Кончаков Е.И. Техническая диагностика судовых энергетических установок

Подождите немного. Документ загружается.

ГЛАВА 2. ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА

2.1. Основные показатели надёжности

Надежность – свойство нормально (без поломок, недопустимых износов,

потери мощности и т.д.) работать в пределах оговоренного межремонтного

срока службы при условии соблюдения всех требований инструкции по экс-

плуатации. Мерой оценки надежности обычно являются вероятностные харак-

теристики.

Надежность включает в себя такие показатели, как безотказность

, долго-

вечность, ремонтопригодность, сохранность.

Количественной характеристикой безотказности является вероятность

безотказной работы Р (t), т.е. вероятность того, что в пределах заданной нара-

ботки объекта отказ не возникает. Все исследования с применением методов

теории вероятности имеют статистический, т.е. приближенный характер.

Вероятность безотказной работы может быть определена по формуле

P (t) = (n

– n(t))/n

где n

и n(t) число деталей (CE) соответственно в начале эксплуатации и отка-

завших за время t.

Как правило, вычисляют вероятность появления отказа Q (t) за время ра-

боты и наблюдения t

Q (t) = 1– P(t) = n(t) = (t)/n

o .

Величина Р(t) убывает от максимального значения Р(t) = 1 в начальной

момент времени t = 0 до минимального Р (t) = 0 при t

→ ∞. Кроме Р (t) пока-

зателя безотказности является частота отказов

∆(t) – относительное количество

отказавших за период наблюдения (

∆t ) деталей:

f (t) = n (t)/(n

∆t).

Часто в литературе частоту отказов называют плотностью распределения

наработки до отказа или плотностью вероятности времени работы до отказа.

Можно записать:

f (t) = dQ(t)/dt = – dP(t)/dt.

Другим важным показателем является интенсивность отказов:

λ (t) = n(t)/n ∆t .

Данный показатель представим в виде формулы:

(

)

(

)

()

(

)

()

Pdt

tdP

−

==−=

С помощью каждой из этих четырех величин могут быть получены ос-

тальные три. Эта взаимосвязь представлена в таблице 1.

Для постоянной интенсивности отказов:

(

)

еtP

λ−

Среднее время наработки до отказа или между отказами:

ср

= 1/λ.

Ресурс характеризует запас возможной наработки объекта.

В соответствии с ГОСТ 27.002-89 «Надежность в технике», это наработка

от начала эксплуатации или ее возобновления после ремонта до перехода объ-

екта в предельное состояния. Предельное состояние наступает в момент исчер-

пания ресурса в связи с недопустимым ухудшением безопасности эксплуатации

и моральным износом.

Для каждого объекта

через определенные промежутки времени эксплуа-

тации предусматриваются регламентные, ремонтные и регулировочные работы.

Ремонт проводят, как правило, с помощью оборудования в условиях, отличных

от условий изготовления. Отремонтированный объект (дизель) является другим

по техническому уровню и возможностям, имеющим значительное число эле-

ментов с наработкой. При этом часть деталей и узлов подверглась ремонту

восстановлению, а часть заменена на новые. Следовательно, даже капитально

отремонтированный объект имеет свойства, отличные от исходного. У них

должны отличаться характер и распределение отказов.

Ресурс помимо времени полезного функционирования включает также

простои, в том числе и при ремонте, так как под воздействием окружающей

Таблица 1

Взаимосвязь между показателями надежности

Показатель

надежности

()

(

)

(

)

()

tλ

[]

вероятность

отказа

()

(

)

−

()

∫

dttf

()

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−−

∫

dttе

1 λ

()

вероятность

безотказной ра-

боты

()

tQ−1

(

)

()

dttf

∫

∞

()

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−

∫

dttе

()

частота от-

казов (плотность

вероятности,

плотность рас-

пределения)

()

dttdQ

−1

(

)

tdP

−

(

)

() ()

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−

∫

dttеt

λλ

()

tλ

интенсив-

ность отказов

()

dttdQ

−1

(

)

tPdln

−

(

)

()

∫

∞

dttf

()

tλ

среды непрерывно меняются свойства − происходит старение.

Срок службы − календарная продолжительность от начала эксплуатации,

возобновления после ремонта и до перехода объекта в предельное состояние.

Различают виды ресурса:

полный – от начала эксплуатации до списания;

назначенный – при достижении которого эксплуатация прекращается не-

зависимо от состояния;

гамма − процентный – при котором объект

с вероятностью γ (в %) не

достигает предельного состояния, т.е.

() ()

;

. рес

ресрес

dTТPTP

рес

∫

∞

где P (Т

рес.

) – вероятность достижения ресурса Т

рес.

;

рес

– наработка до предельного состояния;

медианный

– наработка, при которой объект с вероятностью 50% не дос-

тигает предельного состояния, т.е.

