. 5. Зависимость P, Q, ƒ, λ от времени при экспоненциальном законе распределения При P(t) ≥ 0,9 и λt ≤ 0,1 с достаточной точностью для практических расчетов их можно заменить приближенными, основанными на разложении функции l-λt в ряд до линейных членов lλt = 1 − λt + (λt)2/2 − (λt)3/6 + …; P(t) ≈ 1 −λt = 1 − t/Tср; Q(t) ≈ λt = t/Tср; ƒ(t) ≈ λ (1 − λt). (22) Опыт эксплуатации показывает, что экспоненциальный закон распределения характерен при внезапных отказах СЭО и СА в период нормальной эксплуатации, когда явления изнашивания и старения выражены слабо. Н о р м ал ь н ы й з а к о н р а с п р е д е л е н и я При нормальном законе распределения (рис. 6) определяются законы изменения Q(t) и f(t): f (t ) = exp[−(t − Tcp ) 2 / 2δ 2 ] / δ 2π . (23) Величины ƒ(t) и Q(t) определяются двумя независимыми параметрами Тср и среднеквадратическим отклонением δ. 37 Если z = t – Tср/ δz, то Z Q(t) = 1 / ∫l-0,5Z2dz = 0,5 + Ф(z), 2π (24) −∞ z где ф( z ) = 1 / 2π ∫ λ−0,5 z dz − интеграл вероятностей, значения ко2 торого даются в табличной форме. Рис. 6. Зависимость P, Q, ƒ, λ от времени t при нормальном законе распределения При этом законе распределения случайная величина может принимать любые значения от −∞ до +∞. Если б << Тср, что соблюдается при оценке надежности СЭО и СА с нормальным распределением наработки, то вероятностью отрицательных значений случайной величины в практических расчетах можно пренебречь и пользоваться выражениями (23), (24). Нормальный закон распределения характерен при постепенных отказах, которые сильно проявляются в период интенсивного изнашивания (старения) объекта. 38 З ак о н р а с п р е д е л е н и я В е й б у л л а При этом законе характеристики определяют так: R P (t ) = l − λ0t k ; f (t ) = λ 0 kt k −1 l − λ0t ; λ (t ) = f (t ) / P (t ) = λ 0 kt k −1 l −λ0t R k / l − λ0 t R = λ0 Rt R −1 ; (25) ∞ Tcp = ∫ P(t )d (t ) = Г (k −1 + 1) / λ1 / k , ∞ где Г(k +1) = -1 k/ 1 −x 1 / -x ∫ x l dx ∫x k ℓ dx – гамма-функция, значения кото0 рой даются в табличной форме. 39 λ(t) k>1 k= 1 k<1 t П р и м е ч а н и е . Закон распределения Вейбулла широко используется при определении характеристик надежности в период приработки объектов, для описания систем с большим количеством однотипных элементов. При выборе теоретического закона распределения для СЭО и СА необходимо учитывать следующее: нормальный закон распределения характерен при постепенных отказах, которые сильно проявляются в период интенсивного изнашивания (старения); экспоненциальный закон характерен при внезапных отказах в период нормальной эксплуатации (17–20 лет); закон распределения Вейбулла действует в период приработки и при совместном действии постепенных и внезапных отказов. Коэффициенты вариации, характеризующие закон распределения, находятся в пределах: V ≤ 0,4 – для нормального закона; V = 0,4−0,8 – для закона Вейбулла; V ≥ 0,8−1,0 – для экспоненциального закона. Лекция 6 Количественные характеристики надежности 1. Единичные показатели надежности. 2. Комплексные показатели надежности. 3. Номенклатура показателей надежности. 40 1. Единичные показатели надежности Б е з о т к а з н о с ть . Н е в о с с т а н а в л и в ае м ы е о б ъ е к ты Для количественной характеристики безотказности невосстанавливаемых объектов служат: вероятность безотказной работы P(t); интенсивность λ(t); средняя наработка до отказа Tср. Для СЭО в период нормальной эксплуатации характерен экспоненциальный закон распределения случайных величин. При этом отказы в основном носят внезапный характер. (26) P(t) = e-λt; λ (t) = λ = const; Tср = 1/λ. Если время работы объекта принять равным Tср, то t = Tср = 1/λ и вероятность безотказной работы за Тср будет равна Р (Тср) = еt/Tср = =е1 = 0,368), т.е. надежную работу СЭО в период нормальной эксплуатации можно получить только для интервала времени, существенно меньшего Тср: t << Тср. Для СЭО и СА обычно Р(t) > = 0,9 и λt < = 0,1, поэтому по формуле Р(t) = 1−λ t = 1−t/Тср можно определить время, в течение которого может быть обеспечена требуемая P(t): при P(t) > = 0,9 время работы объекта должно быть (T) = 0,1 Тср; при Р(t) = 0,95 − t = 0,05Тср. На практике при неизвестном законе распределения пользуются статистическими оценками показателей по данным об отказах объектов. (27) Ρ(t). ≈ N(t)/N(0) = 1 − n(t)/N(0); P(t1, t2) = N(t2)/N(t1); (28) Q(t) ≈ n(t)/N(0); Q(t1, t2) = 1 − (N(t2)/N (t1 )); (29) ƒ(t) = n(t + ∆t) − n(t)/N(0) ⋅ ∆t; (30) λ (t) = n(t + ∆t) − n(t)/N(t) ⋅ ∆t; N ( 0) Т ср = 1 / N ( 0) ∑ tj , j =1 (31) где N(0), N(t); N(t1), N(t2) − число работоспособных объектов при t = 0, моменты t, t2, t3; n(t), n( t+ ∆t) − число отказавших объектов за время t и в интервале времени (t; t + ∆t); tj − время работы до отказа j-го объекта при условии, что все N(0) наблюдаемых объектов отказали за время испытаний. 41 В о с с т а н а в л и в а е м ы е о б ъ е к ты Для количественной характеристики безотказности восстанавливаемых объектов служат: − вероятность безотказной работы P(t); − параметр потока отказов ω(t); − наработка на отказ T0. Процесс эксплуатации восстанавливаемого СЭО и СА представляется так. Объект начинает работу и работает какое-то время t1 до первого отказа. После отказа работоспособность объекта мгновенно восстанавливается в момент t1, и он снова работает время t2 до следующего отказа, затем мгновенно восстанавливается в момент t2 и т.д. Моменты отказов образуют на оси непрерывного времени поток отказов. Поток отказов характеризуется математическим ожиданием числа отказов за время t. Ω (t) =M [n(t)], (32) где М − математическое ожидание; n(t) − число отказов за время t. Параметр потока отказов – это величина Ω (t) =M [n(t)], (33) которая и характеризует среднее число отказов, ожидаемых в малом интервале времени. На практике ω(t) определяется статистически: N N ϖ (t ) ≈ ∑ n (t + ∆t ) − ∑ n (t ) / N∆t , i i =1 i (34) i =1 где N − число наблюдаемых объектов; ni(t + ∆t), ni(t) − количество отказов за время (t + ∆t) и t. При экспоненциальном законе распределения времени между отказами в пуассоновском потоке отказов вероятность появления отказов будет Pn(t)= (λt)n e-λ t/n! (35) Если λt = Ω(t) – математическое ожидание числа отказов в интервале (0, t), тогда ω(t) = d λt / dt = λ. (36) 42 Для экспоненциального закона распределения параметра ω(t) , т.е. среднее число отказов восстанавливаемого объекта в единицу времени, численно равен λ невосстанавливаемого объекта. Вероятность безотказной работы объекта до первого отказа в течение времени работы t0, начиная с момента (κ−1) восстановления статистически определяется: PR(t0) ≈ NR(t0)/ NR(0), (37) где Nκ(t0) − число объектов, не отказавших ни разу к моменту t0; NR(0) − общее число работoспособных объектов в момент t0. Средняя наработка на отказ T0 = T/Ω(t), (38) где T − наработка объекта, Ω(t) − математическое ожидание числа отказов объекта в течение T. Статистически T0 определяется: (39) T0 = t2 − t1 / n ср (t2) − n ср ( t1), N где nср (t ) = N −1 ∑ ni (t ) − среднее число отказов до наработки t; i =1 ni(t) − число отказов каждого из наблюдаемых N объектов до наработки t. Для пуассоновского потока отказов (простейшего) T0 = Tср. (40) Для восстанавливаемого СЭО и СА значение P(t) целесообразнее определять до первого отказа. Д о л г о в е ч н о с ть Количественными характеристиками долговечности восстанавливаемых и невосстанавливаемых объектов являются следующие. 1. Средний ресурс Tp cp. Tр ср. ∫ Tp cp = ƒt ƒp (t)dt, (41) Где fp(t) − плотность распределения ресурса. Статистически Tp cp определяется: N Tp cp = N Σ Tpi, -1 i=1 43 (42) где N − число однотипных наблюдаемых объектов; Tp i − ресурс i-го объекта. 2. Гамма % – ресурс Tpγ; Tpγ − наработки объекта, в течение которой он не достигнет предельного состояния с заданной вероятностью в процентах. Tpγ определяется из уравнения Tpγ 1 – Fp (Tpγ) = 1 − ∫ƒp (t)dt = γ/100, (43) где Fp(Tpγ) − функция распределения ресурса при Tpγ. При γ = 100% гамма %-ресурс называется установленным, при γ = 50% – медианным ресурсом. Гамма %-ресурс для невосстанавливаемых объектов определяется по известной зависимости P(t). 3. Назначенный ресурс Tp н. Tp н – суммарная наработка объекта, при достижении которой применение по назначению прекращается. P(t) объекта в течение времени, равного Tp н, должна приближаться к единице. Величина Tp н применяется для объектов, отказ которых может привести к тяжелым последствиям. 4. Средний срок службы Tcл cp. N Tcл cp = N Σ Tcл i, -1 i=1 где Tcл i − срок службы i-го однотипного объекта; 44 (44) 5. Гамма % – срок службы Tcл γ. Tcл γ − календарная продолжительность эксплуатации, в течение которой объект не достигает предельного состояния с заданной вероятностью γ. Определяется по формуле (43). Различают также средний срок службы между соответствующими ремонтами, средний срок службы до ремонта, средний срок службы до списания и назначенный срок службы. Характеристики долговечности указываются в паспортах, формулярах и другой эксплуатационной документации и являются основанием для отправки объекта в ремонт или для его списания и замены. Для СЭО, переход которого в предельное состояние обусловлен суммарной наработкой, в качестве основной характеристики долговечности принимается средний ресурс. К такому СЭО относятся генераторы и электроприводы, работающие в продолжительном режиме. Для СЭО, работающего в кратковременном режиме (ЭП шпиля, лебедок, кранов и др.), переход которого в предельное состояние обусловлен действием окружающей среды, в качестве характеристики долговечности служит средний срок службы. Элементы СЭО и СА с целью обеспечения рациональной стратегии ТО и ремонта по долговечности разделяются на три группы: 1. Долговечные элементы, средний ресурс (срок службы) которых не менее среднего ресурса устройства до списания. Это базовые элементы и детали. 2. Недолговечные элементы, средний ресурс которых не менее среднего ресурса устройства до капитального ремонта. 3. Быстро изнашиваемые элементы, до списания которых средний ресурс обеспечивает работоспособность устройства между плановым ТО и ремонтом. Р е м о н т о п р и г о д н о с ть СЭО и СА являются в основном ремонтируемыми и восстанавливаемыми. Основными количественными характеристиками ремонтопригодности являются следующие: 1. Среднее время восстановления Тв ср. 45 Тв ср − математическое ожидание времени восстановления работоспособности. Оно состоит из времени обнаружения, поиска причины и устранения последствий отказа. n Tв cp ≈ n Σ Tвi, -1 (45) i=1 где Tвi – среднее время восстановления устройства; n − число отказавших однотипных устройств. 2. Вероятность восстановления в заданное время Pв(t). Pв(t) – вероятность того, что время восстановления работоспособности объекта не превышает заданного. Pв(t) ≈ Nв(t)/ Nв(0), (46) где Nв(0) и Nв(t) – число однотипных устройств, восстанавливаемых при t = 0 к моменту t. 3. Плотность вероятности времени восстановления ƒв(t). ƒв(t) = dPв(t)/dt = Pв(t); (47) ƒв(t) ≈ Nв(t + ∆t) – Nв(t)/Nв (0) ∆t. (48) 4. Интенсивность восстановления µ(t). µ (t) = ƒв(t)/Qв(t), (49) где Qв(t) − вероятность невосстанавливания. (50) µ (t) ≈ Nв(t + ∆t) − Nв(t)/[Nв(0) − Nв(t)] ∆t. При экспоненциальном законе распределения времени восстановления Q (t ) = е − µt ; P (t ) =1 − е− µt ; B B ∞ ∞ Tв cp = ∫ Qв(t)dt = ∫e–µtdt = 1/µ. (51) В условиях эксплуатации характеристики ремонтопригодности СЭО и СА во многом зависят от знания судовым персоналом методов поиска дефектов и устранения причин отказов, принятого вида ТО и ремонта, их организации, наличия запасных частей. С ох р а н я е м о с т ь Количественными характеристиками сохраняемости являются следующие: 1. Средний срок сохраняемости Tсохр ср. 46 n Тсохр ср = N Σ Tсохр, -1 (52) i=1 где Тсохр i − срок сохраняемости i-го объекта; N – число наблюдаемых однотипных объектов. 2. Гамма % − срок сохраняемости Тсохр.γ. Тсохр.γ − срок сохраняемости, который будет достигнут с заданной вероятностью γ. Величина Тсохр γ определяется из уравнения (53) 1 – Fсохр (t) = 0,01γ, где Fсохр (t) − функция распределения срока сохраняемости. Расчет характеристик сохраняемости по данным эксплуатации осуществляется аналогично расчету характеристик безотказности по значению λ для этапов хранения и транспортирования. При соблюдении правил хранения и транспортирования элементов СЭО и СА они обычно не изменяют заданных характеристик. 2. Комплексные показатели надежности СЭЭС, СЭО и СА представляют собой многоэлементные объекты, поэтому чаще используют комплексные показатели надежности − такие, как: коэффициент готовности Кг; коэффициент технического использования Кт и; коэффициент оперативной готовности Ко г; средняя суммарная трудоемкость ремонтов. Коэффициент готовности Кг = Т0/ Т0 + Тв ср. (54) Кг – это вероятность того, что объект окажется в работоспособном состоянии в любой момент времени, кроме периодов ТО и ремонта. При экспоненциональном законе распределения Т0 =1/λ; Тв ср = 1/µ ; Кг = µ/λ+µ. (55) Коэффициент готовности характеризует безотказность и ремонтопригодность. Коэффициент технического использования Кт и = Тр∑ / Тр∑ + Трем + Т т о , (56) где Тр∑ − суммарная наработка всех однотипных объектов; Трем – суммарное время простоев из-за ремонтов всех объектов; Тт о – суммарное время простоев из-за ТО всех объектов. 47 Кт и показывает, какое среднее относительное время объекта находится в работоспособном состоянии за какой-то период эксплуатации с учетом простоев на ТО и ремонт. Кт и характеризует безотказность и ремонтопригодность и учитывает затраты времени на ТО и ремонты. Коэффициенты Кг и Кт и характеризуют готовность СЭО и СА для работы под током. Они зависят от свойств СЭО и СА и организации их эксплуатации. Коэффициент оперативной готовности Ко г. Ко г – вероятность того, что объект находясь в режиме ожидания, окажется работоспособным в любой момент времени t и, начиная с этого момента, будет работать безотказно в течение интервала времени tр. Ко г = Кг Р(t). (57) По данным эксплуатации, Ко г определяется так: Ко г ≈ N(t, tp)/N(О), (58) где N(t, tp) – число исправных объектов; N(О) − число наблюдаемых объектов. Средняя суммарная трудоемкость ТО N Тт о ср ∑ -1 =N n Σ Σ Тт о i g j, (59) i=1 κ=1 где N – число наблюдаемых объектов; j = 1, 2, …, n – количество видов ТО объектов; Тт о i j – трудоемкость j-го вида ТО i -го объекта за определенный период эксплуатации t. Средняя суммарная трудоемкость ремонтов n Tрем ср ∑ = N ∑ -1 i=1 m ∑Tрем k=1 i , k, (60) где k = 1, 2, …, m − количество видов ремонтов объектов; Трем i k – трудоемкость k-го вида ремонта i-го объекта за период эксплуатации t. Тто ср Σ (t) и Трем ср Σ (t) отражают уровень надежности СЭО и СА, т.к. учитывают за определенный период эксплуатации совместное влияние безотказности, долговечности, ремонтопригодности. Эти показатели учитывают потери эксплуатационного времени на ТО и ремонт. 48 3. Номенклатура показателей надежности Для СЭО и СА эффективность эксплуатации в большой степени зависит от их надежности. Особенно это касается СЭО и СА ответственного назначения, отказ которого ведет к ограничению хода маневренности и безопасности плавания судна. Поэтому важной задачей теории надежности является определение номенклатуры и целесообразных значений показателей надежности. В номенклатуру включаются те показатели, которые более полно характеризуют надежность того или иного СЭО, и которые поддаются инженерскому расчету при проектировании и достаточно просто определяются в процессе эксплуатации. Номенклатура показателей надежности выбирается в зависимости от: класса объекта, режима эксплуатации, группы эксплуатации, группы надежности, а также принципа ограничения длительности использования. Классы объекта: 1-й − невосстанавливаемые элементы общего назначения (диоды, транзисторы, тиристоры, конденсаторы, подшипники и др.); 2-й − неремонтируемые и невосстанавливаемые элементы (коммутационные и защитные аппараты, приборы и др.); 3-й − восстанавливаемые элементы (генераторы, ЭД и др.). Группы надежнос ти: I. К ней относятся объекты, последствиями отказов которых могут быть: потеря управления, ограничение или потеря хода судна, ограничение маневренности и безопасности плавания судна. II. К ней относятся объекты, последствиями отказов которых могут быть: частичная потеря основных функций различных судовых систем и устройств. III. К ней относятся объекты, последствиями отказов которых могут быть: не связанные с материальными потерями простои СТС, обусловленные необходимостью устранения неисправностей СЭО и СЭА. Ограничение длительности использования: – назначенное − для объектов I и II групп надежности, оценка ТС которых не влияет на срок прекращения использования; 49 – вынужденное − для объектов III группы надежности, I и II групп, когда срок прекращения использования определяется по результатам оценки состояния. Таблица показателей надежности СЭО при различных режимах эксплуатации дана в Прил. 3. Для СЭО и СА установлены нормы показателей надежности, которые приводятся в нормативных документах и Правилах Российского Морского и Речного Регистров. Например, для СЭО и СА I, II групп надежности значения Кг, P(t), Ко г должны быть не менее 0,95 и 0,87 соответственно, а значения Тр ср, Тсл ср не менее 25 000 часов и 20 лет соответственно. Лекция 7 Влияние судовых условий эксплуатации на показатели надежности СЭО и СА 1. Эксплутационные факторы и учет их влияния на надежность. 2. Периоды эксплуатации СЭО и СА. 1. Эксплуатационные факторы и учет их влияния на надежность Факторы, которые влияют на надежность СЭО и СА при эксплуатации разделяют на объективные и субъективные. Объективные факторы: климатические, механические, биологические. Субъективные факторы: квалификация обслуживающего персонала, организация ТО и ремонтов, соблюдение правил технической эксплуатации. Климатические факторы существенно влияют на надежность СЭО и СА. Сочетание повышенной температуры, высокой влажности, наличие паров нефтепродуктов и паров солей приводят к интенсивному разрушению изоляции, потере ее диэлектрических свойств. Твердые частицы и пыль оказывают абразивное действие в подвижных и вращающихся частях автоматических выключателей, контакторов, контроллеров, щетках, коллекторах, кольцах и 50 подшипниках. Это приводит к быстрому изнашиванию подвижных и вращающихся частей, а в конечном итоге и к повреждениям и отказам. Механические факторы обусловлены ударами и вибрацией, которые приводят элементы СЭО и СА к повреждению и даже разрушению. Для конструктивных элементов аппаратуры наиболее опасными являются вибрации с частотами 15–150 Гц, вызывающими резонансные явления. Биологические факторы, в виде грибковых образований и плесени, проявляются при повышенных температуре (25 ÷ 40°С) и влажности. Они снижают поверхностное сопротивление изоляции, образуя токопроводящие перемычки, и разрушают металлические и неметаллические элементы выделяемыми кислотами. Большое влияние на показатели надежности оказывают субъективные факторы. Обслуживающий персонал должен уметь эффективно использовать СЭО и СА по назначению, предупреждать, отыскивать и устранять повреждения и отказы. Влияние квалификации уменьшается с ростом автоматизации процессов управления и введения систем автоматического контроля и поиска дефектов. Организация ТО и ремонтов оказывает безусловное влияние на надежность СЭО и СА, так как качественное и своевременное проведение ТО и ремонтов обеспечивают необходимую безотказность и долговечность СЭО и СА с наименьшими затратами средств и времени. Нарушение обслуживающим персоналом правил технической эксплуатации, несоблюдение инструкций и указаний приводит к различным повреждениям и отказам СЭО и СА, уменьшает его ресурс. Следовательно, надежность элементов СЭО и СА зависит от многих объективных факторов, которые необходимо учитывать. Учет влияния различных факторов производится введением соответствующих поправочных коэффициентов, учитывающих относительное увеличение интенсивности отказов СЭО и СА по сравнению с полученными в нормальных условиях эксплуатации: n λ = λn ∏ ai , i =1 (61) где аi – коэффициент, учитывающий изменение λn под воздействием i-го эксплуатационного фактора; n – общее число эксплуатационных факторов. 