Типовые элементы и устройства систем автоматическогоуправления (стр. 28 )

где n(Дt) – число изделий, отказавших в интервале времени от t – Дt/2 до t + Дt/2; N = (Ni+Ni+1)/2 – среднее число изделий, исправно работающих в интервале Дt; Ni, Ni+1 - число исправно работающих изделий соответственно в начале и конце интервала Дt.

Рисунок 10.1 – Типичная зависимость интенсивности отказов аппаратуры во времени

Типичная кривая изменения интенсивности отказов во времени представлена на рисунке 10.1. На участке 0 – t1 (участок приработки) из-за скрытых дефектов интенсивность отказов высока, но с течением времени уменьшается. Для систем управления длительность участка составляет десятки, а иногда сотни часов. Уменьшить его можно за счет предварительной отбраковки и обкатки элементов и блоков.

Участок t1 – t2 (участок нормальной эксплуатации) характеризуется примерным постоянством интенсивности отказов. Длительность участка – тысячи и десятки тысяч часов.

На участке t1 > t2 в результате износа и старения интенсивность отказов начинает возрастать. При достижении времени t2 дальнейшая эксплуатация системы нецелесообразна.

При постоянной интенсивности отказов л(t) = л вероятность безотказной работы Р(t) = е-лt.

Средняя наработка до отказа (среднее время безотказной работы) при постоянной интенсивности отказов Tср = 1/л.

Количественные показатели надежности используются при формировании требований к надежности проектируемых изделий, сравнении изделий по уровню надежности, определении объема запасных частей, расчете сроков службы изделий и т. д.

10.2 Методы расчета на надежность

10.2.1 Общие сведения

Расчет надежности предназначен для определения количественных показателей надежности. Обычно определяют вероятность безотказной работы устройства.

Рассмотрим методы расчета надежности, применяемые на стадии проектирования устройств, при внезапных отказах, отсутствие резервирования, предположении равнонадежности всех однотипных элементов и постоянное интенсивности отказов элементов.

Надежная работа систем управления зависит от электрических режимов работы элементов, механических нагрузок и окружающей среды.

Перегрузка элементов током или напряжением приводит соответственно к перегреву или пробою электрической изоляции. Повышенные механические нагрузки (вибрации, удары и т. п.) вызывают повреждения элементов, ослабление монтажных соединений, обрывы, нарушения регулировок и т. д.

Повышенная влажность способствует снижению сопротивления изоляции, что может вызвать пробои и замыкания цепей. Влага вызывает коррозию рабочих поверхностей контактов и ухудшает их работу. При отрицательных температурах меняются свойства многих изоляционных материалов, происходят трещины и разрывы. Действие повышенной температуры окружающей среды эквивалентно увеличению электрической нагрузки.

Влияние электрических нагрузок и температуры окружающей среды на интенсивность отказов элементов оценивается с помощью соответствующих графиков, рисунок 10.2, 10.3.

Рисунок 10.2 – Зависимость интенсивности отказов конденсаторов от температуры окружающей среды и коэффициента нагрузки

Под коэффициентом нагрузки Кн понимают отношение рабочего значения нагрузки Uр к номинальному значению Uном. Для конденсаторов определяющим параметром нагрузки является рабочее напряжение, для резисторов – мощность рассеяния, для электрических двигателей – рабочая мощность. Учет влияния окружающей среды на интенсивность отказов осуществляется с помощью коэффициента k = л'/лтабл, где лтабл – табличное значение интенсивности отказов. Для лабораторных условий k = 1, для производственных помещений k = 2,5, для открытых площадок k = 10.

Рисунок 10.3 - Зависимость интенсивности отказов углеродистых резисторовот температуры окружающей среды и коэффициента нагрузки

Исходные данные для проведения расчетов надежности получают из принципиальной электрической схемы устройства, с помощью которой определяют типы применяемых элементов и количество элементов каждого типа.

