МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

"Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Обнинский институт атомной энергетики –

филиал федерального государственного автономного образовательного учреждения «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

(ИАТЭ НИЯУ МИФИ)

Техникум ИАТЭ НИЯУ МИФИ

 

 

Курсовое проектирование

по дисциплине «Теоретические основы обеспечения надежности систем автоматизации и модулей мехатронных систем»

на тему «Надежность технических систем»

 

 

 

 

Содержание

 

Введение. 3

1 Общая часть. 6

    1.1 Теория надежности. 6

    1.2 Показатели для оценки безотказности. 9

    1.3 Показатели для оценки ремонтопригодности. 11

    1.4 Показатели для оценки долговечности. 11

    1.5 Показатели для оценки сохраняемости. 12

2 Выбор и обоснование методов расчета 12

    2.1 Расчет надежности. 12

3 Расчетная часть. 14

    3.1 Расчет надежности системы.. 14

    3.2 Дерево событий. 20

    3.3 Дерево отказов. 20

4 Надежность системы.. 21

    4.1 Пути повышения надежности системы.. 21

    4.2 Построение схемы с повышенной надежность. 23

5 Вывод. 24

6 Заключение. 25

Список использованной литературы.. 26

 

 

 

Введение

   Вопросам надёжности технических систем, с каждым годом уделяется всё большее внимание. Важность проблемы надежности технических систем обусловлена их повсеместным распространением фактически во всех отраслях промышленности.

   В нашей стране теория надежности начала интенсивно развиваться с 50-х годов, и к настоящему времени сформировалась в самостоятельную дисциплину, основными задачами которой являются:

• Установление видов показателей надежности тех. систем;
• Выработка аналитических методов оценки надежности;
• Упрощение оценки надежности технических систем;
• Оптимизация надежности на стадии эксплуатации системы.

    Надежность - свойство системы сохранять во времени и в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность системы выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях эксплуатации.[1] Надежность – важнейший показатель качества изделий, который должен обеспечиваться на всех стадиях жизненного цикла изделия (проектирование – изготовление – эксплуатация). От надежности зависят такие основные показатели, как качество, эффективность и безопасность. Техника может работать хорошо лишь при условии, что она достаточно надежна.

    Надежность, в сущности, является характеристикой эффективности системы. Если для оценки качества автоматической системы достаточно характеризовать ее надежностью выполнения системой функций в различных состояниях, то надежность совпадает с эффективностью системы.

    Надежность технического оборудования зависит от его проектирования и производства. Чтобы создать надежную техническую систему, нужно правильно рассчитать ее надежность в момент проектирования, знать методы и программы расчета и обеспечения высокой надежности. Необходимо также доказать на практике, что показатели полученной надежности технической системы не ниже заданных показателей. [2]

    Интуитивно надёжность объектов связывают с недопустимостью отказов в работе. Это есть понимание надёжности в «узком» смысле — свойство объекта сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или некоторой наработки. Иначе говоря, надёжность объекта заключается в отсутствии непредвиденных недопустимых изменений его качества в процессе эксплуатации и хранения. Надёжность в «широком» смысле — комплексное свойство, которое в зависимости от назначения объекта и условий его эксплуатации может включать в себя свойства безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости, а также определённое сочетание этих свойств.

    Актуальностью данной курсовой работы является важность расчета надежности, при котором могут быть использованы различные методы и средства, и достижение необходимой надежности. В курсовой работе рассмотрены методы расчета надежности технических систем, виды отказов, методы повышения надежности, а также причины, вызывающие отказы. [3]

    Объектом исследования в данной курсовой работе являются электрические схемы.

    Основной целью данной курсовой работы является разбор параметров заданной системы и требования, предъявляемые к ней, подбор нужных методов для расчета надежности системы, а так же обоснование этих методов.

    Для реализации поставленной цели необходимо решить ряд задач:

• Рассмотреть заданную систему, а так же параметры, описание и требования;
• Выбрать и обосновать методы расчетов;
• Заняться расчетной частью: непосредственно рассчитать надежность системы, построить дерево отказов и дерево событий;
• Найти методы повышения надежности для заданной системы.

    Данная курсовая работа будет состоять из следующих частей:

1)  Введение, в котором описывается цель и задачи работы

2) Теоретическая часть, в которой излагаются основные понятия, требования и методы расчета надежности.

3)  Практическая часть, где происходит расчет надежности заданной системы.