51 Поправочные коэффициенты ai для увеличения λ : от действия ударных нагрузок – 1,05; от действия вибрации – 1,3; от одновременного воздействия этих факторов – 1,37; от климатических условий – 1,0;2,0;2,5 соответственно при влажности и температуре 60−70% и 20÷40°С; 90–98% и 20÷25°С; 90−98% и 30÷40°С. При эксплуатации необходимо также учитывать фактическую нагрузку элементов СЭО и СА, для этого вводится коэффициент нагрузки κ н . Он определяется отношением фактического нагрузочного параметра к его номинальному значению. Под нагрузочным параметром понимается характерный для данного элемента параметр, определяющий его надежность. (Значения коэффициентов нагрузки элементов СЭО и СА даны в прил. 4). Зависимости поправочного коэффициента аi от коэффициента нагрузки κ н носят нелинейный характер (рис. 7). Рис. 7. Зависимости поправочного коэффициента от коэффициента нагрузки электродвигателей (а) и контакторов, магнитных пускателей, выключателей (б) Рассмотренные факторы и ряд других влияют на надежность СЭО и СА и должны учитываться при определении показателей надежности по справочным данным. В расчетах надежности СЭЭС обычно пользуются показателями надежности элементов, полученными при обработке данных по отказам и из технической документации. 52 2. Периоды эксплуатации СЭО и СА Различают три характерных периода эксплуатации: I – период приработки; II – период нормальной эксплуатации; III – период интенсивного изнашивания (старения) (рис. 8). Рис. 8. Зависимость интенсивности отказов СЭО от времени эксплуатации при нормальной (1) и пониженной нагрузке (2) Период приработки Характеризуется повышенной интенсивностью отказов по причине грубых конструктивных, технологических и производственных дефектов. Эти отказы устраняются путем замены неисправных элементов или путем приработки этих элементов (притирание щеток к контактным кольцам, восстановление поврежденной изоляции и т.п.). Статистические данные показывают, что в этот период для определения показателей надежности может быть использован закон распределения Вейбулла. Период приработки обычно заканчивается в первый год эксплуатации СЭО и СА. 53 Период нормальной э ксплуатации Длится примерно 20–25 лет. В этот период СЭО и СА работает эффективно с наименьшими затратами на ТО и ремонт. При нормальной эксплуатации постепенные отказы (износные) практически не сказываются − обычно происходят внезапные отказы, которые носят случайный характер. К началу II периода интенсивность отказов становится минимальной и приблизительно постоянной: λ = const . Поэтому для расчета показателей надежности может быть использован экспоненциальный закон распределения. Постоянство λ для большинства СЭО и СА в этот период эксплуатации подтверждается статистическими данными из практики. Работоспособность СЭО и СА восстанавливается заменой или восстановлением элементов при ТО и ремонтах. При правильно выбранных периодичностях ТО и ремонтов СЭО длительное время не будет отказывать из-за изнашивания (старения). Если нагрузка объекта меньше номинальной κ н < 1 , то интенсивность отказов во всех периодах эксплуатации уменьшается, а длительность периодов приработки и нормальной эксплуатации возрастает. Период интенс ивного изнашивания (ста рения ) Является конечным периодом эксплуатации. Интенсивность отказов при этом возрастает. Зависимость интенсивности отказов от времени определяется в основном постепенными (износными) отказами элементов. Постепенные отказы, как и внезапные, носят случайный характер. Статистические данные по эксплуатации СЭО и СА показывают, что в III период для определения показателей надежности может быть использован нормальный закон распределения, или закон Вейбулла. Последний период эксплуатации относительно непродолжительный. Внезапные и постепенные отказы являются событиями независимыми, поэтому вероятность безотказной работы (62) P (t ) = Pвн (t ) Pн (t ) . Внезапные отказы подчиняются экспоненциальному закону, постепенные − нормальному, поэтому формула для определения P(t) примет вид: 54     − t λ P(t ) = e 1− δ        t − (t −T ) 2 / 2δ 1   − 1 ср αt  . 2Π  ∫ e        (63) Лекция 8 Понятия о логических и структурных схемах электрических систем 1. О расчете надежности судовых электрических систем. 2. Структурные и логические схемы электрических систем. 1. О расчете надежности судовых электрических систем В предыдущих лекциях были рассмотрены количественные показатели надежности отдельных объектов, которые могут входить в качестве элементов в состав судовых электрических систем. При рассмотрении вопросов надежности СЭЭС в качестве ее элементов рассматриваются генераторы, автоматические выключатели, преобразователи, распределительные устройства, различные средства автоматики и так далее, которые сами являются сложными техническими устройствами. Элементом электрической системы считается часть системы, выполняющая определенные функции и не подлежащая дальнейшему расчленению на части (элементы) при данной подробности рассмотрения. При расчете надежности различают восстанавливаемые и невосстанавливаемые электрические системы. У восстанавливаемых систем работоспособность в случае отказа подлежит восстановлению в рассматриваемой ситуации, у невосстанавливаемых систем работоспособность в случае отказа не подлежит восстановлению в рассматриваемой ситуации. При расчете надежности под невосстанавливаемой ЭС понимается система, работа которой рассматривается до первого отказа, а восстанавливаемая ЭС является системой многократного действия. 55 Расчет надежности СЭЭС может выполняться на стадии проектирования и в процессе эксплуатации. При проектировании СЭЭС расчеты надежности выполняются с целью выбора рационального варианта их структуры и для обеспечения заданных показателей надежности. В период проектирования сведений о характеристиках надежности элементов и условиях их работы, как правило, недостаточно, поэтому расчет надежности является приближенным. В процессе эксплуатации расчет надежности СЭЭС выполняется на основе эксплуатационных показателей надежности элементов с целью определения эксплуатационных показателей надежности системы, выявления элементов, снижающих надежность системы, и разработки рекомендаций по повышению надежности СЭЭС путем использования более надежных элементов, совершенствования структуры системы дополнением ее перемычками и линиями питания, резервирования отдельных элементов, изменения номенклатуры и количества запасных частей. Исходными данными для расчета надежности СЭЭС является принципиальная схема системы, характеристики надежности входящих в нее элементов, перечень и характеристики режимов работы системы. При расчете надежности принципиальная схема СЭЭС должна быть преобразована в расчетную структурную схему, отражающую функционально-логические связи элементов. С этой целью проводится анализ принципиальной схемы СЭЭС и режимов ее работы, оценивается влияние отказа каждого элемента на работоспособность системы. Обычно предполагается, что элементы и система могут находиться в двух состояниях – работоспособном и неработоспособном, а отказы элементов являются событиями независимыми. В расчетной структурной схеме элементы системы обозначаются прямоугольниками или кружками и нумеруются, а функциональные соединения (например, кабельные линии), вероятностями отказов которых можно пренебречь, и логические связи обозначаются линиями. В результате расчета надежности СЭЭС определяются один или несколько показателей надежности: вероятность безотказной работы системы Pc (t ) ; средняя наработка до отказа Tср или средняя наработка на отказ Tо ; коэффициент готовности K г и др. 56 2. Структурные и логические схемы электрических систем Элементы ЭС с точки зрения их взаимодействия в расчетной структурной схеме могут соединяться между собой последовательно (конъюнктивная связь И – логическое умножение, знак конъюнкции &), параллельно (дизъюнктивная связь ИЛИ – логическое сложение, знак дизъюнкции ∪ ), последовательнопараллельно (смешанная связь) и с использованием перемычек (мостиковая структура) (рис. 9). а) б) в) г) Рис. 9. Схема соединения элементов при расчете надежности При последовательном соединении элементов в структурной схеме (рис. 9, а), необходимым и достаточным условием работоспособности является работоспособность всех элементов. При параллельном соединении элементов необходимым и достаточным условием работоспособности является работоспособность какого- 57 либо одного элемента (рис. 9, б). Мостиковая структура (рис. 9, г) не является последовательно-параллельным соединением, но довольно-таки часто встречается при рассмотрении СЭЭС. Для расчета надежности ЭС необходимо описать условия работоспособности системы. Наиболее рационально это может быть сделано на основе структурной схемы, формализованной с помощью функции алгебры логики (ФАЛ). В понятиях алгебры логики, оперирующей двоичными переменными, состояние системы является функцией y(x1, x2,…, xk), принимающей два значения, 0 (неработоспособное состояние), 1 (работоспособное состояние), аргументами которой являются элементы ЭС − x1, x2,…, xk, которые могут находиться в двух состояниях 0 и 1. Тогда условия работоспособности соединений элементов на рис. 9 можно записать следующим образом: − для последовательного соединения: Y(x1, x2, x3) = x1x2x3; (64) − для параллельного соединения: Y(x1, x2, x3) = x1 ∪ x2 ∪ x3; (65) − для смешанного соединения: Y(x1, x2, x3) = x1 ∪ (x2x3). (66) Для мостиковой структуры (рис. 9, г) условия работоспособности записываются посредством перечисления кратчайших путей успешного функционирования (КПУФ) ЭС. Кратчайший путь успешного функционирования ЭС представляет собой набор (конъюнкцию) работоспособных элементов системы, из которого нельзя изъять ни одного элемента без нарушения работоспособности ЭС. Y(x1, ..., x5) = (x1x3) ∪ (x2x4) ∪ (x1x5x4) ∪ (x2x5x3). (67) В матричной форме условия работоспособности мостиковой структуры запишутся: Y(x1,…, x5) = X1X3 (68) X2X4 X1X5X4 . X2X5X3 Вместо условий работоспособности ЭС могут рассматриваться противоположные ей условия отказа системы в виде дизъюнкций 58 минимальных сечений отказов. Минимальное сечение отказов (МСО) − это такой набор (дизъюнкция) отказавших элементов, который гарантирует неработоспособность системы, причем удаление из минимального сечения любого элемента восстанавливает работоспособность системы. Для мостиковой структуры (рис. 9, г) запишем работоспособность через минимальное сечение отказов: Y(x1, …, x5) = (x1 ∪ x2)(x3 ∪ x4)(x1 ∪ x4 ∪ x5)(x2 ∪ x3 ∪ x5). В матричной форме Y(x1,…, x5) = X1 X3 X2 X4 X1 X4 X5 X2 X3 X5 (69) (70) . Условия работоспособности графически можно представить в виде двух схем, эквивалентных в смысле логики реальной системы (рис. 10): а) б) Рис. 10. Эквивалентные логические схемы мостиковой структуры а) при параллельном соединении кратчайших путей успешного функционирования; б) при последовательном соединении минимальных сечений отказов. 59 Лекция 9 Методы расчета надежности простых и сложных невосстанавливаемых электрических систем 1. Расчет надежности простых ЭС. 2. Методы расчета надежности СЭЭС без учета восстановления. 1. Расчет надежности простых ЭС Для того, чтобы определить вероятность безотказной работы Pc(t) или вероятность отказа Qc(t) ЭС, необходимо перейти от ФАЛ, описывающей условия работоспособности системы, к вероятностной функции (ВФ). (71) Pc(t) = Bер[у(х1, …, хR) = 1], (72) Qc(t) = Bер[у(х1, …, хR) = 0]. Вероятности Pc(t) и Qc(t) зависят от вероятности Pi(t) = Вер (xi = 1) и Qi(t) = Вер (xi = 0) каждого элемента xi, входящего в систему. При последовательном соединении элементов в системе и независимости отказов элементов, функция работоспособности описывается конъюнкцией: R yc(x1, x2, …, xR) = & xi. i=1 (73) Известно, что вероятность произведения нескольких независимых событий равна произведению вероятностей этих событий. В нашем случае R Pc(t) = ПPi(t); (74) i=1 R Qc(t) = 1 − Pc(t) = 1 − ПPi(t). i=1 60 (75) Если вероятность безотказной работы каждого из R элементов изменяется по экспоненциальному закону, то R Pc(t) = Пℓ-λit = ℓ-λ1t…..ℓ-λRt = ℓ-λct, (76) i=1 R где λc = ∑λi – интенсивность отказов системы. i=1 Значит, при последовательном соединении элементов вероятность безотказной работы ЭС в этом случае изменяется также по экспоненциальному закону. Средняя наработка до отказа системы будет равна: ∞ ∞ Тср = ∫Рс(t) = ∫ℓ-λct dt = 1 λc . (77) Из анализа выражений (74), (76), (77) следует, что ЭС из последовательно соединенных элементов имеет Pc(t) и Тср ниже, чем у входящих в нее элементов. Если система имеет одинаковые элементы, то: Pc(t) = PRэ(t). (78) Вывод: при заданной вероятности безотказной работы элементов Pэ(t) увеличение их числа ведет к резкому снижению вероятности безотказной работы Pc(t)-системы. При параллельном соединении элементов в системе функция работоспособности описывается дизъюнкцией: R yc(x1,…, xR) =Vxi. i=1 Если условием отказа системы является отказ всех элементов системы, то R Qc(t) = П Qi(t); (79) i=1 R R Тогда Pc(t) = 1 − Qc(t) = 1 − П Qi(t) = 1 − П[1 – Pi(t)]. i=1 61 i=1 (80) При экспоненциальном законе изменения Pi(t) = ℓ-λit с учетом, что функцию ℓ-λit можно разложить в ряд до линейных членов, запишем: Pi(t) ≈ 1 − λit; Qi(t) ≈ λit, R R R Pc(t) = 1 − Пλit = 1 − t Пλi ≈ ℓ-λct , R i=1 (81) i=1 R где λс = Пλi – интенсивность отказов системы. i=1 R R Из сравнения выражений P(t) = ℓ-λ0t и Pc(t) ≈ ℓ-λct следует, что при параллельном соединении элементов с экспоненциальным распределением отказов величина Pc(t) системы изменяется приблизительно по закону Вейбулла. Если Pi(t) = Pэ(t), то R (82) Pc(t) = 1 − [1 – Pэ(t)] . Из последней формулы видно, что параллельное включение элементов является эффективным способом повышения надежности системы: при увеличении числа параллельно включенных элементов надежность системы повышается. При экспоненциальном законе распределения Pэ(t) = ℓ-λэt и с учетом последней формулы средняя наработка до отказа системы ∞ ∞ Тср = ∫Pc(t) dt = ∫{1 − [1 − ℓ-λэt]R}dt = R −1 = 1 / λэ ∑ (1 / R − 1) = A R / λэ ; Tcp = AR / λЭ , (83) i =1 где λэ – интенсивность отказов элемента; AR = R-1 + (R – 1)-1 + (R – 2)-1 + …… + 1. R 1 2 3 4 5 6 AR 1,0 1,50 1,83 2,08 2,28 2,45 Из выражения (83) видно, что AR показывает, во сколько раз увеличивается Тср системы по сравнению с ее значением для одного элемента. На основе формул для последовательного и параллельного соединений элементов нетрудно получить формулы для расчета последовательно-параллельного соединения элементов (см. рис. 9, в). 62 2. Методы расчета надежности СЭЭС без учета восстановления При расчете показателей надежности сложных ЭС, каковыми являются судовые электрические системы, применяются методы с использованием КПУФ и МСО. С помощью этих методов сложная структурная схема СЭЭС преобразуется в эквивалентные логические схемы либо с параллельным соединением КПУФ, либо с последовательным соединением МСО. Функция работоспособности любой СЭЭС записывается в виде дизъюнкций всех КПУФ: d d yc(x1, …, xR) = ∪ Pi = ∪ [&xi] i=1 (81) i = 1 iєPj или в виде конъюнкций отрицания всех МСО S S yc(x1, …, xR) = &Sj = & [ ∪ xi], j=1 j = 1 iєSj (85) Pℓ − КПУФ системы (ℓ = 1, 2, …, d); Sj − отрицание МСО системы (j = 1, 2, …, S); i∈Pj, i∈Sj – означает, что i-й элемент принадлежит пути Pℓ или сечению Sj. Отсюда, рассматривая схемы на рис. 10, можно было бы определить Pc(t) невосстанавливаемой ЭС: − для схемы с КПУФ где d PС.П(t) = П [1 − П Pi(t)]; i∈Pℓ i=1 (86) − для схемы с МСО S PС.С(t) = П {1 – П[1 − Pi(t)]}, j=1 i∈Sj (87) если бы звенья схем были независимы. В общем случае звенья эквивалентных логических схем расчета надежности являются зависимыми из-за наличия в разных звеньях одинаковых элементов. В связи с этим функции работоспособности, которые являются повторными, преобразуются в бесповторные. После преобразования функции работоспособности, формализованной с помощью функций алгебры логики (ФАЛ), переходят к вероятностной функции (ВФ) типа 63 Вер.[y(x1, …, xR) = 1] = Pc(t), Вер.[y(x1, …, xR) = 0] = Qc(t). Существует ряд алгоритмов преобразования повторных ФАЛ в бесповторные. Например, алгоритм разрезания. Этот алгоритм основан на теореме разложения алгебры логики, согласно которой функция алгебры логики путем вынесения какойлибо переменной и ее отрицания может быть представлена в виде y(x1, x2, …xi, ..., xR) = xi y1(x1, x2, …1, ..., xR) ∪ (88) ∪ xi y0(x1, x2, …0, ..., xR). Таким образом, если аргумент xi функции Y является совместной двоичной переменной, то путем преобразования (88) мы переходим к дизъюнкции двух несовместных высказываний, причем в первое высказывание аргумент xi входит своим утверждением, а второе – отрицанием xi. Функции Y1 и Y0 отличаются от функции Y тем, что в них везде вместо аргумента xi поставлены соответственно 1 и 0 (в соответствии с этим выбраны и индексы функций Y1 и Y0). Теорема разложения в теории надежности позволяет свести мостиковую схему к последовательно-параллельным структурам (рис. 11). Функция работоспособности запишется: y(x1,…, x5) = x1 x3 x5x4 (89) x2 x4 x5x3 . Вынесем аргумент x5 и по формуле (88), получим: y = x5 x1 x3 Vx51 x1 x3 1x4 0x4 (90) x2 x4 x2 x4 0x3 . 1x3 Упростим функции Y0 и Y1: y1 = x1 x3 = x1 x3 y0 = x1 x3 = x1 x3 1x4 x4 0x4 (91) x2 x4 x2 x4 x2 x4 x2 x4 1x3 0x3 x3 0 . 64 Вынося за скобки (x3 ∪ x4) для Y1 и преобразовывая Y0 получим y1 = x1 x3 y0 = x1 x3 = x1 x3 (92) x2 x4 x2 x4 x2 x4 , откуда y = x5 x1 x3 x2 x4 (93) x5' x1 x3 x2 x 4 . Рис. 11. Графическая иллюстрация алгоритма разрезания мостиковой структуры Правая часть рис. 11 изображена в соответствии с уравнением (93). Из рис. 11 видно, что мостиковая структура эквивалентна дизъюнкции двух последовательно-параллельных схем, в которых в одном случае точки «а» и «В» замкнуты накоротко, а в другом – разомкнуты. В практике ЭС сложнее рассмотренной мостиковой структуры. Поэтому для сведения функций работоспособности к бесповторной форме необходимы преобразования по теореме (88) в несколько этапов. Эти преобразования сложны и требуют много времени. Практика расчетов надежности СЭЭС, насчитывающих не более 20 элементов, описанным выше методом показала, что логические преобразования бывают весьма громоздкими, а число слагаемых в расчетных формулах нередко превышает 100. Указанные затруднения удается преодолеть с помощью табличного метода расчета надежности СЭЭС. Этот метод основан на использовании теоремы сложения вероятностей совместных событий, в качестве которых выступают элементарные конъюнкции условий работоспособности (или нерабо- 65 тоспособности) системы, записанных с помощью кратчайших путей успешного функционирования. Согласно этой теореме d Pc(t) = Вер.[y1(x1, x2, …, xR) = 1] = Вер.{VPℓ} = ∑Вер.(Pi) − ℓ=1 i (94) − ∑∑Вер.(Pi Pj) + ∑∑∑ Вер.(Pi PjPR) + … + (−1)d-1 Вер.(Pi Pj,…, Pd) i j i j R или минимальных сечений отказов n Qc(t) Вер. [y1(x1, x2, …, xR) = 0] = Вер.{VSℓ} = ∑Вер.(Si) − j=1 i ∑∑Вер.(Si Sj) + ∑∑∑ Вер.(Si SjSR) + … + (−1)n−1 Вер.(Si Sj…Sn), i j (95) i j R где Pi – 1-й путь успешного функционирования системы; Si – i-е минимальное сечение отказов ℓ = 1, 2, …; d – число кратчайших путей функционирования системы j = 1, 2, …; n – число минимальных сечений отказов системы. Несмотря на кажущуюся громоздкость формул расчеты надежности с их помощью достаточно просты и легко контролируемы. Для этого предлагается производить расчеты в табличной форме, чем и объясняется название этого метода. В специальной таблице нужно разместить m строк (по числу элементов в системе) и С столбцов, причем C = Cd1 + Cd2 + …. + CdR + … + Cdd, (96) R где Cd – число сочетаний из d по R. В названиях строк указываются вероятности безотказной работы элементов PxR (или вероятности их отказов QxR), а в названиях столбцов записываются все возможные сочетания конъюнкций Pℓ (или Sj), взятых по одной, по две, по три и т.