()()

;

%50

%50. рес

ресрес

dTTPTP

рес

∫

∞

средний – математическое ожидание ресурса для объектов данного типа и

назначения;

доремонтный.

Ремонтопригодность характеризуется рядом показателей.

Вероятность – восстановление работоспособного состояния, т.е. вероят-

ность того, что время восстановления работоспособного состояния дизеля не

превысит заданного времени:

()

оb

tS =

где n

– число деталей (СЕ), восстановленных за время t ≤ t

при общем количе-

стве деталей, подлежащих восстановлению n

оb

Частота восстановления, или плотность распределения времени вос-

становления:

()

(

)

(

)

tntndttdStf

obbbb

∆

= //

являющаяся отношением скорости восстановления к общему числу подлежа-

щих восстановлению деталей.

Среднее время восстановления работоспособного состояния, т.е. мате-

матическое ожидание времени восстановления:

∑

obibb

ntt

где t

– время восстановления объекта после отказа.

Средняя трудоемкость восстановления:

()

∑

biobсрb

CnC

где С

– стоимость восстановления работоспособного состояния i-го объекта

после отказа.

Ремонтопригодность ОД во многом определяется его доступностью для

проведения осмотра, регулировочных и монтажно-демонтажных работ.

Сохраняемость – свойство сохранять значения показателей безотказно-

сти, долговечности, ремонтопригодности в течение эксплуатации, хранения и

транспортировки. Количественно определяется гамма процентным сроком со-

храняемости, средним сроком сохраняемости и назначенным

сроком хранения.

Гамма-процентный срок сохраняемости, достигаемый дизелем с заданной веро-

ятностью

γ, выражен в процентах.

Определение надежности системы или элемента является статистической

задачей. При этом количественные показатели надежности в значительной мере

находятся экспериментально. Для электронных элементов, например зависи-

мость интенсивности отказов от времени, представляет собой функцию, пока-

занную на рис. 5а, а для механизмов функцию, показанную на рис. 5 б.

В период приработки

основной причиной отказов обычно являются про-

изводственные дефекты.

а) б)

λ (t)

λ (t) = const t λ (t) ≠ const t

Нормаль-

ная работа

Случайные

отказы, износ

Прира-

ботка

Ранние

отказы

Нормальная

работа

Случайные

отказы

Рис. 5. Зависимость интенсивности отказов от времени

Поздние дефекты, обусловленные наступившим износом и усталостными

повреждениями, снова ведут к росту отказов.

Теоретическое изучение надежности с помощью различных распределе-

ний случайных величин становится возможным благодаря однозначной зави-

симости характера распределения от вида исследуемого изделия. В теории на-

дежности главную роль играют распределение Вейбулла и экспоненциальное.

Зная распределение, по

λ (t) можно однозначно получить значения Q (t); P (t);

f (t) табл. 2.

Таблица 2

Взаимосвязь параметров распределений Вейбулла и экспоненциального

Вид распределения

Q (t) Р (t) F (t)

λ (t)

Вейбулла

1-е

-λtα

λαt

α-1

λtα

λαt

α-1

Экспоненциальное

1-е

−λt

λe

−λt

Примечание. α - параметр формы. Для экспоненциального распределения α =1.

Средний срок службы. Для пояснения рассмотрим пример.

Компрессор имеет средний срок службы Т

ср

= 25 час. Соответствующая

ему интенсивность отказов λ =1/t

ср

= 1/25 = 0,04 час

-1

Надо определить вероятность безотказной работы данного компрессора

во время плавания при общей продолжительности работы 6 час. Примем

λ = const, т.е. справедливо экспоненциальное распределение, тогда

Р(t) =e

–λt

= e

–0,04 · 6

= 0,7866.

Следовательно, вероятность безотказной работы составляет 0,7866.

Надежность системы. Как правило, отдельные узлы и агрегаты выпол-

няют свои функции в составе системы. В этом случае рассматривается надёж-

ность системы в целом. Для последовательного соединения имеем: последова-

тельное соединение элементов в системе 1…i…n.

3 i n

Имеется два принципиально различных типа систем (ОД):

С избыточностью и без избыточности. В случае систем без избыточности

несколько элементов соединены последовательно. При этом считается, что от-

казы отдельных элементов не зависят друг от друга. Отказ системы происходит

при выходе из строя одного из n элементов, т.е. каждый элемент должен быть

исправным

, чтобы система работала. Последовательное соединение элементов

предлагает, что отказ любого из них приводит к выходу из строя всей системы.

Для системы такого рода вероятность безотказной работы определяем по фор-

муле:

=П P

i 1=

i ,

i = 1, …n.

Если принять, что интенсивность отказов для всех элементов является

постоянной, т.е.