4)  Заключение, в котором содержатся выводы по данной работе

Степень значимости надежности различных технических систем в современном мире очень высока, поскольку современные технические объекты должны быть максимально надежны и безопасны.

 

 

 

1 Общая часть

1.1 Теория надежности

 

Надежность - это свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования. Надежность является сложным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения состоит из сочетания безопасности, ремонтопригодности.

Для абсолютного большинства круглогодично применяемых технических устройств при оценке их надежности наиболее важными являются три свойства: безотказность, долговечность и ремонтопригодность.

Безотказность -  свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки.

Долговечность - свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

Ремонтопригодность - свойство объекта, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонта.

Сохраняемость - свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способности объекта выполнять требуемые функции, в течение и после хранения и (или) транспортирования. [2]

Ресурс (технический) - наработка изделия до достижения им предельного состояния, согласованного в технической документации. Ресурс может выражаться в годах, часах, километрах, гектарах, числе включений. Различают ресурс: полный — за весь срок службы до конца эксплуатации; доремонтный — от начала эксплуатации до капитального ремонта восстанавливаемого изделия; использованный — от начала эксплуатации или от предыдущего капитального ремонта изделия до рассматриваемого момента времени; остаточный — от рассматриваемого момента времени до отказа невосстанавливаемого изделия или его капитального ремонта, межремонтный.

Наработка - продолжительность функционирования изделия или объем выполняемой им работы за некоторый промежуток времени. Измеряется в циклах, единицах времени, объема, длины пробега и т.п. Различают суточную наработку, месячную наработку, наработку до первого отказа.

Наработка на отказ - критерий надежности, являющийся статической величиной, среднее значение наработки ремонтируемого изделия между отказами. Если наработка измеряется в единицах времени, то под наработкой на отказ понимается среднее время безотказной работы.

Перечисленные свойства надежности (безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость) обладают своими количественные показатели.

Так безотказность характеризуется шестью показателями, в том числе таким важным, как вероятность безотказной работы. Этот показатель широко применяется в народном хозяйстве для оценки самых различных видов технических средств: электронной аппаратуры, летательных аппаратов, деталей, узлов и агрегатов, транспортных средств, нагревательных элементов. Расчет этих показателей проводят на основе государственных стандартов.

Отказ - одно из основных определений надежности, состоящее в нарушении работоспособности изделия (один или несколько параметров изделия выходят за допускаемые пределы).

Отказы классифицируются по следующим признакам:

1) по характеру проявления:

• Внезапные (характеризуются резким изменением одного или нескольких заданных параметров изделия);
• Постепенные (характеризуются постепенным изменением одного или нескольких заданных параметров машины);
• Перемежающиеся (возникают многократно и продолжаются короткое время).

2) отказы как случайные события могут быть:

• Независимыми (когда отказ какого-либо элемента не приводит к отказу других элементов);
• Зависимыми (появляются в результате отказа других элементов);

3) по наличию внешних признаков:

• Очевидные (явные);
• Скрытые (неявные);

4) отказы по объёму:

• Полные (при аварии);
• Частичные;

5) отказы по причинам возникновения:

• Конструктивные (возникают из-за недостаточной надежности, неудачной конструкции узла и т.п.);
• Технологические (возникают из-за применения некачественных материалов или нарушения технологических процессов при изготовлении);
• Эксплуатационные (возникают из-за нарушения режимов работы, изнашивания сопряженных деталей от трения).

     Все объекты делят на ремонтируемые (восстанавливаемые) и неремонтируемые (невосстанавливаемые) в зависимости от способа устранения отказа.

Интенсивность отказа - условная плотность вероятности возникновения отказа невосстанавливаемого объекта, определяется при условии, что до рассматриваемого момента времени отказ не возник.

Вероятность безотказной работы - возможность того, что в пределах заданной наработки отказ объекта не возникает.

Долговечность также характеризуется шестью показателями, представляющие различные виды ресурса и срока службы. С точки зрения безопасности наибольший интерес представляет гамма-процентный ресурс — наработка, в течение которой объект не достигнет предельного состояния с вероятностью g, выраженной в процентах

          Показателем качества объекта является его надежность. Следовательно, чем выше надежность, тем выше качество объекта. В процессе эксплуатации объект может находиться в одном из следующих технических состояний (рис.1.1):

         1) Исправное состояние – состояние объекта, в котором он соответствует всем требованиям нормативно-технической документации.

         2) Неисправное состояние – такое состояние объекта, при котором он не соответствует хотя бы одному из требований нормативно-технической документации.