д. Кроме того, указываются знаки вероятностей этих конъюнкций («+» или «–»), чередующиеся в соответствии с формулой. Таблицу заполняют крестиками и черточками, причем крестиками отмечаются вероятности тех событий, которые входят в данную конъюнкцию, а черточками вероятности событий, отсутствующие в ней. Табличный способ вычисления удобен по двум причинам: 66 − автоматически осуществляется умножение логических переменных самих на себя согласно тождеству (97) xR& xR&… &xR ≡ xR; − взаимно уничтожаются многие одинаковые конъюнкции, вероятности которых имеют различные знаки. Приме р. Дана расчетная структурная схема СЭЭС с двумя генераторами (рис. 12). Рис. 12. Структурная схема СЭЭС На ее основе записывается функция работоспособности СЭЭС: y(x1, x2…, x8) = x1x3x5x7 x1x3x8x4x6x7 x2x4x6x7 x2x4x8x3x5x7 = P1 P2 P3 P4 (98) . Примем надежность всех элементов одинаковой и равной PxR = = 0,9. Для решения задачи составляем таблицу для расчета надежности и заполняем ее в такой последовательности. Сначала проставляем крестики в столбцах, соответствующих путям успешного функционирования системы по уравнению (98). 67 Таблица для расчета надежности PxR Px1 = 0,9 Px2 = 0,9 Px3 = 0,9 Px4 = 0,9 Px5 = 0,9 Px6 = 0,9 Px7 = 0,9 Px8 = 0,9 Pc P1 «+» 1 х P2 «−» 2 х P3 P4 P1P2 P1P3 P1P4 P2P3 P2P4 3 4 − − х − − х х х − − 7 х х х х х 8 х х х х х х х х х − х х х 0,96 х х 6 х х х х х х х 9 − 5 х − х − х х х 0,97 х − 0,9 4 − − 0,9 − 4 х х 0,96 х х х х х х 0,97 − 0,97 х х 0,97 − х х х х х х х − Продолжение таблицы P3P4 P1P2P3 P1P2P4 10 х х х х х х х х 0,97 11 х х х х х х х х 12 х х х х х х х х 0,98 PxR Px1 = 0,9 Px2 = 0,9 Px3 = 0,9 Px4 = 0,9 Px5 = 0,9 Px6 = 0,9 Px7 = 0,9 Px8 = 0,9 Pc P1P3P4 «+» 13 х х х х х х х х 0,98 P2P3P4 «−» 14 х х х х х х х х P1P2P3P4 15 х х х х х х х х Затем последовательно заполняем следующие столбцы таблицы, например шестой, согласно функции P1P3 = (x1x3x5x7)&(x2x4x6x7) = x1x2x3x4x5x6x7. Заполнив всю таблицу крестиками и черточками, вычеркиваем те одинаковые конъюнкции, которые вошли в нее с разными знаками в таблице. 68 Вычисляем вероятности безотказной работы системы, перемножая в каждом столбце те вероятности PxR, которые отмечены крестиками. Pc = 2P4 + 2P6 − 5P7 + 2P8 = 2 ⋅ 0,94 + 2 ⋅ 0,96 – 5 ⋅ 0,97 + 2 ⋅ 0,98 = = 0,8445. Лекция 10 Методы расчета надежности восстанавливаемых СЭЭС 1. Точный метод расчета надежности. 2. Приближенный логико-вероятностный метод. 3. Логико-статистический метод исследования надежности на ЭВМ. 1. Точный метод расчета надежности Судовые ЭС являются системами многократного действия. В любой СЭЭС за время ее службы полные и частичные отказы происходят неоднократно. Каждый раз после устранения отказа работоспособность системы восстанавливается, и она продолжает дальше функционировать. Время работы системы между двумя соседними отказами является лишь незначительной частью ее технического ресурса, который определяется общей длительностью эксплуатации ЭС до полного ее износа. Восстановление является одним из средств повышения надежности СЭЭС. Эффективность восстановления зависит от ремонтопригодности и организации ТО и ремонтов. Расчет надежности восстанавливаемых СЭЭС значительно усложняется по сравнению с расчетом невосстанавливаемых систем. У восстанавливаемых систем необходимо учитывать большее число случайных величин и характеристик, так как усложняется связь между элементами ЭС. Существуют следующие методы расчета надежности восстанавливаемых СЭЭС: точный, основанный на теории массового обслуживания; приближенный ложно-вероятный; ложно-статистический (моделирование процесса функционирования на ЭВМ) При точном методе применяется теория массового обслуживания. Составляются уравнения массового обслуживания, учитывающие возможные состояния восстанавливаемой системы, выби- 69 раются начальные условия для их решения и на основе решения определяются вероятности нахождения ЭС в рассмотренных состояниях, а также другие количественные характеристики надежности. Уравнения массового обслуживания составляются при условии, что имеет место простейший пуассоновский поток отказов с интенсивностью ω = λ = const и экспоненциальном распределении времени восстановления µ = cons t . В этом случае процессы называются марковскими. Для них характерно отсутствие последствия – дальнейшее развитие зависит только от состояния ЭС в настоящий момент и не зависит от того, как происходило развитие в прошлом. Марковский процесс описывается системой обыкновенных дифференциальных уравнений относительно вероятностей нахождения системы в различных состояниях. Этот метод позволяет получить точные расчеты. Однако для СЭЭС, у которых учитывается не только восстановление но и резервирование, число возможных состояний системы возрастает, а отсюда и количество дифференциальных уравнений состояний системы, имеющих более четырех элементов, уже представляют чрезвычайную трудность. 2. Приближенный логико-вероятностный метод Он основан на анализе функции работоспособности системы, выраженной через конъюнкцию отрицаний всех минимальных сечений отказов без учета повторности в составе условий работоспособности. Для расчета надежности СЭЭС этим методом должны быть даны средняя наработка на отказ То и среднее время восстановления Тв.ср. каждого элемента системы. Составляется расчетная структурная схема СЭЭС. Возьмем расчетную схему на рис. 12. Для нее функция работоспособности (рис. 13) в матричной форме будет иметь вид Yc(x1, …, x8) = X7 X1 X1 X2 X4 X2 X3 X3 X4 X3 X6 X4 X5 X5 X6 X1 X6 X8 X2 X5 X8 (99) . Функция работоспособности упрощается вынесением за скобки одинаковых членов конъюнкции: 70 Yc(x1,…, x8) = З1 З2 З3 З4 З5 З6 X3 X5 X1 X2 X7 X1 X2X4 X2X4X5 X4X6 X6 X5 X8 X8 . (100) Минимальное сечение отказов представляются звеньями З1, З2,…, З6. Функция (2) запишется так: Yc(x1, …, x8) = З1З2 З3З4З5З6 (101) Функция Yc(x1,…, x8) является повторной ФАЛ, и для точного решения задачи (без учета восстановления) необходимо было бы применить либо алгоритм разрезания, либо табличный метод. Однако сейчас важна не точность решения задачи, а ее возможное упрощение с целью учета восстановления элементов СЭЭС. На основании функции (100) строится последовательно-параллельная расчетная схема ненадежности системы. При этом проводится замена последовательно соединенных элементов в звеньях эквивалентными элементами Xэ1 = X2X4; Xэ2 = X2X4X6; Xэз = X4X6. Рис. 13. Схема ненадежности системы, изображенной на рис. 12 По формулам, полученным с помощью теории совпадения импульсов независимых потоков, можно определить вероятность безотказной работы звеньев Рзi (t ) и всей ЭС Рc (t ) , а также коэффициент готовности системы Кг. Сначала находим эквивалентные показатели надежности последовательно соединенных эквивалентов в звеньях расчетной схемы ненадежности, полагая, что при восста- 71 новлении одного из звеньев последовательно соединенных элементов звена отказы других элементов звена невозможны: λR = 1 / Т о R ; µ R = 1 / Т в ср ; ρ R = λ R / µ R − коэффициент неисправности R-го R элемента. n n R =1 n R =1 λЭ = ∑ λR ; ρЭ = ∑ ρ R ; (102) n µЭ = (λЭ + ∑ ρ R (λЭ + λR )) / ∑ ρ R . R =1 (103) R =1 Затем определим µ 3 , ρ 3 , λ3 и P3 (t ) каждого звена: m m j =1 j =1 µ3 = ∑ µ Эj ; ρ 3 = 1 /(∏ (1 + 1 / ρ Эj ) − 1) ; (104) m m λ3 = ∑ µ Эj /(∏ (1 + 1 / ρ Эj ) − 1) ; P3 (t ) = e − λ t . 3 j =1 (105) j =1 При этом допускается, что для элементов системы характерен экспоненциальный закон распределения. Вероятность безотказной работы и коэффициент готовности системы будут определяться: ч ч i =1 i =1 Pс (t ) = ∏ P3i = ∏ e − λ3i t ; ч ч K Г = ∏ µ3i /(λ3i + µ3i ) = 1 /(∏ (1 + ρ3i )) . i =1 (106) i =1 Так как звенья в схеме ненадежности соединены последовательно, мы определили вероятность безотказной работы системы Рc (t ) , пренебрегая зависимостью отказов звеньев схемы ненадежности (из-за повторности ФАЛ). Расчет надежности СЭЭС по форч муле Рc (t ) = ∏ P3i несколько занижает вероятность безотказной i =1 работы системы по сравнению с точным значением этой вероятности, а ошибка расчета идет в запас надежности. Для схемы на рис. 13, если взять Р1 = P2 = ... = P8 = 0,9 , получим: 6 [ ] [ 2 ][ Рc (t ) = ∏ P3i = 0,9 1 − (1 − 0,9)(1 − 0,9 2 ) * 1 − (1 − 0,9)(1 − 0,9) 3 * 1 − (1 − 0,9) 3 i =1 72 ] 2 = 0,8410 Сравнивая это значение с точным решением задачи ч Pс (t ) = 0,8445 видим, что расчет по формуле Рc (t ) = ∏ P3i несколько i =1 занижает фактическую надежность системы, т.е. является в некотором смысле гарантийным. 3. Логико-статистический метод исследования надежности на ЭВМ Метод расчета надежности СЭЭС, при котором структура СЭЭС и особенности функционирования системы описываются средствами алгебры логики, а количественная оценка ее надежности производится статистически, называется логико-статистическим методом. Главным достоинством этого метода исследования надежности сложных СЭЭС является машинная диагностика состояний системы. Логико-статистический метод наиболее эффективен при изучении проблем структурной надежности сложных восстанавливаемых систем. Его можно применять для любой системы, условие работоспособности которой удается записать в виде функции алгебры логики (ФАЛ). В основе логикостатистического метода расчета надежности лежит метод статистических испытаний или метод Монте-Карло. Суть его состоит в том, что в память ЭВМ закладывают данные: − логические схемы системы в форме матриц работоспособности (или неработоспособности); − количество элементов каждого типа; − количество отказов данного элемента. При помощи датчика случайных чисел ЭВМ моделирует работу системы в заданный период эксплуатации, производя многочисленные опыты. При этом время отказов и восстановлений формируется случайными числами, заданными и характерными для данной системы (для СЭЭС – это экспоненциальный закон распределения). Программа печатает Р(t ) серий большого числа опытов. Число же самих серий может быть небольшим (50 – 100). По результатам расчета строится график функции распределения F(T) = f [P(t)], по которому и производится оценка реальной надежности системы. 73 Важным при статическом испытании является вопрос о количестве испытаний, которые необходимо провести для получения требуемой точности результатов. Для достижения приемлемой точности требуется большое число испытаний. Рис. 14. Зависимость погрешности статистического испытания от вероятности отказа при различном числе испытаний Этот метод позволяет приблизиться к проектированию СЭЭС любой надежности. Из рассмотренных методов расчета надежности следует, что повысить надежность СЭЭС можно следующими способами: − упрощением системы; − повышением качества элементов; − выбором оптимального режима работы системы; − резервированием отдельных элементов, применением перемычек и секционирования; − применением контроля режима работы и методов диагностики; − правильной эксплуатацией системы. 74 Лекция 11 Резервирование как метод повышения надежности 1. Классификация методов резервирования. 2. Постоянное резервирование. 3. Динамическое резервирование. 1. Классификация методов резервирования Под резервированием понимается применение дополнительных средств и возможностей с целью сохранения работоспособного состояния ЭС при отказе одного или нескольких ее элементов. Резервирование – это эффективный способ создания ЭС, надежность которой выше надежности входящих в систему элементов. При резервировании различают основные элементы структуры, необходимые для выполнения системой требуемых функций при отсутствии отказов его элементов, и резервные элементы, служащие для выполнения функций основных элементов в случае их отказа. mp = np no , где mp − кратность резерва; np – число резервных элементов; no – число основных элементов. Резервирование с кратностью резерва mp = лированием. 1 называется дуб1 Ви ды р е зе р ви р о в ан и я : Структурное – с применением резервных элементов. Временное – с применением резервов времени. Информационное – употребляются резервы информации. Функциональное – с использованием функции резервов. Нагрузочное – с использованием нагрузочных резервов. 75 Рис. 15. Схема видов резервирования В ЭС наиболее распространено структурное, но применяются и другие виды резервирования. Например, некоторые элементы СА могут быть многофункциональными, и при отказе этого элемента он может быть использован в данной системе для других целей. 1. По способу включения резерва различают постоянное; динамическое. Постоянное осуществляется без перестройки структуры системы при отказе ее элемента, динамическое – с перестройкой структуры системы. В простейшем случае при постоянном резервировании выполняется параллельное соединение элементов, а при динамическом применяются переключающие устройства, реагирующие на отказ элементов. Динамическое часто представляет собой резервирование замещением, при котором функции основного элемента передаются резервному только после отказа основного. Распространенным видом резервирования замещением является скользящее резервирование, при котором есть группа основных элементов системы резервирования одним или несколькими резервными элементами, каждый из которых может заменить любой отказавший основной элемент в данной группе. 2. По режиму работы резервных элементов. До отказа основного элемента различают: а) нагруженный резерв – один или несколько элементов находятся в режиме основного; 76 б) облегченный резерв − один или несколько элементов находятся в менее нагруженном режиме, чем основной элемент; в) ненагруженный − один или несколько элементов находятся в ненагруженном режиме по сравнению с основным элементом; Понятия нагруженного, облегченного, ненагруженного резерва используются для отличия резервных элементов по уровню их надежности: − элементы нагруженного резерва имеют тот же уровень надежности, что и основные элементы; − элементы облегченного резервирования имеют уровень надежности выше, чем основные, т.к. интенсивность расхода их ресурса до момента включения в резерв ниже, чем у основных; − у элементов ненагруженного резерва ресурс начинает расходоваться только с момента их включения вместо отказавших элементов. 3. По способу замещения объекта существует резервирование общее и раздельное: а) общее резервирование − при нем резервируется объект в целом. Эксплуатируются одновременно два или более однотипных объектов. Способ прост и широко применяется на практике при резервировании ответственных систем; б) раздельное резервирование − резервируемыми являются отдельные элементы объекта или их группы. Раздельно могут резервироваться как отдельные элементы системы, так и крупные ее части. Динамическое резервирование может быть раздельным и общим и позволяет использовать резервные элементы не только в нагруженном, но и облегченном и ненагруженном резерве, что позволяет сохранять ресурс резервных элементов, повысить надежность ЭС в целом и уменьшить расход энергии. При резервировании замещением может быть использовано скользящее резервирование, позволяющее обеспечить требуемую надежность ЭС при малых затратах и незначительном увеличении массы и габаритов ЭС. Недостатком динамического резервирования замещением является необходимость переключающих устройств и наличие перерывов в работе при переходе на резервные элементы, а также необходимость системы поиска отказавшего элемента или блока, что снижает надежность резервированной системы. 77 Резервирование замещением лучше применять для резервирования крупных функциональных узлов и блоков сложных ЭС. Постоянное резервирование. Оно отличается простотой и отсутствием переключающих устройств. При нем резервный элемент постоянно соединен с основным. Недостатки заключаются в повышенном расходе ресурса резервных элементов и изменении параметров резервируемого узла при отказе элементов. Постоянное резервирование применяется в ответственных системах, для которых недопустим даже кратковременный перерыв в работе, а также при резервировании мелких элементов-узлов, блоков и элементов СА (резисторы, конденсаторы, диоды и т.п.). 2. Постоянное резервирование Постоянное резервирование осуществляется путем параллельного или последовательного подключения к основному элементу (системе) одного или нескольких резервных, выполняющих одинаковые с основным элементом функции. Такое резервирование используется при параллельной работе генераторов, ЭВМ, блоков СА, резисторов и других элементов, а также при последовательном включении диодов, конденсаторов и т.п. Электрические схемы с постоянно включенным резервом выполняются так, чтобы отказавшие элементы не влияли на работу системы в целом. При постоянном резервировании (может быть общим или раздельным) предусматривается нагруженный резерв. ЭС с общим резервированием 78 Здесь n – число последовательно соединенных элементов в цепи; m – число параллельных цепей. Вероятность безотказной работы каждой i-й цепи с n последовательно соединенными элементами будет определяться следующим образом: n Pi = ПPij, (107) j=1 Pij – вероятность безотказной работы j-го элемента i-й цепи. m+1 m+1 Рс о = 1 – Qc o = 1 – ПQi = 1 – П(1 – Pi) i=1 m +1 (108) i=1 n n Pc o = 1 − ∏ (1 − ∏ Pij ) = 1[1 − ∏ Pij ] j =1 j =1 i =1 m +1 (109) . При Pij = Pэ формула (109) примет вид n (110) Pc o = 1 – (1 – Pэ )m+1. При Р c o на основании уравнения (110) можно определить необходимое значение m, при котором выполняется условие P c o = Pc o , P c o − заданная вероятность. При Pij = Pэ формула (109) примет вид: m0 = ℓn (1 − Pc o)/ℓn (1 – P2 ) − 1, n (111) где m0 – число резервных цепей. При экспоненциальном законе распределения для элементов системы Pэ = ℓ-λэt (112) Pc o(t) = 1 − [1 − ℓ-λΣ t]m+1; ∞ Tср о = ∫{1 – (1 – m n Р2 )m+1}dt = Tcp Σ, 1/(i + 1), (113) i =0 где λΣ = nλэ – интенсивность отказов цепи из n элементов; 1 Тср = λ Σ − средняя наработка до отказа одной цепи ЭС с раздельным резервированием; 79 m+1 m+1 Qj = ПQij = П(1 – Pji) − вероятность отказов звена с m+1 элементами; i=1 i=1 m+1 − вероятность безотказной работы звена с m+1 элементами; Pj = 1 − П(1 – Pji) i=1 n m+1 n Pc p = ПPj = П[1 – П (1 – Pij)] − вероятность безотказной j=1 j=1 i=1 работы всей системы. При одинаковой надежности всех элементов формула примет вид: Pij = Pэ; Pc p = [1 − (1 – Pэ)m+1]n. При заданной вероятности Pc p m = ln(1 − n Pc p ) / ln(1 − Pэ ) − 1 , (114) (114) (115) (116) pp где mp p – число резервных цепей. При экспоненциальном законе распределения n m +1 −λ t P (t ) = ∏ [1 − ∏ (1 − l э )] . cc j =1 При одинаковой надежности всех элементов −λ t P (t ) = {1 − [1 − l э ]} . cc ∞ Tcp p (n – 1)! = ∫Pc p (t)dt = λ (m + 1) э (117) i =1 (118) m Σ 1 υi (υi + 1)… (υi + n + 1) i=0 80 (118) i+1 ; λ = λэ. m+1 Раздельное резервирование более эффективно с точки зрения повышения надежности ЭС, особенно при больших n (рис. 16). где υ = Рис. 16. Зависимость Pc ЭС при общем и раздельном резервировании (сплошные линии) от количества резервных элементов m при разном числе последовательно соединенных элементов n 3. Динамическое резервирование Динамическое резервирование применяется в ЭС, если допустимы перерывы в работе ЭС для включения резерва. Причем надежность ЭС с нагруженным резервом при динамическом резервировании равна надежности ЭС с постоянно включенным резервом. При облегченном и ненагруженном резерве динамическое резервирование повышает надежность ЭС. ЭС с общим резервированием 81 При нагруженном резерве в номинальном режиме все выключатели К включены и основная и резервные цепи из n элементов находятся под нагрузкой. При отказе основной цепи выключатель К отключает ее, при отказе первой резервной цепи она отключает выключатель К1 и т. д. Предположим, что выключатели и элементы ЭС отказывают независимо, тогда Pi цепи из n элементов определяется следующим образом: n Pi = PRiП Pij; (120) j=1 m+1 n Pc o = 1 – П(1 − PRiП Pij), i=1 где P Ri j=1 – вероятность безотказной работы включателя i-й цепи. При Pij = Рэ, получим: n Pc o = 1 – (1 − PR Pэ )m+1. (121) Из выражения (121) при заданной Pc o = P c o находим требуемое число резервных цепей: n (122) m = ln(1 − P c o ) / ln(1 − P P ) − 1 . R э При экспоненциальном законе распределения для элементов −λ t −λ t PЭ = е Э и выключателей PR = е R (123) Pc o(t) = 1 − [1 − ℓ-λΣ t]m+1, где λ ∑ = λ R + λ Э n – интенсивность отказов цепи из n элементов. ∞ m Тср о = ∫{[1 − ℓ-λΣt]m+1}dt = ТсрΣ где Тср = 1 λΣ 1 , i+1 (124) i =0 − средняя наработка до отказа одной цепи, m Tcp o = 1 / λ∑ ∑ (1 / i + 1) . i =0 82 (125) ЭС с раздельным резервированием С нагруженным резервом все выключатели К в начальный период работы системы включены, при отказе какого-либо основного или резервного элемента соответствующий выключатель отключает отказавший элемент. Отказ ЭС происходит при отказе какоголибо основного элемента j (или его выключателя К) и всех резервов его элементов i (или всех его выключателей Кi). Вер. безотказной работы ЭС с раздельным резервированием с учетом вер. безотказной