λ = const, то при P

(t) = e

– λi t

получим

∑

−

)(

Интенсивность отказов системы в случае последовательного соединения

элементов можно определить с помощью выражения λ

= ∑ λ

Поскольку P(t)

< 1, перемножая P

(t) легко получить P

(t). Зависимость на-

дежности системы от числа элементов при последовательном соединении пока-

зана на рис. 6.

Последовательное соединение элементов в СЭУ встречается редко.

Большинство реальных систем содержит резервные элементы. Система с резер-

вированием (избыточностью) состоит из блоков, эти блоки образованы либо

Надежность

Рис. 6. Зависимость надежности системы от числа элементов при

0 100 200 300 400

число отказов

100%

последовательном соединении

а б

Рис. 7. Система с резервированием: а – блок без избыточности;

б - блок с избыточностью

одним элементом, либо параллельным соединением элементов (рис. 7).

Пусть, например, i -й блок содержит m

элементов. Для получения избы-

точности в блоке должно быть не менее m

+ 1 элементов.

Различают несколько видов избыточности. При функциональной (горя-

чей) избыточности все m

+ 1 элементов блока работают одновременно и дают

100 % требуемой от блока мощности (например насос забортной воды в агрега-

те охлаждения).

При нефункциональной избыточности (холодной) активно работает лишь

один элемент блока, который дает все 100 % потребной мощности. Резервный

элемент вступает в действие лишь в случае активного элемента (например мас-

ляный насос системы смазки).

Теплая» избыточность − при которой резервные элементы нагружаются

частично, а «смешанная» − введение в блок функционирующих и не функцио-

нирующих резервных элементов. В блоке с функциональной избыточностью

элементы соединения работают так, что система не выходит из строя, пока хотя

бы один элемент исправен.

По мере выхода элементов из строя происходит только

соответственное

снижение мощности.

Перемножение вероятности отказа элементов для вычисления вероятно-

сти выхода из строя системы производится при допущении, что все параллель-

но включенные элементы блока имеют равные вероятности отказа Q

, т.е.

Рис. 8. Система, состоящая из трех блоков

= Q

, или P

=1 –(1 – P

)

, где Q

, P

показатели надежности для блока.

Действие функциональной избыточности рассмотрим на примере систе-

мы, состоящей из трех блоков (рис. 8).

Вероятность безотказной работы этой системы из 3 блоков будет равна

= P

, причем P

= P

; P

= 1 – (1 – P

)

; P

При допущении, что Р

= Р

= 0,8 в случае отсутствия избыточно-

сти имеем Р

= 0,8

= 0,512. При наличии функциональной избыточности

= 0,8 [1 – (1 – 0,8)

] 0,8 = 0,634.

Блок с нефункциональной избыточностью обеспечивает безотказную ра-

боту в течение времени t, если элемент А работает безотказно весь промежуток

времени от 0 до t , а также если после отказа элемента А в момент времени t

элемент В работает безотказно в интервале от t до 0t.

Контрольные вопросы

1. Какие показатели включает в себя надежность?

Что характеризует ресурс?

3. Какие виды распределения используются в теории вероятности?

4. Что такое гамма – процентный срок сохраняемости?

5. Как рассчитать вероятность безотказной работы системы из 3 блоков?

ГЛАВА 3. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ

ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ НА СУДАХ

3.1. Распределение отказов на судне

При построении систем диагностирования на судах необходимо учиты-

вать следующее:

1. Большое разнообразие судового оборудования по используемым физи-

ческим принципам (механический, электромеханический, гидравлический,

электронный, радиотехнический и др.) затрудняет получение универсальных

решений (методов и ТСД).

2. Большое разнообразие конструкций судового оборудования

требует

построения программы диагностирования с учетом конструкций приборов и

устройств; это усложняет получение универсальных решений и усложняет ал-

горитмы диагностирования.

3. Наличие на судах как дискретных, так и непрерывных объектов опре-

деляет различные подходы при решении задач диагностирования. В оборудова-

нии, построенном по дискретному принципу, информация обрабатывается в со-

ответствии с

правилами арифметики или формальной логики, что требует ис-

пользования подобных же принципов при построении алгоритмов диагности-

рования. Оборудование непрерывного принципа действия преобразует физиче-

ские величины в соответствии с заложенными отношениями (непрерывными),

поэтому диагностирование подобного оборудования должно предусматривать

имитацию в той или иной степени этих отношений.

4. Различия в структуре судового оборудования

. Так на судах имеются

как одноканальные, так и многоканальные объекты. К многоканальным относят

объекты с функциональным резервированием, избыточного выполнения функ-

ций или несколькими независимыми трактами. Возникновение дефектов в мно-

гоканальных объектах приводит только к снижению степени работоспособно-

сти.