         3) Работоспособное состояние – состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической документации.

         4) Неработоспособное состояние – состояние объекта, при котором значение хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять определенные функции, не соответствует требованиям нормативно-технической документации.

         5) Предельное состояние – состояние, при котором дальнейшая эксплуатация объекта недопустима или нецелесообразна, либо восстановление работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно.

 

1.2 Показатели для оценки безотказности

Чтобы оценить безотказность применяют такие показатели как:

1) Вероятность безотказной работы – вероятность того, что в пределах заданной наработки не возникает отказ объекта. Вероятность безотказной работы изменяется от 0 до 1 и рассчитывается по формуле:

,                                                (1)

где  – число работоспособных объектов в начальный момент времени, а – число объектов, отказавших на момент t от начала испытаний или эксплуатации.

2) Средняя наработка до отказа (или среднее время безотказной работы) и средняя наработка на отказ. Средняя наработка на отказ - математическое ожидание наработки объекта до первого отказа:

,                                           (2)

где  – наработка до отказа -го объекта, а  – число объектов.

3) Плотность вероятности отказа (или частота отказов) – отношение числа отказавших изделий в единицу времени к первоначальному числу, находящихся под наблюдением:

   ,                                                        (3)

где  - число отказов в рассматриваемом интервале наработки;

 − общее число изделий, находящихся под наблюдением;

 − величина рассматриваемого интервала наработки.

4) Интенсивность отказов – условная плотность вероятности возникновения отказа объекта, определяемая при условии, что до рассматриваемого момента времени отказ не возник:

                                                 (4)

где  – частота отказов;

 – вероятность безотказной работы;

 – число отказавших изделий за время от  до ;

 – расматриваемый интервал наработки;

 – среднее число безотказно работающих изделий, которое определяется по следующей формуле:

                                                 (5)

где  − число безотказно работающих изделий в начале рассматриваемого интервала наработки;

 − число безотказно работающих изделий в конце интервала наработки.

 

1.3 Показатели для оценки ремонтопригодности

Чтобы оценить ремонтопригодность применяют такие показатели как:

1) Среднее время восстановления – математическое ожидание времени восстановления объекта, которое определяется по формуле:

                                                            (6)

где  – время восстановления -го отказа объекта;

   – число отказов за заданный срок испытаний или эксплуатации.

2) Вероятность восстановления работоспособного состояния - вероятность того, что время восстановления работоспособного состояния объекта не превысит заданное значение. Для большего количества объектов машиностроения вероятность восстановления определяется по экспоненциальному закону распределения:

                                                       (7)

где  – интенсивность отказов (величина постоянная). [1]

 

1.4 Показатели для оценки долговечности

        Свойство долговечности может реализовываться как в течение некоторой наработки (тогда говорят о ресурсе), так и в течение календарного времени( тогда говорят о сроке службы). Некоторые основные показатели ресурса и срока службы:

1) Средний ресурс – математическое ожидание ресурса.

2) Гамма-процентный ресурс – суммарная наработка, в течение которой объект не достигнет предельного состояния с заданной вероятностью .

3) Средний срок службы – математическое ожидание срока службы.

4) Гамма-процентный срок службы – календарная продолжительность эксплуатации, в течение которой объект не достигает предельного состояния с вероятностью .

5) Назначенный ресурс – суммарная наработка, при достижении которой эксплуатация объекта должна быть прекращена не зависимо от его технического состояния.

6) Неназначенный срок службы – календарная продолжительность эксплуатации, при достижении которой эксплуатация объекта должна быть прекращена независимо от его технического состояния.

 

1.5 Показатели для оценки сохраняемости

        С позиции теории надежности естественно предположить, что объект ставится на хранение или начинает транспортироваться в исправном состоянии.

        Свойство сохраняемости также реализуется в течение некоторого времени, которое называется сроком сохраняемости.

         1) Срок сохраняемости — календарная продолжительность хранения и/или транспортирования объекта, в течение которой сохраняются в заданных пределах значения параметров, характеризующих способность объекта выполнять заданные функции.

2) Средний срок сохраняемости – математическое ожидание срока сохраняемости объекта.

3) Гамма-процентный срок сохраняемости – календарная продолжительность хранения и/или транспортирования объекта, в продолжении которой показатели безотказности, ремонтопригодности и долговечности объекта не выйдут за установленные пределы с вероятностью .

 

2. Выбор и обоснование методов расчета

2.1 Расчет надежности.