работы выключателей n n m+1 Pc p = ПPj = П[1 – П (1 – PRij Pij)]. j=1 j=1 i=1 (126) Для ЭС с равнонадежными элементами и выключателями выражение (126) примет вид Pc p = [1 – (1 – PRPЭ)m+1]n. (127) При экспоненциальном законе распределения элементов λэ = const и выключателей λк = const величины Тср р и Рс р рассчитываются по формулам (128) Рс р(t) = {1 − [1 − ℓ-λt]m+1}n; ∞ Tcp p = ∫Pc p(t)dt = m (n – 1)! λ(m + 1) Σ 1 υi (υi + 1)… (υi + n + 1) , (129) i=0 где υ = (i + 1)/(m + 1); λ = λэ + λк. Из формул видно, что при динамическом резервировании с нагруженным резервом из-за наличия коммутирующих устройств К надежность ЭС ниже по сравнению с постоянным резервированием. Динамическое резервирование с нагруженным резервом лучше применять, когда недопустимы перерывы в работе ЭС и отказавший 83 элемент нужно отключать, чтобы не произошло резкого изменения режима работы резервированной системы. Расчеты по формулам Рс о = 1 – (1 – PRPЭ)m+1 и Pc p = [1 – (1 – − PRPЭ)m+1]n показывают, что при одинаковой надежности элементов и одинаковой надежности выключателей Pc p > Рс о при тех же n и m. Эффективность динамического резервирования возрастает, когда оно реализуется в виде резервирования замещением с негруженым или облегченным резервом. Рассморим резервирование замещением с ненагруженным резервом. В резервированной ЭС с общим резервированием и ненагруженным резервом сначала работает основная цепь с выключателем, при отказе на ее место включается выключателем Кi одна из резервных цепей. Таких замещений может быть не более m: m + 1 отказ приводит к отказу ЭС в целом. Для упрощения анализа рассмотрим систему с экспоненциальным законом распределения для элементов Pij(t) = ℓ-λit и выключателей PRi(t) = ℓ-λRit. Тогда вероятность безотказной работы одной цепи из n элементов с выключателем: n Pi(t) = PRiПPij = ℓ-(λin + λR)t =ℓ-λit, (130) j=1 где λin + λR = λi – интенсивность отказов i-й цепи резервированной системы; ∞ 1 Tcp i = ∫Pi(t)dt = λ − средняя наработка до отказа i-й цепи. i (131) На каждом промежутке ti работает только одна цепь, поэтому средняя наработка до отказа всей ЭС будет m+1 Tcp о = Tcp i(m + 1) = . (132) λi Вероятность безотказной работы резервированной ЭС с ненагруженным резервом в течение времени t можно определить в предположении, что при отказе включенной одной цепи 84 происходит мгновенное переключение на одну из резервных цепей, и отказ ЭС произойдет после отказа основной цепи и всех m резервных цепей. Тогда вероятность того, что одна цепь из n элементов и выключателя К, имеющая λi, за время t откажет ровно Z раз, может быть определена по закону Пуассона: (λit)z ℓ-λit Pz(t) = , (133) Z! где Z – среднее число отказов цепи за t. Вся резервированная ЭС в течение времени t будет работать безотказно, если за это время будет иметь место хотя бы одно из следующих несовместных событий: С0 – все цепи ЭС работали безотказно; С1 – одна цепь отказала; Сz – отказало Z цепей из (m + 1); Сm – отказало m цепей из (m + 1). Следовательно, вероятность безотказной работы всей ЭС определится согласно теореме сложения вероятностей полной группы несовместных событий с учетом формулы (λit)z ℓ-λit Pz(t) = , Z! m Pc o(t) = ∑ (λi t)z ℓ-λit = Z! z=0 =ℓ -λit [1 + λit + (λit)2 2! +…+ (λit)m m! ]. (134) Из сравнения полученных формул с соответствующими формулами при нагруженном резерве следует, что при ненагруженном увеличиваются Pc o и Tcp о. С ростом числа резервных элементов (блоков, систем) масса, габаритные размеры и стоимость вспомогательного оборудования ограничивают достижимый уровень надежности, позволяя на практике использовать резервирование с m ≤ 2…3. 85 Лекция 12 Основы расчета комплекта запасных частей 1. Выбор номенклатуры запасных частей. 2. Расчет количества запасных частей. 1. Выбор номенклатуры запасных частей В зависимости от названия и особенностей использования комплект ЗИП разделяют на одиночный, групповой и ремонтный. Одиночный комплект ЗИП служит для поддержания работоспособности СЭО и СА в течение установленного времени, равного ресурсу (или сроку службы), с вероятностью безотказной работы не ниже заданной при минимальных затратах времени и средств. Одиночный комплект является принадлежностью судна и может подразделяться на части, размещаемые как на судне (возимая часть), так и на базе ТО пароходства (невозимая часть). Возимая часть служит для восстановления работоспособности СЭО и СА в период автономного плавания. Невозимая часть служит для пополнения возимой части одиночного комплекта ЗИП и проведения ТО при нахождении судна в порту. В возимую часть одиночного комплекта ЗИП включаются принадлежности и инструмент, обеспечивающий замену отказавших изделий в условиях автономного плавания. Групповой комплект ЗИП служит для проведения аварийного ремонта агрегатным методом, а также для обеспечения СЭО и СА такими элементами, которые отсутствуют в одиночном комплекте ЗИП. Групповой комплект выбирается для группы однотипного СЭО и СА и хранится на складах или на базе. В процессе эксплуатации по мере расходования одиночные комплекты ЗИП пополняются за счет групповых, а групповые пополняются из складов снабжения. Ремонтный комплект ЗИП служит для проведения одного заводского ремонта объекта. Он хранится на складах, базах и ремонтных предприятиях. Ремонтный комплект определяется с 86 учетом опыта эксплуатации и фактически выработанного ресурса СЭО и СА. Потребность в запасных частях для заводских ремонтов определяется из условия полной замены всех однотипных частей, ресурс которых меньше или равен ресурсу данного оборудования или системы. Общие требования к запасным частям и нормы их для основных видов СЭО и СА каждого судна определены Правилами Российского Морского и Речного Регистров. Количество запасных частей на судне должно быть не меньше требуемого Правилами Регистров. Выбор номенклатуры запасных частей. ЗИП формируется в два этапа: с начала определяется номенклатура ЗИПа, затем производится расчет количества запасных частей принятой номенклатуры. Правильный выбор номенклатуры и количества запасных частей имеет большое значение для обеспечения высокой надежности СЭО и СА. Но это сложная задача, так как она противоречива: с одной стороны, увеличение количества ЗИПа ведет к увеличению надежности СЭО и СА; с другой – количество ЗИПа должно быть минимальным, так как увеличение числа запасных частей ведет к экономическим затратам. Номенклатура запасных частей определяется по статистическим данным из опыта эксплуатации аналогичного СЭО и СА в судовых условиях. Вводится понятие отказ комплекта ЗИП. Под ним понимается отсутствие в комплекте ЗИП запасной части, которая могла бы заменить отказавший при эксплуатации элемент СЭО и СА. Опыт эксплуатации показывает, что в одиночный комплект ЗИП для средств автоматики должно входить около 80% номенклатуры всех деталей. 2. Расчет количества запасных частей Расчет количества запасных частей при принятой номенклатуре проводят исходя из необходимости поддержания в работоспособном состоянии СЭО и СА в течение какого-то установленного времени. Работоспособность СЭО и СА многоразового действия является функцией количества запасных частей. Pz(t) – это вероятность того, что ЭС выполнит заданные функции за время t при наличии z 87 запасных частей. Pz(t) позволяет установить влияние количества запасных частей на надежность СЭО и СА и определить необходимое число запасных элементов, обеспечивающих с вероятностью Pz (t) безотказную работу СЭО и СА. Допустим, ЭС имеет Ni элементов i-го типа, которые соединены последовательно в смысле надежности. При этом для внезапных отказов характерен экспоненциальный закон распределения. Среднее ожидаемое число отказов за время работы и ожидания элементов СЭО будет (135) ni = (λpi t pi + λожi tожi ) N i , где λ , λ – интенсивности отказов элементов i-го типа в рабоpi ожi t , t pi ожi чем режиме и режиме ожидания; − время работы элемента i-го типа и ожидания. Если вместо отказавшего элемента в ЭС будет устанавливаться элемент из комплекта ЗИП (отказавший элемент невосстанавливаемый), то число zi израсходованных частей за время t будет равно ni – числу отказов за это же время. При простейшем потоке отказов вероятность Pzi(t) того, что наступит ni отказов за время t, определяется законом Пуассона: (136) Pzi (t ) = ((λit ) zi e−λit ) / Zi!, где zi = 0,1,2… − число запасных частей i-го типа; если в комплекте ЗИП нет ни одной запасной части – Zi = 0, то: Pzi=0 (t ) = e−λit − вероятность безотказной работы ЭС с элементами i-го типа. Вероятность того, что запасных частей i-го типа будет достаточно, определяется так: ni P (t ) = ∑ ((λit ) zi e − λit ) / Zi! = (n zi e− ni ) / Zi! i i zi = 0 (137) Функция Pi(zi,ni) для определения необходимого количества запасных частей zi данного типа в зависимости от Pi и ni строится в виде номограммы (прил. 5). Вероятность достаточности запасных частей i-го типа в комплекте ЗИП рассчитывается исходя из заданного значения вероятности P3 того, что общего количества запасных частей всех типов в комплекте ЗИП будет достаточно для поддержания работоспособ- 88 ности ЭС: для особо ответственных устройств – P3 = 0,99−0,95; для менее ответственных – P3 = 0,95−0,9. Вероятность достаточности запасных элементов для ЭС, состоит из m групп элементов, входящих в номенклатуру комплекта ЗИП, определяется следующим образом: m P3 = ∏ P . i i =1 (138) На основании формулы (138) требуемые вероятности Pi каждой группы элементов в первом приближении могут быть определены при равенстве между собой P = m P3 : при P3 > 0,9 в расчетах Pi i принимается формула Pi = m P3 = 1− (1− P3) / m . (139) Определив Pi и ni по номограмме (см. прил. 5) можно определить необходимое количество zi запасных частей для элементов каждого типа, а так же общее необходимое количество запасных частей ЭС. За значение zi принимается целое число по ближайшей кривой номограммы. Фактическому значению ziсф номограммы соответствует фактическое значение Piф для каждой группы элементов, по которым рассчитывается фактическое значение вероятности m Pф = ∏ Piф ≥ P3 . i =1 (140) Требуемая вероятность обеспечения ЭС запасными частями может быть достигнута при различных сочетаниях количества запасных частей для m групп элементов, входящих в систему. Оптимальное количество запасных частей может быть определено при введение дополнительного целевого критерия W(z) – параметр затрат запасных частей. В качестве целевого критерия могут рассматриваться масса, объем, стоимость запасных частей. Расчет оптимального количества запасных частей сводится к многошаговому процессу отыскания на каждом шаге вычислений такого типа запасных частей, введение которого в состав ЗИП дает наибольшее относительное увеличение вероятности достаточности запасных частей на единицу параметра затрат. Для СЭО и СЭЭС с большой номенклатурой запасных частей, расчеты количества запасных частей проводят в табличной форме или на ЭВМ. 89 III. Техническое обслуживание Лекция 13 Виды технического обслуживания 1. Классификация видов технического обслуживания (ТО). 2. Регламентированное техническое обслуживание. 1. Классификация видов технического обслуживания (ТО) Своевременное и качественное ТО является одним из основных путей повышения эксплуатационной надежности СЭО и СА. Трудоемкость ТО СЭО и СА морских и речных судов составляет в среднем 15–18% трудоемкости ТО судов в целом. Трудозатраты на ТО СЭО и СА судовыми экипажами составляют 18–20% трудозатрат судовых экипажей на ТО судна и 16–17% трудозатрат баз технического обслуживания на ТО судна. Трудозатраты на ТО СЭО и СА распределяются в основном на ТО судовых электроприводов (35–37%) средств автоматизации (18–20%), кабельных сетей (10–11%), электрического освещения (7–8%). Показателями эффективности ТО являются: − эффективность ТО W = TОто / TО, где TОто , То − средняя наработка на отказ объекта при ТО и без него; − коэффициент эффективности ТО Кэ = nто /n, где nто, n − число отказов объекта, предотвращенных во время ТО и возникших во время работы. Показатель W − это степень повышения безотказности за счет проведения ТО. Повышение степени безотказности может характеризоваться также и коэффициентом Кт и: Кт и = ТрΣ / (ТрΣ + Тр + Тто). При Кэ = 0 техническое обслуживание не проводится или проводится неэффективно, при Кэ = 1 − все отказы предотвращаются во время ТО. 90 Рассматривая виды ТО, необходимо прежде всего задаться вопросом. А в чем же заключается принцип любого ТО? Он, видимо, заключается в том, что проводить ТО любого объекта нужно при достижении им предотказного состояния (предупреждение отказа) и с максимальной наработкой (рис. 17). Рассмотрим виды ТО и определим, выполняется ли принцип ТО в каждом из них. Рис. 17. Схема видов технического обслуживания Плановое (предупредительное) ТО. Это систематическое выполнение работ, направленное на предупреждение отказов, сильного изнашивания и старения. Неплановое (вынужденное) ТО выполняется после появления неисправности. Регламентированное ТО по наработке. Выполняется для СЭО, работающего в продолжительном режиме или в тяжелых условиях. Регламентированное ТО по календарным периодам. Выполняется для СЭО, работающего эпизодически, когда коэффициент его использования небольшой и когда изнашивание обусловлено продолжительным нахождением его в тяжелых условиях окружающей среды. Регламентированное ТО выполняется согласно нормативнотехнической документации для каждого СЭО. В документации указаны периодичность и объем ТО, независимо от технического состояния СЭО. Принцип ТО при этом виде ТО не выполняется. 91 ТО с периодическим контролем. При этом виде ТО выполняется контроль ТС СЭО с периодичностью и объемом согласно нормативно-технической документации. Потребность в ТО и его объем устанавливается на основании периодического контроля ТС СЭО. Контроль ТС СЭО проводится либо по наработке, либо по календарному периоду, независимо от состояния СЭО. Принцип ТО при этом виде ТО не выполняется, но этот вид ТО более эффективен. Анализ статистических данных показывает, что при регламентированном ТО для 75−90% СЭО разборка для проведения ТО и контроля является преждевременной, для 10−15% СЭО − запоздалой, и только для 10% СЭО − своевременной. ТО по состоянию. Развитием системы ТО является переход от регламентированного ТО или контроля ТС СЭО к виду ТО по фактическому состоянию. При этом виде ТО за счет оптимизации периодичности и объема работ сокращается трудоемкость ТО и ремонта на 20−30%. ТО по состоянию предполагает использовать для объективной оценки ТС СЭО средства технического диагностирования и прогнозирования (СТД и П). СТД и П в процессе эксплуатации позволяют своевременно выявить предотказное состояние СЭО и предупредить отказ заменой или восстановлением соответствующих устройств или отдельных элементов. ТО по состоянию с контролем уровня надежности. При этом виде ТО задача сводится к управлению в процессе эксплуатации уровнем надежности группы однотипных объектов. При этом осуществляется оперативный сбор, обработка и анализ данных о надежности однотипных объектов. После этого вырабатываются решения о необходимых объемах ТО и ремонта для всей совокупности этих объектов или определенной их группы. ТО с контролем уровня надежности предполагает возможность отказа отдельных объектов из наблюдаемой группы. При этом виде ТО принцип ТО выполняется частично. ТО по состоянию с контролем ТС. При этом виде ТО выполняется непрерывный или периодический контроль ТС СЭО. Замена или восстановление работоспособности объекта проводится при достижении им предотказного состояния, т.е. реализуется полностью принцип предупреждения отказа и достижения максимальной наработки. 92 Реализация ТО по состоянию с контролем ТС СЭО связана с затратами на диагностирование и прогнозирование, поэтому такой вид ТО для всего СЭО применить экономически нецелесообразно. Рационально применять тот или иной вид ТО в зависимости от группы надежности СЭО определяется последствием их отказа. Для СЭО 1-й группы надежности целесообразно использовать встроенные СТД, т.е. ТО по состоянию; для СЭО 2-й группы надежности − ТО с периодическим контролем состояния с помощью переносных СТД; для СЭО 3-й группы надежности − регламентированное ТО или ТО после отказа. 2. Регламентированное техническое обслуживание В процессе эксплуатации СЭО появляются отказы. Отказы СЭО бывают предотвращаемые и непредотвращаемые. Предотвращаемые отказы − это постепенные отказы, при которых можно контролировать предшествующее им изменение характеристик СЭО. Непредотвращаемые отказы − это внезапные отказы, которые предсказать невозможно. Регламентированное ТО выполняется для предупреждения предотвращаемых (постепенных) отказов, которые могут составлять значительную часть отказов элементов. Например: для ЭД, доля предотвращаемых отказов составляет 40−60%. Эффективность ТО определяется своевременностью его проведения. Регламентируемое ТО при непрерывном режиме эксплуатации При этом режиме время эксплуатации СЭО состоит из времени работы СЭО – tp; времени простоев − tп (время восстановления объекта после отказа и время выполнения ТО). В качестве показателя надежности, характеризующего систему обслуживания, применяется коэффициент технического использования. Кт и Кт и = tp/(tp + tп), (141) 93 где tp – средняя суммарная наработка объекта; tп – среднее суммарное время простоя на ТО и восстановление. Кп = tп/tp = 1/Кт и – 1, (142) где Кп – коэффициент простоя. Регламентированное ТО при непрерывном режиме эксплуатации может проводиться по постоянной наработке без учета количества отказов. После каждого отказа работоспособность восстанавливается и продолжается эксплуатация объекта до очередного ТО. При этом оптимальная периодичность ТО (Тт о о) определяется при следующих допущениях: – после ТО объект обновляется; – восстановление работоспособности после отказа в период между ТО не изменяет значения параметра потока отказов ω и его зависимости от наработки. Последнее допущение распространяется на сложное СЭО с большим количеством элементов, когда восстановление одного элемента мало сказывается на обновлении всего сложного СЭО и им можно пренебречь. Оптимальная периодичность ТО (Тт о о) определяется при максимальном Кт и: Кт и (Тт о) = Тт о/(Тт о + tт о + tв), (143) где Tт о – периодичность ТО (наработка между двумя обслуживаниями) ; tт о – среднее время проведения одного ТО; tв – среднее время восстановления отказа. Аналитически Тт о находится из уравнения (143): dКт и (Тт о)/dТт о = 0. (144) Если ω от наработки не зависит (ω = const), то среднее количество отказов за период Тт о будет равно: Тт о n(Тт о) = ∫ωdt = ω Тт о. (145) Тогда согласно уравнению (143) Кт и(Тт о) = Тт о/(Тт о + tт о + tвωТт о) = 1/(1 + tт о/Тт о + tвω). Из формулы (4) получим: dКт и (Тт о)/dТт о = tт о/(1 + tвω + tт о/Тт о)2 = 0; tт о = 0. 94 (146) (147) (148) На основании формулы (148) видно, что ТО при ω = const производить нецелесообразно, ТО не изменяет количества отказов. Если ω зависит от наработки и определяется зависимостью ω(t) = a + bt, где a, b – постоянные коэффициенты, то среднее количество отказов за Тт о определяется так: Тт о Тт о Тт.о n(Тт о) = ∫ωdt = ∫(a + bt)dt = a Тт о + b∫tdt = Тт.о = a Тт о + bt /2| = a Тт о + 0,5b Тт о2; 2 (149) Кт и = Тт о/[Тт о + tт о + tв(aТт о + 0,5bТт о2)]; (150) Кт и (Тт о)/dТт о = t т о – 0,5b Тт о2tв/[ Тт о + t т о + tв(a Тт о + + 0,5b Тт о2)] = 0. (151) Из формулы (151) получим: Tт о о = ( 2t то / bt ) . в (152) Регламентированное ТО при непрерывном режиме с учетом количества отказов При этом режиме оптимальная периодичность ТО (Тт о о) определяется при следующих условиях: – ТО выполняется через Тт о, если устройство (объект) отказывает; – если устройство отказывает до момента Тт о, то осуществляется восстановление, а срок Тт о отсчитывается от момента времени проведения восстановления. При таком режиме обслуживания наработка является случайной величиной. Если устройство откажет в течение Тт о, то наработка равна периоду планового обслуживания с вероятностью Р(Тт о). Тогда средняя наработка равна: tp1 = Тт оР(Тт о). 