         Изучение надежности технических систем совершается на основе методов с данными об отказах и восстановлениях, полученных в результате использования систем и их элементов. В ходе работы обычно используются аналитические методы расчета надежности. Чаще всего, это логико – вероятностные методы, а так же методы, основанные на теории случайных процессов.

         Время восстановления элементов систем обычно намного меньше времени между отказами. Этот факт позволяет использовать для расчета надежности асимптотические методы.  Но исследование надежности с помощью этих методов является сложной задачей, так как формулы для описания надежности удается получить не всегда, и они сложны для практического использования.

         Тем не менее, для анализа и расчета надежности систем применяются и другие методы. Это логико – вероятностные, графовые, эвристические, аналитико – статические и машинного моделирования. 

         В основе логико – вероятностных методов лежит непосредственное применение теорем и теорий вероятностей для анализа и расчета надежности технических систем.

         Графовый метод является более общим для описания технической системы. Он учитывает влияние любых факторов, воздействующих на систему. Но недостатком этого метода является сложность ввода данных и определение характеристик надежности.

         Суть эвристического метода оценки и расчета надежности заключается в объединении групп элементов системы в один общий элемент. Таким образом, происходит уменьшение числа элементов в системе. Этот метод применяется лишь для высоконадежных элементов без погрешности вычислений.

         Методы машинного моделирования являются универсальными и допускают рассмотрение систем с большим количеством элементов. Но использование этого метода в качестве исследования надежности целесообразно лишь тогда, когда невозможно получить аналитическое решение.
         При анализе систем с высокой надежностью возникают проблемы, связанные с большими затратами машинного времени. Для увеличения скорости расчетов применяют аналитико – статический метод. Но такой метод не позволяет в полном объеме определять надежность системы, если учесть большое количество факторов, влияющих на её правильное функционирование.

         В основе расчета заданной системы лежит метод экспоненциального распределения.

         Выбран именно метод экспоненциального распределения, потому что он определяется одним параметром λ. Эта особенность экспоненциального распределения указывает на его преимущество по сравнению с распределениями, зависящими от большего числа параметров. Обычно параметры неизвестны и приходится находить приближенные значения. Проще оценить один параметр, чем два или три и т. д.

3 Расчетная часть

3.1 Расчет надежности системы

 

1. Задача 1:

Структурная схема задачи 1:

 

Рис. 1 – Структурная схема задачи 1

 

Интенсивность отказов:

              

Средняя наработка до отказа:

 

Вероятность безотказной работы:

 

ВБР системы при последовательном соединении элементов:

1

2

         

ВБР системы при параллельном соединении элементов:

1

2

       

Расчет надежности электрической цепи:

 

 

       

2. Задача 2:

Структурная схема задачи 2:

Рис. 2 – Структурная схема задачи

 

Таблица 1 – Интенсивность отказов и средняя наработка до отказа :

 

№	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
λi, x10-6 1/ч	0,05	0,01	0,06	0,1	0,6	0,6	0,6	0,6	0,1	1	1	1	1	0,8
Т, г	3	5	12	10	5	5	6	2	13	10	12	11	10	4

 

№	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24	25	26	27	28
λi, x10-6 1/ч	0,03	0,02	0,1	0,1	0,6	0,5	0,7	0,7	0,2	2	2	1	2	0,09
Т, г	4	3	10	11	6	2	3	7	13	10	13	10	11	16

 

Формула для расчета вероятности безотказной работы отдельного элемента:

 

Вероятность безотказной работы каждого элемента цепи:

 

 

 

 

Расчет надежности электрической цепи:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2 Дерево событий

Рис. 3 – Дерево событий

 

3.3 Дерево отказов

 

  

        Рис. 4 – Дерево отказов

4 Надежность системы

4.1 Пути повышения надежности системы

Среди методов повышения надежности оборудования можно выделить основные:
•    уменьшение интенсивности отказов элементов системы;
•    резервирование;
•    сокращение времени непрерывной работы;
•    уменьшение времени восстановления;
•    выбор рациональной периодичности и объема контроля систем.
Указанные методы используются при проектировании, изготовлении и в процессе эксплуатации оборудования.
         Как уже было сказано, надежность систем закладывается при проектировании, конструировании и изготовлении. Именно от работы проектировщика и конструктора зависит, как будет работать оборудование в тех или иных условиях эксплуатации. Организация процесса эксплуатации также влияет на надежность объекта. При эксплуатации обслуживающий персонал может существенным образом изменить надежность систем как в сторону понижения, так и в сторону повышения.
         К конструктивным способам повышения надежности относятся:
-    применение высоконадежных элементов и оптимизация режимов их работы;
-    обеспечение ремонтопригодности;
-    создание оптимальных условий для работы обслуживающего персонала и т. п.;
-    рациональный выбор совокупности контролируемых параметров;
-    рациональный выбор допусков на изменение основных параметров элементов и систем;
-    защита элементов от вибраций и ударов;
-    унификация элементов и систем;
-    разработка эксплуатационной документации с учетом опыта применения подобного оборудования;
-    обеспечение эксплуатационной технологичности конструкции;
-    применение встроенных контрольных устройств, автоматизация контроля и индикация неисправностей;
-    удобство подходов для обслуживания и ремонта.
         При производстве оборудования используют такие способы повышения надежности, как:
-    совершенствование технологии и организации производства, его автоматизация;
-    применение инструментальных методов контроля качества продукции при статистически обоснованных выборках;
-    тренировка элементов и систем.
         Названные способы повышения надежности должны применяться с учетом влияния каждого из них на работоспособность системы.
         Для повышения надежности систем в процессе их эксплуатации используются методы, основанные на изучении опыта эксплуатации. Большое значение для повышения надежности также имеет квалификация обслуживающего персонала.

Состояние системы определяется состоянием её элементов и зависит от её структуры. Для повышения надежности систем и элементов применяют резервирование: Резервирование – способ обеспечения надежности объекта за счет использования дополнительных средств и (или) возможностей, избыточных по отношению к минимально необходимым для выполнения требуемых функций. Резерв – совокупность дополнительных средств и (или) возможностей, используемых для резервирования.

         Существуют три способа включения резерва:

• постоянное – при котором элементы функционируют наравне с основными;
• резервирование замещением – при котором резервный элемент вводиться в состав системы после отказа основного, такое резервирование называется активным и оно требует использования коммутирующих устройств;
• скользящее резервирование – резервирование замещением, при котором группа основных элементов системы резервируется одним или несколькими резервными элементами, каждый их которых может заменить любой отказавший основной элемент в данной группе.

 

4.2 Построение схемы с повышенной надежность

 

Структурная схема, которая нам дана :

Рис. 5 – Структурная схема

 

Элементы 1 и 18 являются наиболее не надежными, поскольку при выходе из  строя одного из них произойдет отказ всей системы.

Структурная схема повышенной надежности с применением резервирования замещением:

Рис. 6 – Структурная схема с повышенной надежностью

 

5 Вывод

           Резервирование замещением является более удобным видом повышения надёжности системы.

           Его преимущества:

1. Значительное увеличение вероятности безотказной работы системы
2. Малое количество резервных элементов
3. Повышение ремонтопригодности (т.к. точно известно какой элемент отказал).

          Недостатки этого вида резервирования заключаются в том, что:

1. В случае обнаружения ошибки необходимо прервать работу основного программного обеспечения для обнаружения неисправного элемента и исключения его из работы
2. Усложняется программное обеспечение, в связи с тем что требуется специальная программа обнаружения неисправных элементов
3. Система не может обнаружить ошибку при отказе одновременно основного и резервного элементов.

 

 

6 Заключение

   В данной курсовой работе был проведен расчет вероятности безотказной работы сложной системы. На основе структурной схемы был построены дерево отказов и дерево событий. Также были рассмотрены методы повышения надежности и на основе резервирования была построена структурная схема с повышенной надежностью, проведен анализ достоинств и недостатков выбранного метода повышения надежности.

 

 

 

Список использованной литературы

1. Половко, А.М. Основы теории надежности / А.М. Половко, С.В. Гуров – СПб.: БХВ – Петербург, 2006.-С.
2. Надежность технических систем: справочник/Ю.К. Биляев; В.А. Богатырев
3. Надежность технических систем [Электронный ресурс]: электронное учебное пособие. – Режим доступа: http://www.kmtt43.ru/pages/technical/files/pedsostav/krs/Nadejnost'%20tehnicheskih%20sistem.pdf (Дата обращения 13.02.2017г.)
4. ГОСТ 27.301 – 95 Надежность в технике. Расчет надежности. Основные положения
5. Основные понятия теории надежности [Электронный ресурс]: электронное учебное пособие. – Режим доступа: http://www.obzh.ru /nad/4-1.html (Дата обращения 13.02.2017г.)
6. ГОСТ Р 27.002-2009 Надежность в технике. Термины и определения.

 Скачать: kursovoe-proektirovanie-toon.zip