95 (153) Если устройство откажет до момента проведения планового обслуживания, то наработка совпадет со временем наступления отказа: Тт о Тт о Тт о tp2 = ∫tƒ(t)dt = –∫t(dP(t)/dt)dt = – Тт оP(Тт о) + ∫P(t)dt, (154) где ƒ(t) = – dP(t)/dt – плотность распределения времени безотказной работы. Средняя суммарная наработка устройства Тт о tp = tp1 + tp2 = ∫ P(t)dt. (155) Время простоя устройства tп = tт о P(Тт о) + tвQ(Тт о). Тогда коэффициент технического использования Тт о Тт о Кт и = tp/(tp + tп) = ∫P(t)dt|[∫P(t)dt + t т о P(Тт о) + tвQ(Тт о)]. (156) (157) Определить Тт о о по формуле (144) из выражения (157) затруднительно. Поэтому Тт о о лучше определить по уравнению (143) путем построения графика Кт и(Тт о) при ω = const. При ω = const технического использования Кт и монотонно растет, достигая максимума при Тт о = ∞. Из формулы (146) получим: (158) Кт и max = 1/1 + tвω. При этом режиме ТО проводить нецелесообразно. Регламентированное ТО при общем режиме эксплуатации Для СЭО и СА, работающего в этом режиме, суммарное время одного цикла эксплуатации равно: (159) t = tp + t0 + t т о, где tp − время работы под током (использование по назначению); t0 − время ожидания; t т о − время, затраченное на ТО. В таком режиме на судне эксплуатируются электроприводы пожарных насосов, якорно-швартовых устройств, грузоподъемных механизмов и т.д. Причем в этом режиме t0 >> tp. 96 Для каждого промежутка времени tp, t0 и t т о характерна своя интенсивность отказов λp, λ0 и λт о соответственно, и λp > λ0. Вводится коэффициент: (160) а0 = λ0/λр. Он определяется из практики по статистическим данным. Например, для электроприводов а0 = 0,05–0,4. Оптимальная периодичность ТО Тт о о определяется из условия обеспечения заданного уровня вероятности безотказной работы Рд. При экспоненциальном законе распределения времени появления отказов в промежутках tp, to и t т о это условие определяется: (161) P(t) = ℓ-λр tp ⋅ ℓ-λо tо ⋅ ℓ-λт о tт о ≥ Рд. В практических расчетах λт о ≈ λp, так как работы по ТО связаны с функциональной проверкой и регулированием СЭО, что обусловливает работу под током. Время tp и t т о, как правило, задается логарифмированием и преобразованием формулы (161), после чего определяем максимально допустимое время ожидания: (162) t0 ≤ – ℓn Рд/( а0λp) – (t т о + tp)/a0. Оптимальная периодичность ТО определяется: (163) Тт о о = tp + t0 + t т о = (t т о + tp)(1 – 1/а0) – ℓn Рд/ а0λp. Формула (163) определяет Тт о о, при котором обеспечивается вероятность безотказной работы не ниже заданного значения Рд. Допустимые отклонения периодичности ТО Основным нормативным документом по ТО СЭО и СА является план-график ТО. В плане-графике указывается периодичность ТО по наработке или по календарному сроку. Данные по наработке или по календарному сроку берутся из нормативно-технической документации на каждое СЭО, из ПТЭ, с учетом статистических эксплуатационных данных и рекомендаций заводов-изготовителей СЭО. В зависимости от установленной периодичности ТО допустимые отклонения составляют: 500÷1000 − ±100; 1250÷5000 − ±250; 6000÷10000 − ±500; >10000 − ±1000. 97 При проведении ТО СЭО и СА целесообразно совмещать работы по ТО с учетом приведенных выше отклонений. Лекция 14 Техническое обслуживание с периодическим контролем, с контролем уровня надежности, с контролем технического состояния 1. Техническое обслуживание с периодическим контролем. 2. Техническое обслуживание с контролем уровня надежности. 3. Техническое обслуживание с контролем технического состояния. 1. Техническое обслуживание с периодическим контролем Контроль ТС СЭО проводится для проверки технического состояния и определения работ по поддержанию или восстановлению ТС. В результате контроля выявляются элементы с параметрами близкими к предельным, а также отказы, которые не были обнаружены до проверки. Периодический контроль ТС особенно важен для СЭО и СА, работающего длительно (например для СЭО и СА, обслуживающего СЭУ) или длительно находящегося в режиме ожидания. Для получения достоверной информации о ТС СЭО чаще всего применяется активный контроль, при котором СЭО работает в специальном контрольном режиме и не может быть использовано по назначению. Важно при этом виде ТО определить период контроля Тк, его оптимальную величину. При уменьшении периода контроля уменьшается время технического использования (ТИ), увеличиваются расходы на проведения контроля и может возрасти интенсивность отказов при осуществлении контрольных операций. При увеличении периода контроля снижается вероятность того, что СЭО будет работать в дальнейшем. Оптимальную периодичность контроля Тк о можно определить, задавшись некоторым риском, характеризующим состояние СЭО. Допустимый риск – это максимальная вероятность отказа объекта в конце периода. Qmax – максимальный риск. 98 Средний риск – это вероятность отказа в любой момент периода контроля. Qср – средний риск. Если задан Qmax , то Tk будет определяться из условия: Qmax = 1 − e − λTK . (164) Если λTk мало, то раскладывая e − λTK в степенной ряд, получим e − λTK = 1 − λTk + (λTk ) 2 / 2 − (λTk ) 3 / 6 + ... (165) Приближенно Qmax = 1 − 1 + λTr = λTk ; Tk = Qmax / λ . (166) (167) Если задан средний риск, то Tk Tk Qcp = 1 / Tk ∫ Q(t )dt = 1 / Tk ∫ (1 − e −λt )dt = 1 + e −λTK /(λTk ) − 1 /(λTk ) . (168) Периодичность контроля Tk находится при решении уравнения [ ] Tk + e − λTK / λ (1 − Qcp ) − 1 / λ (1 − Qcp ) = 0 . (169) Взяв из формулы (165) три первых члена, решим уравнение (168): Tk .o = 2Qcp / λ . (170) С учетом четырех членов ряда формулы (165) получим: Tk .o = (3 ± 9 − 24Qcp ) /( 2λ ) . (171) В случае, когда в процессе контроля объект работает в более напряженном режиме с большей интенсивностью отказов, Tk может быть определена из условия равенства вероятности Pk = e − λk tk появления отказа в межконтрольный период Tk и вероятности Pk = e − λk t k появления отказа во время контроля t k , т.е. P = Pk , e − λTK = e − λK t K . λTk = λk t k . (172) Время контроля равно: t k = t п + t 0 + t k .o , 99 (173) где t п – среднее время на проверку ТС; t 0 = λTk t в – среднее время на установление отказов, возник- ших в межконтрольный период; tk 0 = λk tk tв – среднее время на установление отказов, возникших в процессе контроля. Тогда t k = t п + λTk t в + λ k t k t в , t k = (t п + λTk t в ) /(1 − λk t в ) , (174) λTk = λk (t п + λTk t в ) /(1 − λk t в ) , (175) Tk .o = λk t п /[λ (1 − 2λk t в )]. (176) Из формулы (173) следует, что Tk увеличивается с ростом времени проверки ТС и интенсивности отказов во время контроля. 2. Техническое обслуживание с контролем уровня надежности Для определенных групп однотипного СЭО и СА установлены допустимые уровни надежности, которые были получены в процессе эксплуатации при сборе статистических данных. При этом виде ТО техническое состояние СЭО и СА оценивается показателями надежности, СЭО и СА эксплуатируются без ограничения межремонтного ресурса, пока фактический уровень надежности превышает допустимый. При снижении уровня надежности ниже допустимого проводят мероприятия по повышению уровня надежности всей группы однотипных объектов. Оценку ТС показателями надежности проводят для групп многоэлементных электрических систем и оборудования с высоким уровнем безотказности и резервированием, отказы которых не влияют на безопасность плавания. В качестве показателя надежности должен выбираться показатель, который максимально характеризует ТС объекта, удобен для сравнительного анализа и отражает изменение условий эксплуатации. Этим требованиям наиболее полно отвечает параметр потока отказов ω . Требования к уровню надежности выражаются допустимым уровнем вероятности безотказной работы Рд для каждого типа СЭО. 100 При использовании параметра ω в качестве показателя ТС исходной количественной информацией для контроля уровня надежности однотипных объектов в процессе эксплуатации служат: nф – фактическое количество отказов объектов; tр – наработка объекта; N – количество однотипных наблюдаемых объектов. Уровень надежности однотипных объектов при эксплуатации контролируется сравнением nф с n max – максимальным количеством отказов, в пределах которого nф имеет случайный характер. Значение n max определяется на основе закона распределения Пуассона: nmax P3 = ∑ (ϖ CT Nt p ) n e ( −ϖ CT Nt p ) / n! , (177) n=0 где P3 – заданная вероятность безотказной работы; ω с т – параметр потока отказов, соответствующий допусти- мому уровню надежности. При nф < n max контролируется уровень надежности объектов, но и устраняются возникшие отказы. При nф > n max принимаются меры по повышению надежности наблюдаемых объектов. Если параметр потока отказов ω не меняется в течение времени Т Т О , то время очередного ТО при заданной РД определяется: (178) Т т о = − ln Рд / ω . Если параметр тока отказов ω изменяется во времени по закону ω (t) = a + b(t) с достаточной точностью для практики, то время очередного ТО определяется таким образом: Tт.о = −(a + вt p ) / в ± (a + вt p ) 2 / в 2 + 2 ln PД / в . (179) Реализация ТО с контролем уровня надежности связана с оперативным сбором и обработкой информации по надежности для однотипного СЭО и СА. Опыт применения ТО с контролем уровня надежности показывает, что ежемесячный контроль позволяет быстро обнаружить большие изменения в уровне надежности, а годовой контроль – определить малые изменения. 101 3. Техническое обслуживание с контролем технического состояния Целью этого ТО является повышение надежности и снижение эксплуатационных расходов СЭО и СА путем назначения работ по ТО в зависимости от фактического ТС конкретного СЭО. Основой ТО этого вида является техническое диагностирование и прогнозирование (ТД и П) состояния объекта. С помощью СТД осуществляется непрерывный или периодический контроль параметров состояния, по результатам которого дается фактическое состояние объекта (рис. 18). Рис. 18. Схема системы ТО по состоянию При непрерывном контроле прогнозирование проводится для определения времени, в течение которого сохранится работоспособное состояние. При периодическом контроле определения момента времени следующего контроля решение о необходимости ТО, времени его проведения, объеме и времени очередного контроля ТС принимается на основании результатов диагностирования и прогнозирования объекта. ТО с контролем технического состояния связано с затратами на диагностирование и прогнозирование состояния. Поэтому применять такой вид ТО целесообразно, когда экономические затра- 102 ты не являются определяющими (для СЭО и СА первой группы надежности) или когда метод экономически более выгоден. Экономическую целесообразность этого вида ТО можно установить сравнением соответствующих затрат на обслуживание. Суммарные удельные затраты на обслуживание объекта при регламентированном обслуживании n С p = ∑ Q pi C вi , (180) i =1 где Cвi – удельные затраты на ТО объекта, находящегося в i-м состоянии (i = 1, 2, 3…, n). Qpi – вероятность перехода после регламентированного ТО в i-е состояние обслуживания. Суммарные удельные затраты на обслуживание объекта при контроле ТС n С p = ∑ Q pi C вi , (181) i =1 где Cд п – удельные затраты на диагностирование и прогназирование ТС; Qрi – вероятность перехода в i-е состояние обслуживания с учетом диагностирования и прогнозирования. Условие экономической целесообразности применения метода обслуживания с контролем ТС с учетом затрат на диагностирование и прогнозирование: n n Cд п + ∑ QдiCBi ≤∑ QpiСд п ; i =1 (182) i =1 n Cд п ≤ ∑ CBi (Qpi − Qдi ) . (183) i =1 Из формулы (183) следует, что применение СТД и П экономически нецелесообразно, если Qрi ≈ Qдi или затраты Cд п велики по сравнению с выигрышем от сокращения затрат на восстановление. 103 IV. Основы диагностики СЭО и СА Лекция 15 Основные понятия и определения технической диагностики. Показатели и модели диагностирования 1. Понятия и определения. Показатели диагностирования. 2. Модели диагностирования. 1. Понятия и определения. Показатели диагностирования Эффективность технической эксплуатации и повышение эксплуатационной надежности СЭО и СА могут быть обеспечены посредством контроля технического состояния. При этом своевременно определяются вид и место повреждения или отказа. Появляется возможность немедленно устранять нарушение работоспособности СЭО и СА путем замены отказавших элементов, блоков, перехода на резервные элементы или блоки, перевода на другой режим работы. При контроле ТС СЭО и СА есть возможность прогнозировать ТС и определять периодичность ТО и ремонта. Техническая диагностика − отрасль знаний, занимающаяся исследованиями технических состояний объектов, разработкой методов их определения, а также разработкой принципов построения и организации использования систем диагностирования. Процесс определения ТС объекта при помощи диагностических средств называется техническим диагностированием (ТД). При ТД решаются следующие задачи: − определяется вид технического состояния; − происходит поиск места неисправности; − осуществляется прогнозирование ТС. Техническое диагностирование осуществляется измерением и контролем параметров, анализом и обработкой результатов измерения и контроля, а также управлением объекта в соответствии с алгоритмом диагностирования. Алгоритм технического диагностирования − это совокупность предписаний о проведении диагностирования. Совокупность средств и объектов диагностирования представляет собой систему технического диагностирования (СТД). СТД 104 включает в себя объект и средства диагностирования, устройства их сопряжения, техническую документацию. По характеру взаимодействия между объектом и средством диагностирования различают: СТД функционального диагностирования; СТД тестового диагностирования; СТД функциональнотестового диагностирования. В СТД функционального диагностирования диагностирование происходит во время работы объекта, на который поступают только рабочие воздействия (РВ). Средствами ТД измеряются и анализируются реакции рабочих воздействий (РРВ) и параметры рабочих воздействий (РВ). Системы функционального диагностирования используются при работе СЭО и СА по назначению. В СТД тестового диагностирования на объект подают специальные тестовые воздействия (ТВ), а средствами ТД измеряются и анализируются реакции тестовых воздействий (РТВ). Системы тестового диагностирования могут применяться для ТД работающих и неработающих СЭО и СА. Диагностирование сложных электрических систем и оборудования в различные периоды их эксплуатации (ТИ, ТО, РЕМОНТ) требует совместного изменения систем функционального и тестового диагностирования. В практике СТД может быть создана в том случае, если требование технического диагностирования будут выполнены при проектировании и создании СЭО и СА. 105 Показатели диагностирования Система ТД СЭО и СА оценивает техническое состояние и производит поиск дефекта, неисправности, повреждения, поэтому основными показателями системы диагностирования являются достоверность диагноза и глубина поиска дефекта. Эти показатели выбираются с учетом надежности объекта, контроля пригодности, восстанавливаемости, стоимости и трудоемкости диагностирования и ремонта. Достоверность диагноза характеризует правильность результатов диагностирования и определяется вероятностью правильного. Вероятность правильного диагностирования − это вероятность того, что СТД определяет то техническое состояние, в котором объект находится фактически. При диагностировании СЭО и СА различают два технических состояния: работоспособное и неработоспособное. Степень правильности оценки состояния объекта характеризуется инструментальной достоверностью Dи. Погрешности СТД приводят к двум видам ошибок при оценке состояния объекта. Первый вид ошибки − работоспособный объект оценивается как неработоспособный. Второй вид ошибки − неработоспособный объект оценивается как работоспособный. Доверенность диагностирования (184) Dи = 1 − (αP + βQ), где P, Q − априорная вероятность нахождения объекта в работоспособном и неработоспособном состояниях; α, β − условия вероятности того, что при диагностировании объект считается находящимся в неработоспособном состоянии, когда он находится в работоспособном, когда он находится в неработоспособном состоянии; αP, βQ − вероятность ошибок 1-го, 2-го видов. На Dи существенно влияет точность измерений, которая определяется мерой точности: (185) ε = 1/(σ 2 ), где σ − среднеквадратическая ошибка. Мера точности определяется точностью выполнения отдельных операций при диагностировании. Основная часть ошибок приходится на датчики и элементы измерительного тракта. 106 Чтобы избежать ошибок, проводится многократное диагностирование СЭО и СА. Если два раза подряд фиксируется работоспособное состояние объекта, то объект считается работоспособным. Трехкратное диагностирование проводится в том случае, когда первое диагностирование фиксирует неработоспособное состояние, а второе − работоспособное. Глубина поиска дефекта представляет собой характеристику поиска дефекта. СТД может осуществлять поиск до блока, узла, элемента. Чем подробнее указывается место дефекта, тем больше глубина его поиска. Глубина поиска дефекта характеризуется коэффициентом глубины поиска дефекта: Kг п = F/R, (186) где F − число однозначно различимых составных частей объекта на принятом уровне деления, с точностью до которых определяется место дефекта; R − общее число составных частей объекта на принятом уровне деления, с точностью до которых требуется определить место дефекта. Достижение требуемых Dи и Кг п связано с затратами на выполнение диагностирования, поэтому СТД характеризуется следующими показателями. Средняя оперативная продолжительность диагностирования: m τд = Σ τ i ⋅ Pi, (187) i=1 где τi − средняя оперативная продолжительность диагностирования объекта, находящегося в ТСi; Pi − априорная вероятность нахождения объекта в состоянии i. Например, для СЭО и СА с непрерывным режимом эксплуатации время τд должно ограничиваться временем на ТО. Средняя стоимость диагностирования: m Cд = ΣCi Pi, i=1 (188) где CД – математическое ожидание стоимости однократного диагностирования; Ci − средняя стоимость диагностирования объекта, находящегося в состоянии i. 107 Выбор CД проводят с учетом зависимости стоимости от других показателей диагностирования. Средняя оперативная трудоемкость диагностирования: m Sд = ΣSдi Pi, i=1 (189) где Sд – математическое ожидание оперативной трудоемкости проведения однократного диагностирования; Sдi − средняя оперативная трудоемкость диагностирования при нахождении объекта в состоянии i. При создании СТД для СЭО и СА стремятся увеличить показатели Dи и Кг п и снижать показатели τд , Cд , Sд. С повышением достоверности определения ТС и глубины поиска дефекта растут затраты времени, труда и стоимости диагностирования. Необходим комплексный подход к нормированию показателей диагностирования. 2. Модели диагностирования Моделью объекта диагностирования называется другой объект любой природы, способный замещать реальный объект при исследовании и позволяющий получить информацию для технического диагностирования. В общем диагностическая модель − это совокупность моделей формирования показателей ТС, режимов и дефектов объекта. В технической диагностике широко используется математическое моделирование для разработки оптимальных алгоритмов и программ диагностирования. Математической моделью объекта для диагностирования называется формальное описание (в аналитической, табличной, графической и т.д. форме) объекта и его поведения в различных ТС. Объект представляется динамической системой, ТС которой в любой момент времени определяется значениями входных, внутренних и выходных координат. При разработке математической модели производят: описание объекта; построение формализованной схемы; преобразование формализованной схемы в математическую модель. 108 Математическая модель исправного объекта – это система передаточных функций: Kг п = F/R, (190) где X − n-мерный вектор, компонентами которого являются значения n входных переменных x1x2...xк; Yн − m-мерный вектор начальных значений m внутренних переменных y1y2...y; Z − R-мерный вектор значений R выходных функций z1z2...zR. Математическая модель неисправного объекта, находящегося в i-м неисправном состоянии: Z i = Ψ i(X, Y iн, t), (191) где Yн − начальное значение внутренних переменных объекта в i-м неисправном состоянии. Система (180) и совокупность систем (191) образуют модель (Ψ, Ψi) объекта диагностирования для всего множества s возможных неисправностей. В практике часто бывает известная математическая модель исправного объекта, по которой можно построить его модель при неисправных состояниях. Явная математическая модель (Ψ, Ψi) объекта диагностирования может строиться в виде элементарных проверок объекта и их результатов. Результат R ij элементарной проверки в общем представляется функциями: – для исправного объекта Rj = Ψ(πj); (192) – для неисправного объекта Rj = Ψ i(πj), (193) где πj – допустимая элементарная проверка из множества π всех допустимых элементарных проверок (j = 1, 2…‫ ׀‬π‫)׀‬. Модели (192) и (193) представляются таблицей функций неисправности объекта диагностирования: 109 R E e . . . π1 ... πj R1 . . . ... Rj R‫׀‬π‫׀‬ . . . . . . i i ei R1 . . . . . . e‫׀‬s‫׀‬ R1 ... ... ... Rj . . . ... Rj ‫׀‬s‫׀‬ π‫׀‬π‫׀‬ i ... R‫׀‬π‫׀‬ . . . ... R‫׀‬π‫׀‬ ‫׀‬s‫׀‬ ‫׀‬s‫׀‬ Здесь e ∈ E − исправное техническое состояние объекта; ei ∈ E − неисправное i-е состояние объекта; R − результат проверки; Rj − результат элементарной проверки объекта находящегося в техническом состоянии. Столбцы таблицы − это допустимые элементарные проверки πj из множества π, а строки − технические состояния объекта из множества E, т.е. функции Ψ, Ψi. Для сложных видов СЭО и СА таблица функций неисправности может быть громоздкой. С другой стороны, такая таблица представляет собой наглядную универсальную математическую модель объекта диагностирования, которая используется при классификации основных принципов и процедур построения алгоритмов диагностирования СЭО и СА. При создании математических моделей диагностирования объекты разделяют на классы − объекты непрерывного действия, параметры которых непрерывно изменяются во времени; объекты дискретные, параметры которых задаются на конечных множествах. Непрерывные объекты − это электродвигатели, аналоговые системы автоматического регулирования и т.д. Дискретные объекты − это, например, электрические цепи с контактными коммутирующими устройствами. Диагностические модели непрерывных объектов. Различают аналитические и симптомные. Аналитические модели представляются в виде алгебраических дифференциальных и интегральных уравнений, задающих зависи- 110 мости между входными, внутренними и выходными функциями СЭО и СА. В практике при создании аналитических моделей есть трудности, которые связаны с отсутствием информации по математическому описанию работы многих устройств энергетических систем. Симптомные модели К ним относятся функционально-структурные, функциональные граф-модели, матричные и логические. В этих моделях носителями информации являются признаки (симптомы), характеризующие выходные функции. При создании симптомных моделей сложный объект разделяется на небольшое количество обобщенных функциональных элементов, с точностью до которых происходит поиск дефекта. В практике при диагностировании конкретных видов СЭО и СА часто используются простые и легко автоматизированные допусковые способы оценки ТС по результатам контроля диагностических параметров объекта. В этих случаях для описания непрерывных объектов применяются простые симптомные функциональноструктурные, функциональные граф-модели и логические модели. Но их возможности ограничены, так как снижается эффективность их применения с ростом числа элементов СЭО и СА. Функционально-структурная модель строится на основе функциональной схемы объекта. Каждый функциональный элемент функциональной схемы заменяется в модели функциональными элементами, имеющими по одному выходу и существенные для данного выхода входы. В модели связь функциональных элементов соответствует связям функциональной схемы объекта. При этом связи, обеспечивающие резервирование функциональных элементов объекта, в модели не учитываются, и рассматривается нерезервированная схема. Количество функциональных элементов в диагностической модели может отличаться от количества элементов в соответствующей функциональной схеме, так как в последней функциональные элементы служат для описания процессов функционирования объекта, а в модели количество функциональных элементов приближенно определяется заданной глубиной поиска дефекта. Функциональный элемент модели считается неработоспособным, если при допустимых входных сигналах его выходной сигнал находится вне допустимых пределов. 111 Рассмотрим схему функционально-структурной модели (рис. 19). Она состоит из пяти функциональных элементов Э1, Э2, Э3, Э4, Э5. В схеме входные переменные X11 и X41, выходные функции Z3 и Z5. Остальные входные переменные и выходные функции являются внутренними. Выходные функции Z1, Z2 и Z4 являются входными переменными для элементов Э2, Э3 и Э5. Элемент Э5 имеет обратную связь. Рис. 19. Схема функционально-структурной диагностической модели объекта Для функционально-структурной модели составляется матрица взаимозависимости выходных функций: Выходные функции Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Э1 + + + – – Элементы модели Э2 Э3 Э4 – – – + – + + + + – – + – – + Э5 – – – – + Логическая модель объекта диагностирования строится на основе функциональной или принципиальной схемы объекта, его функционально-структурной или матричной модели. В логической модели входные переменные и выходные функции принимают два значения – «1», «0». При этом «1» − значение входной переменной или выходной функции, соответствующее номинальному или допустимому значению; «0» − значение входной переменной или выходной функции, соответствующее значению, выходящему за допустимые пределы. 112 Выходные функции Z1, Z2, ..., ZR являются булевыми функциями входных переменных, и в соответствии с формулой (190) можно записать: X = (0,1); Z = F(X); Z = (0,1). (194) Функция (191) записывается в совершенной нормальной дизъюнктивной форме на основе таблицы булевых функций. Приме р. Дана таблица для объекта с тремя входными переменными X1, X2, X3 и входными функциями Z1, Z2. Таблица булевых функций Номер состояния 1 2 3 4 5 6 7 X1 X2 X3 Z1 Z2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 По таблице совершенная нормальная дизъюнктивная форма функций будет: _ _ _ Z1 = X1 X2 X3 ∪ X1 X2 X3 ∪ X1 X2 X3; _ _ _ _ (195) Z2 = X1 X2 X3 ∪ X1 X2 X3 ∪ X1 X2 X3 ∪ X1 X2 X3. На рис. 19 схема логической модели совпадает с функционально-структурной схемой. Здесь условие исправности объекта диагностирования соответствует исправному состоянию всех функциональных элементов Э1, Э2, Э3, Э4, Э5: Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 = 1. (196) В формуле (196) выходные функции рассматриваются как конъюнкции: (197) Zi = Fi ⋅ Эi. Если Fi = 1, то значения всех входных переменных элемента Эi допустимы; Fi = 0, то значения входных переменных элемента Эi находятся вне допустимых пределов (Эi = 1 − элемент исправен; Эi = 0 – неисправен). 113 Предполагая, что частная минимальная форма передаточных функций элементов схемы (см. рис. 19) является конъюнкцией входных переменных, запишем: F1 = X11; F2 = X21 X22; F3 = X31 X32; F4 = X41; F5 = X51. (198) В соответствии с формулой (194) для каждого элемента модели в работоспособном (Эi = 1) и неработоспособном (Эi = 0) состояниях справедливо: Fi…1 0 1 0, Эi…1 1 0 0, (199) Zi…1 0 0 0. С учетом формул (197), (198) составляющие конъюнкции (196) будут иметь вид: Z1 = X11Э1; Z2 = X21 X22Э2; Z3 = X31 X32Э3; Z4 = X41Э4; Z5 = X51Э5. (200) На основании формул (200) определяется совокупность контролируемых параметров для определения ТС объекта. 3. Диагностические модели дискретных объектов К дискретным объектам относятся судовые контактнорелейные системы управления. Они являются логическими устройствами. Различают дискретные объекты без памяти и с памятью. У объектов без памяти (комбинационных) значения выходных функций определяются только значениями входных переменных (рис. 20). Дано дискретное комбинационное устройство, у которого X1, X2,… Xn − входные переменные, Z1, Z2,…,ZR − выходные функции. Входные переменные и выходные функции могут принимать значения «0» и «1». При разработке диагностической модели не учитываются внутренние переменные объекта. Следовательно, выходные функции в каждый момент времени определяются только входными переменными через булевы функции (194). Диагностическая модель комбинационного устройства представляется таблицей булевых функций. На основе данных этой таблицы получают аналитические зависимости для выходных функций дискретного комбинационного объекта в виде формул булевой алгебры. Таблица булевых функций является основной для определения совокупности диагностических параметров объекта. 114 Рис. 20. Структурная схема дискретного объекта без памяти У дискретных объектов с памятью выходные функции зависят от входных и от внутренних переменных, представляющих память устройства (рис. 21). Эти дискретные объекты изменяют свое внутреннее состояние под воздействием определенных наборов входных переменных с помощью элементов памяти − триггеров, обратных связей, временных задержек. Модели объекта с памятью (рис. 21): X1, X2,… Xn – входные переменные, Z1, Z2,…, ZR − выходные функции, W1, W2, …, We − функции возбуждения (вход в память), y1, y2, ..., ym − внутренние переменные (выход памяти). Рис. 21. Структурная схема дискретного объекта с памятью Функционирование исправного объекта с памятью может быть задано: Zi t = ƒz i(Xt, Yt), где i = 1, 2, 3, ..., R; Zj, t+1 = ƒg i(Xt, Yt); Wg, t = ƒw g(Xt, Yt), (201) 115 где j = 1, 2, ..., m; g = 1, 2, ..., t; Xt = [x1t, x2t, ..., xnt]; Yt = [y1t, y2t, ..., ym t]. Зависимости (201) задаются в виде таблицы булевых функций, в которой значениями независимых переменных являются значения входных переменных, а также внутренних переменных в момент времени t, значениями функций − значения внутренних переменных в момент времени t + 1 и значения выходные функции в момент времени t. На основе таблицы булевых функций получают аналитические выражения в виде формул булевой алгебры. Лекция 16 Выбор диагностических параметров. Методы и программы поиска дефектов СЭО и СА 1. Выбор диагностических параметров. 2. Методы и программы поиска дефектов СЭО и СА. 1. Выбор диагностических параметров Для каждого вида СЭО и СА есть ряд параметров и признаков, характеризующих ТС и дефекты: параметры, выраженные электрическими величинами – U, I, ƒ, R, L и т.п.; параметры, выраженные неэлектрическими величинами – t °С, υ, p и т.п.; признаки – трещины, пыль, влага, нагар на контактной поверхности и т.п. В зависимости от применяемого метода диагностирования используются те или иные из них. Они называются диагностическими параметрами (ДП), или признаками. Если значения ДП (признаков) объекта не поддаются непосредственному измерению, то их находят путем обработки значений других параметров, связанных с диагностическими известными зависимостями. Определение ДП формальными методами предполагает построение и анализ диагностической модели объекта. Такие методы позволяют выбрать ДП, достаточные для проведения соответствующего вида диагностирования: проверки исправности, работоспособности функционирования, поиска дефекта. Выбор совокупности ДП является ответственной задачей разработки системы технического диагностирования. 116 Успешное решение этой задачи возможно только при глубоком знании и анализе СЭО и СА и их элементов как объектов диагностирования. При выборе ДП учитываются их информативность, доступность для измерения и контроля, стоимость и время измерения. Предпочтение отдается параметрам, имеющим прямую функциональную связь с ТС диагностируемого элемента или объекта, обладающим большей информативностью, относительно легко и по возможности непосредственно измеряемым простыми средствами. Контролировать все параметры, определяющие ТС сложных СЭО и СА, практически невозможно, поэтому СТД контролируют некоторое множество наиболее существенных параметров. Величина, показывающая, в какой мере проверка объекта по выбранной совокупности параметров отличается от полного контроля, называется полнотой контроля. В простейшем случае полнота контроля определяет: Vп к = Nк/N, (202) где Nк – число контролируемых параметров; N – число параметров, необходимое для оценки ТС и объекта. В ряде случаев оценка по формуле (202) не может быть достаточной, т.к. не учитывается информативность отдельных ДП. Под информативностью ДП понимается количество информации о состоянии объекта, который можно получить в результате контроля данного параметра. Учет информативности ДП проводится на основе формулы теории информации: k k I = ΣPilog21/Pi = − Σ Pilog2 Pi, i=1 (203) i=1 где I − количество информации; Pi − вероятность сообщения; k – число вероятностей сообщений. Количество информации I возрастает при росте k. Пусть дана электрическая система (ЭС) (объект), и каждый из ее n функциональных элементов может находиться в двух состояниях − работоспособном и неработоспособном. 117 Вероятность нахождения ЭС в работоспособном состоянии Pc − это вероятность безотказной работы всех ее n элементов: n Pc = ПР i . i =1 Вероятность нахождения (ЭС) в неработоспособном состоянии − Qc = 1− Pi, где Pi − вероятность безотказной работы i-го элемента. Исходная неопределенность состояния ЭС до начала контроля согласно формуле (203) выражается следующим образом: Ho = −Pclog2 Pc − Qc log2 Qc = n n n n (204) = −ΠPi log2 ΠPc − (1−ΠPi) log2 (1 −ΠPi). i=1 i=1 i=1 i=1 Информативность i-го параметра находится как разность: Ii = Ho − Hi, где Hi − неопределенность, оставшаяся после контроля i-го параметра. Ii = Ho − H = Ho − PiHi = nП nН nН nН nН Ho − ΠPi[−ΠPi log2 ΠPi − (1−ΠPi) log2 (1 − ΠPi)], i=1 i=1 i=1 i=1 (205) i=1 где nн – непроверенная группа элементов. Информация, получаемая при одновременном контроле Nк диагностических параметров (из общего числа N), позволяющая контролировать nн элементов ЭС, определяется аналогично выражению (205): iNk = Ho − H = Ho − PiHi = nн nН nН nН nН Ho − ΠPi[−ΠPi log2 ΠPi − (1−ΠPi) log2 (1 − ΠPi)]. i=1 i=1 i=1 i=1 i=1 (206) С учетом информативности контролируемых параметров Nк полнота контроля определяется следующим образом: (207) Vп к = INk / Ho; 0 ≤ Vп к ≤1. Минимальное число ДП, которое нужно контролировать для обеспечения заданной полноты контроля Vп к, определяется так: 118 (208) Vп к = INk / Ho≥ Vп к. Если необходимо учитывать стоимость СNk или tNk контроля, то ДП выбираются так, чтобы было максимально соответствующее отношение: INk/ СNk или INk/ tNk max. (209) При соответствии количественных показателей безотказности элементов выбор ДП СЭО и СА может быть выполнен путем опроса специалистов (экспертов) – судовых инженеров-электромехаников. С помощью метода экспертных оценок, используя опыт, знания и инструкцию специалистов, можно построить упорядоченный (ранжированный) ряд параметров, определяющих ТС СЭО и СА. Выбор параметров для контроля ТС. Важное значение при выборе параметров для контроля ТС имеют требуемая полнота контроля Vп к и используемая диагностическая модель СЭО и СА. Минимальная совокупность параметров для контроля ТС СЭО и СА выбирается в следующем порядке. 1. Составляется диагностическая модель объекта или электрической системы (ЭС). Диагностические модели бывают: аналитические модели; функционально-структурные; граф-модели; логические модели. При диагностировании СЭО и СА используются в первую очередь функционально-структурные, граф-модели и логические. Например, берем функционально-структурную модель. Она строится на основе функциональной схемы объекта. Каждый функциональный элемент (блок) функциональной схемы заменяется в модели функциональными элементами, имеющими по одному выходу (одной выходной функции) и существенные для данного выхода входы (входные параметры). В модели связь функциональных элементов соответствует связям функциональной схемы объекта. Количество элементов в диагностической модели может отличаться от количества элементов в соответствующей функциональной схеме, т.к. в последней элементы выбираются для описания процессов функционирования объекта, а в модели количество элементов приближенно определяется заданной глубиной поиска дефекта. 119 2. Составляется матрица взаимозависимости внешних выходных функций функционально-структурной модели. Контроль ТС объектов может быть полным или неполным. При неполном контроле выбор контролируемых параметров сводится к определению такой совокупности доступных для контроля параметров, которая обеспечила бы получение максимального количества информации о состоянии СЭО и СА. Приме р . Известна функционально-структурная модель ЭС. Требуется определить выходные функции, необходимые для полного контроля работоспособности ЭС Vп к = 1 и выбрать две выходные функции, контроль которых позволяет получить максимальную информацию о состояниях системы. Вероятность безотказной работы элементов 1−8 ЭС известна: P1 = 0,95; P2 = 0,99; Р3 = 0,90; Р4 = 0,96; Р5 = 0,92; Р6 = 0,98; Р7 = 0,97; Р8 = 0,93. Матрица взаимозависимости внешних выходных функций модели: Внешняя функция Z3 Z5 Z8 1 + + – ∞ 2 + – – Элементы модели 3 4 5 6 + – – + – + + + – – – + ∞ ∞ 7 + + + ∞ Ho = −ΠPi log2 ΠPc − (1 − ΠPi) log2 (1 − ΠPi) = i=1 i=1 i=1 i=1 = 0,67 log20,67 – 0,33 log20,33 = 0,92. 120 8 – – + Из данных матрицы видно, что при контроле Z3 и Z8 состояние элементов не контролируется. При этом информация о состоянии ЭС будет: IN1-3, 6-8 = Ho − ΠPi[−Р4Р5 log2 ΠP4 P5 − (1− P4 P5) log2 (1 P4 P5 −)] = i ≠ 4,5 0,92 – 0,95·0,99·0,90·0,98·0,97·0,93[-0,96·0,92 log2 (0,96·0,92) – (1 – – 0,96·0,92 log2 _1 – 0,96·0,92)] = = 0,92 – 0,40 = 0,52. Полнота контроля определяется: Vп к(Z3, Z8) = IN1-7/ Ho = 0,66/0,92 = = 0,72. При контроле функций Z5 и Z8 не контролируются элементы 2 и 3. Информация о состоянии системы: IN1, 4-8= Ho − ΠPi[−Р2Р3 log2 ΠP2 P3 − (1− P2 P3) log2 (1 P2 P3 −)] = i ≠ 4,5 = 0,92 – 0,74[0,89 log20,89 – 0,11 log20,11] = 0,92 – 0,36 = 0,56. Полнота контроля: Vп к = 0,56/0,92 = IN1, 4-8/ Ho = 0,61. Таким образом, в качестве контролируемых выбираем Z3 и Z5, т.к. при этом достигается наибольшая полнота контроля при двух контролируемых параметрах. Выбор параметров для поиска дефекта. Контролируемые параметры для поиска дефекта выбираются в зависимости от используемой диагностической модели и заданной глубины поиска дефекта. Понятно, что для объекта диагностирования, модель которого представлена без учета структуры в виде отдельных не взаимосвязанных функциональных элементов, необходимо контролировать выходные параметры всех функциональных элементов. Если представлена диагностическая модель объекта с учетом функциональных связей элементов, то при поиске дефекта могут контролироваться выходные параметры не всех функциональных элементов объекта. Сокращение контролируемых параметров достигается путем учета связей между элементами объекта, а также за счет учета только одиночных дефектов (вероятность появления в системе одиночных дефектов значительно выше, чем вероятность одновременного появления двух и более дефектов). Пусть известна структурная схема объекта. Объект диагностирования состоит из функциональных элементов 1–8. 121 На основе анализа этой схемы строится таблица функций неисправности, в которой каждая строка определяет двоичный код ТС объекта при отказе соответствующего элемента. Код ТС объекта ℓ0 ℓ1 ℓ2 ℓ3 ℓ4 ℓ5 ℓ6 ℓ7 ℓ8 Z1 1 1 1 1 1 1 1 1 Z2 1 1 1 1 1 1 Z3 1 1 1 1 1 1 1 1 Z4 1 1 1 1 1 1 1 Z5 1 1 1 1 1 1 1 Z6 1 1 1 Z7 1 1 Z8 1 1 П ри ме ча ние : ℓ0 – состояние, соответствующее состоянию, когда отказавших элементов в объекте нет. Из таблицы видно, что коды состояний ℓ0÷ℓ8 не совпадают, и, значит, при контроле всех выходных функций Z1÷Z8 различимы все одиночные отказы элементов в объекте. Для сокращения количества контролируемых параметров при поиске одиночных отказов нужно на основе таблицы построить такую таблицу функций неисправности, в которой при сохранении числа строк неизменным и различии кодов строк было бы меньшее число столбцов, т.е. меньшее число контролируемых параметров. В таблицу войдут столбцы с параметрами, соответствующие неразветвляющимся выходам элементов (Z4, Z5, Z7, Z8). 122 Если контролировать только эти четыре параметра, то, как видно из следующей таблицы (минимизированной), не будут различаться 1 и 5, 2 и 6, 3 и 4 дефектные элементы. По первой таблице нетрудно установить, что во второй нужно включить столбец с параметром Z2, тогда все одиночные дефекты будут различены. Код ТС объекта ℓ0 ℓ1 ℓ2 ℓ3 ℓ4 ℓ5 ℓ6 ℓ7 ℓ8 Z4 1 1 1 1 1 1 1 Z5 1 1 1 1 1 1 1 Z7 1 1 Z8 1 1 Z2 1 1 1 1 1 1 Таким образом, в результате контроля полученной минимизированной совокупности параметров определяются все одиночные отказы элементов диагностируемой системы, т.е. коэффициент глубины поиска дефекта равен единице. Если не представляется возможным проводить контроль всей минимизированной совокупности параметров, то коэффициент глубины поиска дефекта уменьшается, его значение легко рассчитать по данным второй таблицы. Система технического диагностирования может осуществлять поиск дефекта до элемента, узла, блока и др. Чем подробнее указывается место дефекта, тем больше глубина поиска дефекта. Глубина поиска дефекта оценивается коэффициентом глубины поиска дефекта, определяемая по диагностической модели объекта: Кг п = F/R, (210) где F – число однозначно различимых составных частей объекта на принятом уровне деления с точностью, до которой определяется место дефекта. R – общее число составных частей объекта на принятом уровне деления 1 ≥ Кг п ≥ 1/R. 123 2. Методы и программы поиска дефектов СЭО и СА Большая часть времени, затрачиваемого персоналом на восстановление отказавшего СЭО и СА, расходуется на поиск дефектов. Поэтому нужно выбрать такие методы и программы поиска дефектов, при которых обеспечиваются минимальные затраты и снижается физическая и умственная нагрузка обслуживающего персонала. Программа поиска дефекта (последовательность выполнения проверок из заданного множества) зависит от принятого метода. На практике применяются формальные методы поиска дефекта (последовательных поэлементных проверок, последовательных групповых проверок, комбинационный), а также логический, при котором не задаются жесткие программы поиска дефектов. Метод последова тель ных поэлеме нтн ых п роверок Поиск дефекта осуществляется проверкой функциональных элементов системы по одному по определенной программе. Когда обнаруживается дефектный элемент, его заменяют или восстанавливают, а затем проверяют работоспособность всей системы. Если система оказывается неработоспособной, то проводится поиск следующего дефектного элемента, причем поиск начинается с той проверки, при которой был обнаружен первый дефектный элемент. Затем после устранения второго дефекта, снова проверяется работоспособность системы и т.д. Программа поиска дефекта может оптимизироваться с целью минимизации среднего времени поиска исходя из известных значений среднего времени проверки элементов (t1, t2,…, ti, …, tn) и вероятности отказов системы за счет отказа любого из n элементов (Q1, Q2, …, Qi, …, Qn). Относительная вероятность отказов Qот = mэ/mс , (211) где mс − число отказов общее системы; mэ − число отказов системы из-за данного элемента (взято 100 элементов СА). Элементы различных типов имеют следующие значения относительной вероятности отказов, %: переключатели, реле 4–12; резисторы непроволочные 13–23; 124 конденсаторы 3–7; электродвигатели, сельсины 2–10; трансформаторы, дроссели, катушки 2–7; полупроводниковые приборы ≤5. При оптимизации программы возможны случаи: 1) Q1 ≠ Q2 ≠ …. ≠ Qn; t1 ≠ t2 ≠…≠ tn. Тогда в качестве критерия оптимизации программы поиска дефекта берется отношение Qi/ ti, очередность проверок элементов устанавливается из условия «Вероятность−время» по убыванию отношения: Q1/t1 > Q2/t2 > Qi/ti >…> Qn/tn; 2) Q1 ≠ Q2 ≠ …. ≠ Qn; t1 ≠ t2 ≠…≠ tn. Тогда программа последовательности проверок элементов системы выбирается из условия «max вероятность» по убыванию вероятности отказа элемента в системе: Q1 > Q2 > …. > Qn; 3) Q1 = Q2 = …. = Qn; t1 ≠ t2 ≠…≠ tn. Программа проверок выбирается из условия «минимальное время» по убыванию времени проверки элемента: t1 < t2 < … < ti <…< tn; 4) Q1 = Q2 = …. = Qn; t1 = t2 =…= tn. Поиск дефекта ведется по принципу «случайные пробы» в случайной последовательности проверок элементов. Программа поиска дефекта может оптимизироваться также из условия минимума средних затрат на поиск дефекта с учетом стоимости C1, C2, …, Cn проверки каждого элемента. При этом последовательность проверок для поиска дефекта устанавливается по уменьшению отношения Q1/C1 > Q2/C2 >…> Qn/Cn. При учете стоимости формируется более рациональная программа последовательных поэлементных проверок при поиске дефекта, т.к. стоимость проверки, кроме времени поиска, учитывает стоимость применяемых технических средств, квалификацию диагностирующего персонала … и другое. Достоинством этого метода является его применимость при любых функциональных схемах систем. Недостаток − относительно большое число проверок (даже при оптимальных программах поиска дефекта), т.к. при поиске отказавшего элемента последовательно проверяются все предшествующие ему в программе элементы в отдельности. 125 Метод последова тельных групповых прове рок В СЭО и СА имеется возможность одной проверкой определять наличие дефекта в группе элементов. Поиск дефекта проводится путем разделения электрической системы (объекта) на отдельные группы элементов (блоки, узлы и т.д.) исходя из конструктивных особенностей системы. Затем определяется группа элементов, в которой имеется дефект, и внутри этой группы выявляется дефектный элемент путем последовательного деления этой группы на подгруппы. Оптимальная программа поиска дефекта определяет нужную контрольную точку, с которой следует начинать проверку групп, устанавливает последовательность дальнейшей разбивки на подгруппы групп с дефектным элементом. Если время проверок всех элементов одинаковы, то способ разделения элементов на подгруппы при поиске дефекта можно установить на основе равенства информации, полученной при проверке каждой из двух подгрупп. Информация, получаемая при одновременной проверке k элементов (из общего числа n): (212) Ik = Ho − Pk[−Pn-k log2 Pn-k − (1 − Pn-k) log2 (1 − Pn-k)], где Ho = −Pc log2 Pс − (1 − Pс) log2 (1 − Pс) − исходная неопределенность системы; Pk; Pn-k; Pc = Pk·Pn-k − вероятности безотказной работы соответствующей группы из k элементов, группы из (n – k) элементов и системы из n элементов. Информация, полученная при одновременной проверке (n – k) элементов: (213) In-k = Ho − Pn-k[−Pk log2 Pk −(1 − Pk) log2 (1 − Pk)]. Из условия равенства информации формулы (209), (210) получим: Pk = Pn-k. (214) Способ, определенный формулой (214) – деление элементов системы на группы при разработке оптимальной программы поиска дефекта называется способом половинной вероятности, т.к. при поиске дефекта контрольная точка проверки каждый раз выбирается из условия разделения схемы с отказавшим элементом на две группы с одинаковой вероятностью безотказной работы. Когда вероятности безотказной работы всех элементов ЭС одинаковы (Pэ = Pi), то 126 (n-k) k (215) Pn-k = Pэ , Pk = Pэ. Из условия формулы (214) с учетом зависимостей формула (215) следует, что одинаковая информация о состоянии двух групп элементов системы может быть получена при одинаковом количестве элементов в группах: (216) k = 0,5n; n − k = 0,5n. Способ, определенный выражениями (213), называется способом средней точки. Он заключается в том, что ЭС разделяется на две равные группы элементов и в средней точке проводится проверка, по которой определяется группа, содержащая дефектный элемент. Затем группа с дефектным элементом распределяется на две равные части и так далее до определения дефектного элемента. При этом способе оптимальная программа реализуется, если элементы системы равнонадежны и среднее время проверок групп элементов примерно одинаково. В других случаях способ минимизирует число проверок для отыскания дефектного элемента. Среднее число проверок πср, которое требуется для выявления одного эффекта, составляет πср = πΣ/kд, (217) где πΣ − общее число проверок, которое нужно выполнить для выявления всех kд дефектов в системе. Теоретически минимальное число проверок для ЭС с равновероятными дефектами элементов πср min = log2 kд. (218) Если время проверки элементов системы разное, то ЭС последовательно разделяется на две части элементов с примерно одинаковым временем проверок. Такой способ разделения элементов на группы называется способом половинного времени. Комбинац ионный ме тод Поиск дефекта проводится путем измерения определенной совокупности параметров. На основе их анализа дается заключение о дефектном элементе (см. раздел 1 «Выбор параметров для поиска дефекта»). Программа поиска дефекта не оптимизируется. Последовательность проверок значения не имеет, т.к. для поиска дефекта контролируется (в любом порядке) полная совокупность определяющих параметров. Устанавливаются параметры, находящиеся вне допус- 127 тимых пределов, и по кодовому числу (двузначный код состояния) определяется дефектный элемент. Этот метод эффективен при поиске дефекта (или одновременно нескольких дефектов) в электрических системах с тесной взаимосвязью отдельных элементов. В сложных ЭС для поиска дефекта оптимальная программа поиска может быть реализована путем комплексного использования рассмотренных методов: − комбинационного метода – для поиска неисправного функционального блока; − метода групповых проверок – для поиска неисправного узла, каскада; − метода поэлементных проверок – для поиска неисправных элементов (деталей в узлах, каскадах). При большом числе элементов в ЭС синтез оптимальной программы является сложным процессом. Поэтому, если требования к быстродействию поиска дефекта не очень жесткие, используется квазиоптимальная программа, обеспечивающая среднее время поиска дефекта, незначительно отличающееся от минимального. Автоматизация процесса поиска дефекта с использованием микропроцессорной техники в судовых системах автоматизированного управления и контроля позволяет сократить время поиска дефекта примерно в 10 раз. Вместе с тем формальные методы имеют недостатки, обусловленные практической невозможностью учета множества дефектов, которые могут появиться в процессе ее эксплуатации СЭО и СА, а следовательно, невозможностью построения диагностических моделей, в полной мере отражающих реальные дефекты. Логическ ий метод В практике ТО и ремонта находит применение логический метод поиска дефекта, при котором учитывается для оптимизации процесса поиска дополнительная информация, получаемая при проверках. Этот метод иногда называется методом гипотез. Поиск дефекта ведется путем проверки выдвинутых при анализе проявлений дефекта гипотез о возможных причинах дефекта. Этот метод не исключает возможность одновременного применения формальных методов на отдельных этапах поиска дефекта. Поиск дефекта логическим методом затрудняет автоматизацию 128 процесса поиска, т.к. при этом необходимо проводить анализ информации о признаках дефекта с целью ограничения области поиска, анализ электрических схем для выдвижения гипотез о причинах дефекта, выбирать совокупность проверок и анализировать их результаты для получения гипотез и заключения о причинах дефекта. Этот метод находит применение вместе с формальными методами при настройке СЭО и СА без использования автоматических устройств. V. Техника безопасности при эксплуатации СЭО и СА Лекция 17 Электробезопасность при эксплуатации СЭО и СА 1. Действие электрического тока на организм человека. 2. Требования по безопасной эксплуатации СЭО и СА. 1. Действие электрического тока на организм человека При эксплуатации СЭО и СА возможны случаи травматизма обслуживающего персонала от воздействия электрического тока. Анализ травматизма на судах показывает, что большая часть несчастных случаев происходит по следующим причинам: − несоблюдение правил техники безопасности; − отсутствие контроля за проводимыми работами с электрооборудованием; − несоблюдение технологической дисциплины; − несвоевременное устранение возникших неисправностей и повреждений оборудования; − формальное проведение инструктажа по безопасным приемам работы. Электрический ток, воздействуя на человека, вызывает реакции не только в месте проникновения тока, но и в любой точке тела, лежащей на его пути. В этом кроется причина опасности поражения электрическим током при больших путях его прохождения по организму человека. Величина тока, при которой человек начинает ощущать его воздействие, называется пороговым током, которая составляет: 129 − при непрерывном токе частотой 50 Гц − 0,6–1,5 mA; − при постоянном токе − 5–7 mA. Опасным для человека считается переменный ток частотой 50 Гц и величиной 10 mA, а постоянный ток − величиной 50 mA. При переменном токе 10–15 mA (f = 50 Гц) и постоянном токе 50–80 mA возникают непереносимая боль и судороги мышц, человек не может самостоятельно освободиться от прикосновения к токоведущим частям. Постоянный и переменный ток оказывает разное действие на человека. Постоянный ток в 4−5 раз менее опасен, чем переменный, так как физиологическое действие постоянного тока в основном тепловое, а переменный ток частотой 50–60 Гц существенно влияет на центральную нервную систему и вызывает судороги мышц. Смертельным пределом тока (постоянного и переменного) считается 100 mA. Электрический ток, воздействуя на человека, приводит в основном к электрической травме или электрическому удару. Электротравмы – это электрические ожоги, электрические знаки, металлизация кожи – проникновение металла в кожу. Они обычно излечиваются. Электрический удар (ток) вызывает поражения всего организма. Происходит судорожное сокращение мышц, расстройство дыхания, кровообращения и сердцебиения. Ток, протекающий через тело человека, является функцией двух основных факторов: сопротивления тела и напряжения, под которым оказался человек. Сопротивление тела человека ( R4 ) является переменной величиной, зависящей от множества факторов, в том числе состояния кожи (влажность, потовыделение, загрязнение) и от состояния организма в целом (физическое и моральное состояние). Сопротивление тела человека резко уменьшается при утомлении и нервном возбуждении (на 30%), особенно после употребления алкоголя (на 50%). При увлажнении рук морской водой R4 изменяется в широком диапазоне – от 600 до 10 000 Ом. Для расчетов R4 берется равное 10 кОм. Род тока. Переменный ток частотой 50 Гц представляет большую опасность для человека, чем постоянный. Для сравнения, переменный ток частотой 50 Гц при напряжение 36 В по характеру воздействия эквивалентен постоянному току напряжением 110 В. Напряжение. Опасность напряжения электрическим током резко увеличивается с ростом напряжения до 200 В, при напряжении от 200 до 800 В опасность поражения увеличивается незначи- 130 тельно, а при напряжении свыше 800 В опасность поражения резко возрастает. За безопасную величину напряжения при любых условиях окружающей среды принято U = 12 В. Частота тока. Повышение частоты вызывает понижение физической активности переменного тока, но так как одновременно с этим уменьшается и сопротивление тела человека, то опасность поражения увеличивается. Время протекания тока. С увеличением времени протекания тока через тело человека сопротивление R4 уменьшается. Фактор времени тесно связан с величиной приложенного напряжения: чем выше напряжение, тем быстрее происходит поражение электрическим током. При работах с установками напряжением до 1000 В прикосновение к токоведущей части обычно бывает продолжительным, так как возникают судороги, не позволяющие человеку без посторонней помощи освободиться от действия тока. Путь тока. Путь тока в организме оказывает существенное влияние на исход электротравмы. Наиболее опасным является путь тока вдоль оси тела или путь, лежащий через жизненно важные органы. Степень опасности и возможность поражения электрическим током при соприкосновении с токоведущими частями, находящимися под напряжением, зависят от того, каким образом произошло включение человека под напряжение (рис. 22). Различают двухфазное (двухполюсное) и однофазное (однополюсное) включение. Рис. 22. Схемы замещения при прикосновении человека к двум (а) и одной (б) фазам трехфазной цепи с изолированной нейтралью В случае прикосновения к двум фазам (см. рис. 22, а) судовой трехфазной цепи с изолированной нейтралью ток I 4 проходит через тело человека при напряжении сети U л и будет зависеть только от R4 : 131 I 4 = U л / R4 = 3U ф / R4 , т.к. переходное сопротивление Rп (сопротивление подошв обуви, диэлектрического коврика) между телом человека и корпусом судна обычно больше и намного R4 . Приме р: если U с = 380 В , R4 = 1000 Ом , то I 4 = 380/1000 = = 0,38 А ( > 0,01 А ) . Этот ток опасен для жизни. Средством защиты являются диэлектрические галоши, коврики ( Rn ). При прикосновении к одной фазе трехфазной цепи с изолированной нейтралью (см. рис. 22, б) значение тока I 4 , при условии rа = rв = rс относительно корпуса судна, будет: I 4 = 3U л /(3( R4 + Rп ) + r ) = 3U ф /(3( R4 + Rп ) + r ) . Приме р: U л = 380 В , R4 = 1000 Ом , rиз = 200 000 Ом (силовой сети), Rп = 0 (отсутствие защитных средств). I 4 = 3 ⋅ 380 /(3(1000 + 0) + 200 000) = 0,0032 А(< 0,01 А) − такой ток не опасен. Роль защитных средств с Rn в ограничении I 4 особенно важна при снижении сопротивления изоляции фаз rиз . Если металлический корпус или часть СЭО оказывается под напряжением, не имея защитного заземления с корпусом судна, то прикосновение к ним аналогично прикосновению человека к одной фазе. Защитное заземление позволяет предупредить поражение человека электрическим током при прикосновении к заземленным частям СЭО, находящимся под напряжением (рис. 23). Рис. 23. Схема замещения: при прикосновении человека к заземленному корпусу электрооборудование оказывается под напряжением 132 Ток на корпус К судна пойдет по двум параллельным путям: 1) по заземленному устройству I 3 , имеющему сопротивление R3 ; 2) по телу человека. I 3 R3 = I 4 ( R4 + Rп ); I 4 = I 3 R3 /( R3 + Rп ) . Обычно R3 ≤ 10 Ом , т.е. R3 ≤ R4 + Rп и, следовательно, I 4 ≤ I 3 , что и обеспечивает безопасность при затыкании собой фазы на заземленный корпус СЭО. Здесь рассматривались цепи без учета емкости фаз относительно корпуса судна, с а = с в = с с = 0 . При наличии емкости фаз опасность напряжения возрастает. Чтобы ее уменьшить, в современных судовых цепях включенных в нейтраль генераторов самонастраивающейся индуктивности. Эффективным способом защиты при однофазном включении в цепь с индуктивностью является также увеличение Rп за счет защитных средств. 2. Требования по безопасной эксплуатации СЭО и СА Требования по обеспечению безопасности ТЭ судовых технических средств (в том числе СЭО и СА) определены правилами техники безопасности (ПТБ) на судах. Ответственность за соблюдение на судах ПТБ несет капитан, который обязан точно или через своих помощников и начальников служб принимать меры для предупреждения случаев травматизма. Каждый член командного состава судна отвечает за безопасность труда членов экипажа и обязан контролировать выполнение членами экипажа ПТБ и обучать подчиненных ему лиц безопасным методам работы. Контроль и ответственность за соблюдение ПТБ во время работ возлагается на лицо командного состава, непосредственно возглавляющего эту работу или давшего распоряжение о ее выполнении. Ответственность за происшедшие несчастные случаи несут лица, которые своими распоряжениями или действиями нарушили ПТБ и судовые инструкции или не приняли должных мер, чтобы обеспечить безопасность работ. При поступлении на судно лица командного и рядового со- 133 ставов неэлектротехнического персонала, по роду работы использующие СЭО, должны пройти инструктаж и проверку знаний по электробезопасности у старшего механика или электромеханика с отметкой об этом в журнале регистрации инструктажей по технике безопасности. Эти лица командного состава, а также электромеханики I, II, III разрядов должны ежегодно проходить проверку знаний ПТБ в соответствующем объеме. Для электромехаников I, II и III разрядов объем знаний ПТБ включает в себя: 1. Технически обоснованное понимание опасности при работе в электроустановках и исчерпывающие знания ПТБ при эксплуатации судовых электроустановок. 2. Умение организовать безопасное ведение работ в электроустановках, знание приемов освобождения пострадавших от действий тока и умение оказать помощь. Старший электромеханик (электромеханик) либо лицо, его заменяющее, обязан проводить занятия 1 раз в 3 месяца с лицами неэлектротехнического персонала по устройству используемого ими СЭО для обеспечения безопасной эксплуатации, контролировать соблюдение правил электробезопасности всеми членами экипажа. К работам по ремонту СЭО работники судоремонтных предприятий могут допускаться по направлению своей администрации, которая несет ответственность за соответствие их квалификации характеру выполняемых работ и знание ими ПТБ. Прежде чем допустить бригаду рабочих к работе по ремонту СЭО в установке под напряжением или при частично снятом напряжении, электромеханик обязан: − выполнить соответствующий комплекс операций по обеспечению электробезопасности; − провести краткий инструктаж об особенностях устройства электроустановки; − сделать записи в вахтенном журнале о допуске бригады к ремонтным работам. Допустив бригаду к работе, электромеханик может оставить место ее работы. Ответственность за соблюдение ПТБ и пожаробезопасности при выполнении предремонтной дефектации несет руководитель группы дефектации. С целью обеспечения электро- 134 безопасности электроустановка любого напряжения должна быть укомплектована защитными средствами, которые должны проходить периодические испытания и осмотры. Ответственность за обеспечение электроустановок испытанными защитными средствами несет электротехник судна, а ответственность за наличие, пригодность и правильное использование защитных средств несет персонал, обслуживающий электроустановку. 3. Требования электробезопасности при различных категориях работ Работы, проводимые в действующих судовых электроустановках, в отношении мер безопасности разделяются на 3 категории: − при полном снятии напряжения; − при частичном снятии напряжения; − без снятия напряжения. Работ ы с полностью снятым на пряжением При этих работах должны быть отключены токоведущие части, на которых выполняется работа. СЭО, выделенное для работы, отключается с помощью коммутаторной аппаратуры или снятием предохранителей. Для предотвращения подачи напряжения к месту работы необходимо: − отключить от транзисторов все связанные измерительные и другие транзисторы со стороны высшего и низшего U. − на рукоятках коммутаторных аппаратов и зажимах предохранителей вывесить плакаты «Не включать! Работают люди» (вывешиваются лицом, выполняющим отключение, и им же снимаются по окончании работ). По решению электромеханика судна может быть применено переносное заземление на токоведущие части всех фаз отключенной электроустановки. Эти заземления должны отделяться от токоведущих частей коммутаторной аппаратуры, а на рукоятках ее вывешиваются плакаты «заземлено» в количестве, равном наложенным заземлением. После вывешивания знаков безопасности и перед началом работ проверяется отсутствие напряжения между фазами и каждой фазой и корпусом судна и нулевым проводом (ес- 135 ли он есть). Отсутствие U до 1000В проверяется указателем U или переносным V контрольной лампой при U л не выше 220 В. Работы с частичным напряжением После проверки отсутствия U в необходимых случаях накладывается переносное заземление и вывешивается плакат «Работать здесь». Неотключенные токоведущие части, доступные случайному прикосновению, ограждаются. На временных ограждениях вывешиваются плакаты «Стой! Опасно для жизни» (для установок до 1000 В) и «Стой! Высокое напряжение» (для установок 1000 В и выше). Ремонтному персоналу запрещается переставлять или убирать знаки безопасности, временные ограждения, переносные заземления и проникать на территорию огражденных участков. Лицо, работающее вблизи токоведущих частей, находящихся под напряжением, должно применять изолирующие защитные средства и располагаться так, чтобы токоведущие части были перед ним и только с одной стороны. Запрещается работать в согнутом положении, если при выпрямлении можно коснуться токоведущих частей. Работы без снятия на пряжения Допускается как исключение при невозможности снятия U. Осуществляется замена аппаратуры и приборов, установка перемычек, зачистка и подтягивание нагревающихся контактов, присоединение отдельного кабеля к распределительному устройству, регулирование и проверка средств защиты, ремонт приводов коммутаторных аппаратов. Работа под U проводится только с разрешения электромеханика или старшего механика квалифицированными и опытными лицами электротехнического персонала с применением изолирующих защитных средств под непосредственным наблюдением электромеханика. При этом следует работать в диэлектрических перчатках и галошах или стоять на диэлектрическом коврике, пользоваться электроинструментом с изолирующими рукоятками. Работая на токоведущих частях одной фазы, необходимо ограждать токоведущие части других фаз резиновыми матами; прикасаясь инструментом к токоведущим частям − не дот- 136 рагиваться до окружающих предметов; работать только в комбинезоне с рукавами, застегнутыми у кистей, и в головном уборе. В помещениях, особо опасных в отношении поражения людей током (особо сырые, с химически активной средой), опасных в отношении пожара, а также на мачтах и колонках работа под напряжением запрещается. В процессе эксплуатации судовому электротехническому персоналу разре шае тся: − без снятия напряжения – делать уборку в закрытых распределительных устройствах, помещениях щитов, постов управления, чистку и обтирку кожухов оборудования, пополнение смазки подшипников, уход за кольцами и коллекторами ЭМ, замена закрытых предохранителей, ремонт осветительной аппаратуры и замена ламп внутреннего и наружного освещения, за исключением ламп на мачтах, колоннах; ремонт аппаратуры телефонной связи и бытовой сигнализации; возобновление надписей на кожухах, корпусах электрооборудования и на ограждениях; − со снятием напряжения − ремонт и ТО коммутирующих аппаратов, реостатов при их установке вне щитов и пультов; ремонт отдельных электроприемников, отдельно расположенных магнитных станций, контроллеров блоков управления; замена плавких вставок открытого исполнения; ремонт осветительных сетей наружного и внутреннего освещения и замена ламп в особо сырых помещениях; измерение Rиз . Работ ы, часто выпол няемые судовой электрогруппой 1. При измерении Rиз мегаомметром ( МΩ ) нужно убедиться, что цепь отключена. Провода, присоединяемые к МΩ , должны иметь исправную изометрию, рассчитанную на соответствующие значения U. Перед измерением цепь нужно разрядить. Снятие заряда осуществляется проводом с сечением не менее 16 мм2, который сначала присоединяется к «земле» одним концом, а затем – другим, поочередно ко всем выводам оборудования. 2. Измерение переносными приборами должно выполняться двумя лицами. Работу выполнять в диэлектрических перчатках и галошах или на диэлектрическом основании. При измерении токоизмеряющими клещами их держать так, чтобы прибор не ка- 137 сался ни проводов, не измерительных транзисторов. Присоединение (отсоединение) приборов в разрыв цепи нужно выполнять при полностью снятом напряжении. Запрещается проводить переключения во вторичной цепи включения в сеть транзистора тока, т.к. на разомкнутой обмотке может возникнуть опасное напряжение. 3. Замена плавких предохранителей должна проводиться при снятом напряжении. Там, где снять напряжение нельзя, допускается замена под напряжением с обязательным отключением нагрузки, а также пользовании предохранительных очков и диэлектрических перчаток или изолирующих клещей. Замену предохранителей с пола выполняет один человек, на высоте – два человека. 4. При работе с ручным электрофицированным инструментом и переносным освещением необходимо помнить следующее. Для уменьшения опасности поражения током при неисправности изоляции напряжение для переносного освещения на судах ограничено (12 В при f = 50 Гц, 24В = тока), а электроинструмент выполняется на U не выше 36 В. В особо опасных помещениях при использовании электроинструмента U = 36 обязательно применение диэлектрических перчаток, ковриков. Электроинструмент с металлическим корпусом должен иметь 3-й провод в питающем кабеле, который через вилку включается в контур защитного заземления. Заключение Дальнейшее развитие морского и речного транспорта связано с все возрастающей степенью электрификации и автоматизации судовых устройств, технических средств и систем, что ведет к сокращению численности судового обслуживающего персонала и сокращению времени стоянки судов. При таком развитии водного транспорта эффективность технической эксплуатации СЭО и СА приобретает все более важное значение. Должна прослеживаться тенденция к снижению затрат труда, времени и средств на техническую эксплуатацию. Это возможно достичь только путем научного подхода к организации процесса технической эксплуатации. Главнейшей задачей технической эксплуатации является поддержание требуемого уровня эксплуатационной надежности СЭО и 138 СА. Эффективным методом поддержания уровня эксплуатационной надежности СЭО и СА является применение средств технического диагностирования для объективной оценки и прогнозирования технического состояния и поиска неисправностей. Использование СТД дает возможность управлять техническим состоянием и перейти от регламентируемого ТО к ТО по фактическому состоянию, которое позволяет более полно реализовать технические возможности, заложенные в СЭО и СА. Из вышеуказанного следует, что к судовым электромеханикам предъявляются все более высокие требования. Вопрос приобретения профессиональных знаний и навыков стоит очень высоко. При эксплуатации сложного электрооборудования и автоматизированных электрических систем электромеханик должен вовремя и правильно реагировать на все изменения в работе, особенно при возникновении отказов оборудования и в аварийных случаях. Поэтому большое значение имеет при подготовке судовых электромехаников применение современных тренажеров, на которых студенты получают необходимые профессиональные навыки. Библиографический список 1. Калявин, В.П. Технические средства диагностирования / В.П. Калявин, А.В. Мозгалевский. − Л. : Судостроение, 1984. − 208 с. 2. Калявин, В.П. Надежность и техническая диагностика судового электрооборудования и автоматики / В.П. Калявин, А.В. Мозгалевский, В.Л. Галка. − СПб. : ЭЛМОР, 1996. − 295 с. 3. Кузнецов, С.Е. Основы эксплуатации судового электрооборудования и средств автоматизации / С.Е. Кузнецов. − М. : Транспорт, 1991. − 231 с. 4. Кузнецов, С.Е. Основы технической эксплуатации судового электрооборудования и средств автоматизации / С.Е. Кузнецов, В.С. Филев. − М. : Транспорт, 1995. − 448 с. 5. Можаев, А.С. Общий логико-вероятностный метод анализа надежности сложных систем / А.С. Можаев. − Л. : ВМА, 1998. − 67 с. 6. Автоматизация судовых энергетических установок / Р.А. Нелепин [и др.] − Л. : Судостроение, 1975. − 536 с. 139 7. Российский Морской Регистр Судоходства : Правила классификации и постройки морских судов. Т.2. – СПб. : Транспорт, 2003. 8. Российский Речной Регистр : Правила классификации и постройки судов внутреннего плавания. Т.3. – М. : По волге, 2002. − 419 с. 9. Рябинин, И.А. Основы теории и расчета надежности судовых электроэнергетических систем / И.А. Рябинин. − Л. : Судостроение, 1971. − 456 с. 10. Рябинин, И.А. Надежность и безопасность структурносложных систем / И.А. Рябинин. − СПб. : Политехника, 2000. − 248 с. 11. Рябинин, И.А. Надежность судовых электроэнергетических систем и судового электрооборудования / И.А. Рябинин, Ю.Н. Киреев. − Л. : Судостроение, 1974. − 264 с. 140 ПРИЛОЖЕНИЯ ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Математические формулы и выражения I. Основные элементарные функции y = C, где C − действительное число y = xn − степенная функция, где n − действительное число y = ax − показательная функция, где a > 1; a ≠ 1 y = logax − логарифмическая функция, где a > 0; a ≠ 1 y = sin x; y = cos x; y = tg x; y = ctg x – тригонометрические функции II. Производные элементарных функций y' = (C)' = 0;2.y' = (xn)' =n xn-1 y' = (ax)' = ax ln a; При a = e, y' = (ex)' = ex y' = ( logax)' = 1/x loga e; y' = ( logax)' = 1/x ln a При a = e, y' = (ln x)' = 1/x; y' = (sin x)' = cos x y' = (cos x)' = - sin x; y' = (tg x)' = 1/cos2 x y' = (ctg x)' = −1/ sin2 x III. Основные правила дифференцирования (U + V)' = u' + v'; (U − V)' = u' – v'; (CU)' = CU' (-U)' = -U'; (UV)' = U'V + UV'; (U/V) '= U'V – UV'/U2 IV. Основные свойства логарифмов log(a b) = log a + log b; log a/b = log a − log b log am = mlog a; log m a = log/m. V. Таблица основных интегралов ∫dx = x + C; ∫dx/x = ln‫׀‬x‫ ׀‬+ C ∫xndx = (xn+1/n + 1) + C; ∫axdx = (ax/ln a) + C; ∫exdx=ex + C; ∫sin x dx = –cos x + C; ∫cos x dx = sin x + C; ∫tg x dx = –ln‫׀‬cos x‫ ׀‬+ С; ∫ctg x dx = ln‫׀‬sin x‫ ׀‬+ C; ∫dx/ sin x = ln‫׀‬tg x/2‫ ׀‬+ C; ∫dx/cos x = ln‫׀‬tg(x/2 + π/4)‫ ׀‬+ C; ∫dx/sin2 x = -ctg x + C; ∫dx/cos2 x = tg x + c. 141 VI. Основные свойства неопределенного интеграла ∫[ƒ(x) + g(x) − φ(x)]dx = ∫f(x)dx + ∫g(x)dx − ∫φ(x)dx ∫κƒ(x)dx = κ∫ƒ(x)dx, где κ = const. VII. Интегрирование по частям ∫UdV = UV − ∫VdU, где U = U(x), V = V(x) VIII. Формула Ньютона – Лейбница для определенного интеграла b b ∫ƒ(x)dx = F(x)│= F(b) − F(a) a a IX. Интегрирование по частям в определенном интеграле в в в a a a ∫ udv = uv │ − │vdu , где, dv = v’(x)dx, du = u’(x)dx 142 Этапы эксплуатации СЭО 143 ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Tpi − межремонтные ресурсы (между первым и i-м ремонтами); Tслi − межремонтные сроки службы (между первым и i-м ремонтами); Тсл − срок службы до первого капитального ремонта; Тсл− суммарный срок службы (срок службы до списания СЭО); Tр1,р2 − время работы СЭО в 1-м, 2-м цикле использования; Tпр1,пр2 − время простоя СЭО при ремонтах ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Нормируемые показатели надежности СЭО при различных режимах эксплуатации Класс объекта Группа надежности 1 I, II, III 2 I, II Трγ – 3 III I II Непрерывный Н В TPγили Тсл.γ Tр. ср. Тср. γ, Тоγ. Трγ Тв. ср., Тт.о. ср. Тоγ., То, Тр.ср., Тв. ср., Тт.о. ср. Тср. γ, Тоγ. Трγ Тт.о. ср. Тср., Тт.о. Tр. ср. Тт.о. ср. Тср. Tр. ср. III – I, II, III Н Циклический В λ илиTPγ – Р(t) Тср. γ, Трγ или Тсл.γ, Рв(t) Тв. ср. Тср. γ, Трγ или Тсл.γ Тт.о. ср., Tр. ср. или Тсл. ср. Тср., Тр.ср., или Тсл. ср., Рв(t) Тв. ср. , Тт.о. ср. Тср., Тр.ср. или Тсл. ср., Тт.о. ср. Тср., Tр. ср. или Тсл. ср. – Кт.и. Ко.г. Класс объекта Группа надежности 1 I, II, III 2 I, II Р(t) Тсл.γ 3 III I – Р(t) Тсл.γ, Тв. ср. , Тт.о. ср. Тсл. ср., Тв. ср., Тт.о. ср. Тср. γ, Тоγ. Трγ Тсл.γ, Тв. ср. Тт.о. ср. Тср., То, Тр.ср., Тсл. ср., Тв. ср. , II Р(t) Тсл.γ, Тт.о. ср. Тсл. ср., Тт.о. Тср. γ, Тоγ. Трγ Тсл.γ, Тт.о. ср. Тср., Тср., Тсл. ср. Оперативный Н Общий В Н В Тсл. ср. Тр Тсл.γ γ Tр. ср. Тсл. ср. – ср. III I, II, III Тсл. ср. – Ко.г. 144 – Тср., То, Тр.ср., Тсл. ср. Кг Окончание прил. 3 Трγ − гамма-процентный ресурс; Tр. ср. − средний ресурс; Тсл.γ – гамма-процентный срок службы; Тсл. ср. − средний срок службы; Тср. γ – гамма-процентная наработка до отказа; Тоγ. − гаммапроцентная наработка на отказ; Тср. − средняя наработка до отказа; То − средняя наработка на отказ; Тв. ср. − среднее время восстановления; Тт.о. ср. – среднее время ТО; Кт.и., Ко.г., Кг − коэффициент технического использования, оперативной готовности, готовности соответственно; (Н), (В) – назначенное и вынужденное ограничение длительности использования. ПРИЛОЖЕНИЕ 4 Значения коэффициентов нагрузки элементов СЭО и СА Элементы Нагрузочный параметр Режим продолжикратковретельный менный 0,9 1,0 0,9−1,0 0,9−1,0 Электродвигатели, генераторы Ток якоря Напряжение якоря Трансформаторы силовые Ток нагрузки Плотность тока в обмотках 0,7 0,8 0,9 0,9 Автоматические Переключающие устройства и реле Ток в цепи контактов Напряжение переключения 0,5 0,6 0,7 0,8 0,8 1,0 0,9 1,0 Диоды полупроводниковые Выпрямленный средний ток 0,5 0,7 Триоды полупроводниковые Ток коллектора Обратное напряжение Рабочее напряжение Напряжение 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,7 0,7 0,7 Конденсаторы Мощность рассеивания 0,4−0,7 0,4−0,8 Резисторы Платы, панели монтажные Ток в месте контактов Напряжение между соседними выводами 0,8 0,8 0,7 0,7 Сельсины, тахогенераторы Напряжения возбуждения Вращающиеся трансформаторы Ток возбуждения 145 ПРИЛОЖЕНИЕ 5 Номограмма для определения количества запасных частей 146 ПРИЛОЖЕНИЕ 6 Принятые сокращения № п/п Буквенное обозначение 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 АВ АДГ ГРЩ ДП ЖТС ЗИП МЖ МО ПГТО ППС ПТБ ПТЭ РАДО РЩ СА СРЗ СТД СТС СЭО СЭЭС СЭУ ТИ ТО ТОС ТС ТЭ ФС ЦПУ ЭЖ ЭС Наименование Автоматический выключатель Аварийный дизель-генератор Главный распределительный щит Диагностический параметр Журнал технического состояния Запасные части, инструменты, принадлежности Машинный журнал Машинное отделение План-график технического обслуживания Планово-предупредительная система Правила техники безопасности Правила технической эксплуатации Рекламационный акт-донесение об отказе Распределительный щит Средство автоматизации Судоремонтный завод Средство технического диагностирования Судовое техническое средство Судовое электрооборудование Судовая электроэнергетическая система Судовая энергетическая установка Техническое использование Техническое обслуживание Технический отчет судна Техническое состояние Техническая эксплуатация Формуляр судовой Центральный пост управления Электротехнический журнал Электрическая система 147 Оглавление От авторов………………………………………………………… 3 Введение…………………………………………………………... 4 I. Общие положения технической эксплуатации Лекция 1. Основные понятия технической эксплуатации. Техническое обслуживание и ремонт СЭО и СА……….. 5 Лекция 2. Общие требования Правил Российского Речного и Морского Регистров к СЭО и СА. Судовая документация……………………………………………… 12 Лекция 3. Основные показатели оценки технического состояния СЭО…………………………………………………….. 22 II. Эксплуатационная надежность СЭО и СА Лекция 4. Основные понятия, определения и характеристики надежности…………………………………………… 25 Лекция 5. Законы распределения случайных величин в теории надежности……………………………………... 31 Лекция 6. Количественные характеристики надежности…... 40 Лекция 7. Влияние судовых условий эксплуатации на показатели надежности СЭО и СА…………………….. 50 Лекция 8. Понятия о логических и структурных схемах элек55 трических систем……………………………………. Лекция 9. Методы расчета надежности простых и сложных невосстанавливаемых электрических систем……… 60 Лекция 10. Методы расчета надежности восстанавливаемых СЭЭС………………………………………………... 69 Лекция 11. Резервирование как метод повышения надежности…………………………………………………… 75 Лекция 12. Основы расчета комплекта запасных частей……... 86 III. Техническое обслуживание Лекция 13. Виды технического обслуживания……………… 90 Лекция 14. Техническое обслуживание с периодическим контролем, с контролем уровня надежности, с контролем технического состояния……………………. 98 IV. Основы диагностики СЭО и СА Лекция 15. Основные понятия и определения технической диагностики. Показатели и модели диагностирования…………………………………………….. 104 148 Лекция 16. Выбор диагностических параметров. Методы и программы поиска дефектов СЭО и СА….…….. V. Техника безопасности при эксплуатации СЭО и СА Лекция 17. Электробезопасность при эксплуатации СЭО и СА…………………………………………………... Заключение………………………………………………………... Библиографический список………………………………………. ПРИЛОЖЕНИЯ ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Математические формулы и выражения…….. ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Этапы эксплуатации СЭО………………….. ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Нормируемые показатели надежности СЭО при различных режимах эксплуатации............ ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Значения коэффициентов нагрузки элементов СЭО и СА……………………………………... ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Номограмма для определения количества запасных частей................................................... ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Принятые сокращения……............................ 149 116 129 138 139 141 143 144 145 146 147 Самулеев Владимир Иванович Малышев Владимир Константинович Основы технической эксплуатации судового электрооборудования и средств автоматизации Курс лекций Редактор Н.С. Алёшина Корректор Д.В. Богданов Компьютерная вёрстка О.Е. Лядкова, М.Е. Савинова 150 Подписано в печать 03.07.08. Формат бумаги 60×84 1/16. Гарнитура «Таймс». Ризография. Усл. печ. л. 8,90. Уч.-изд. л. 9,44. Тираж 220 экз. Заказ 153. Издательско-полиграфический комплекс ФГОУ ВПО «ВГАВТ» 603950, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а 151 152