10.2.2 Методы расчета по среднегрупповым значениям интенсивностей отказов

Надежность рассчитывается следующим образом:

по принципиальной схеме системы управления (устройства) определяют тип применяемых элементов (резисторы, конденсаторы, реле, двигатели, транзисторы, диоды и т. д.), а также виды соединений (пайки, штепсельные разъемы и т. п.); определяют количество элементов каждого типа и количество соединений; по справочникам устанавливают интенсивность отказов элементов и соединений (как правило, в справочниках указаны максимальные и минимальные значения интенсивностей отказов); учитывают влияние электрических нагрузок и окружающей среды; определяют вероятность P(t) и среднее время Тср безотказной работы.

Пример. Определить вероятность P(t) и среднее время Тср безотказной работы устройства, применяемого в производственном помещении, без учета влияния электрических нагрузок и температуры окружающей среды.

По принципиальной схеме определяем типы применяемых элементов (r – число типов элементов) и количество элементов каждого типа (Ni). Исходные данные результаты расчета целесообразно оформить в виде таблицы.

Таблица 10.1 – Расчет надежности

Элемент	N1	лi,,10-4 ч-1	Niлi,10-4 ч-1
лi min	лi max	Niлi min	Niлi max
Транзистор	10	0,4	0,5	4	5
Резистор	40	0,02	0,04	0,8	1,6
Конденсатор	40	0,02	0,04	0,8	1,6
Интегральная схема	10	0,1	1	1	10
Пайка	300	0,001	-	0,3	-

Для производственных помещений k = 2,5

Интенсивность отказов с учетом категорий помещений:

Среднее время безотказной работы:

Время безотказной работы рассчитывается по следующим формулам:

;

,

где t – необходимое время эксплуатации устройства.

10.2./ Коэффициентный метод расчета надежности

При коэффициентном методе расчета надежности не абсолютные значения лi интенсивностей отказов элементов, а их коэффициенты надежности Ki, определяемые по соотношению

где лб – интенсивность отказов базового элемента. За базовый принимается элемент, количественные характеристики надежности которого известны достоверно. Обычно в качестве базового элемента выбираются резисторы, конденсаторы.

Так как предполагается, что интенсивности отказов элементов всех типов меняются при изменении условий эксплуатации в одинаковой степени, то значение коэффициента надежности практически одно и то же в различных эксплуатационных условиях. Режимы работы и условия окружающей среды учитываются поправочными коэффициентами, как и в предыдущем методе.

Так как предполагается, что интенсивности отказов элементов всех типов меняются при изменении условий эксплуатации в одинаковой степени, то значение коэффициента надежности практически одно и то же в различных эксплуатационных условиях. Режимы работы и условия окружающей среды учитываются поправочными коэффициентами, как и в предыдущем методе.

Показатели надежности рассчитываются следующим образом:

В таблице 10.2 приведены значения коэффициентов надежности отдельных элементов.

Таблица 10.2 – Значения коэффициентов надежности

Элемент	Ki min	Ki max
Полупроводниковый триод	2,5	4,0
Полупроводниковый диод	1	2,5
Реле	3,3	5,5
Электродвигатель	17	22
Разъем	10,7	15,3

Коэффициентный метод расчета надежности прост и не требует знания значений интенсивностей отказов элементов, входящих в систему. Достаточно иметь сведения о коэффициентах надежности элементов и знать значение интенсивности отказов только одного базового элемента. Рассмотрим случаи, когда это обстоятельство является определяющим.

Как правило, в каждом литературном источнике представлены интенсивности отказов не всех элементов, входящих в сложную систему. Поэтому приходится использовать различные источники. Анализ показывает, что интенсивности отказов одних и тех же элементов в разных источниках могут различаться на один-два порядка. Это объясняется тем, что авторы приводят значения интенсивностей отказов элементов для различных режимов и условий эксплуатации, которые существенно влияют на лi. Применение коэффициентов надежности устраняет данный недостаток. Проверка показала, что значения коэффициентов надежности элементов, приведенные в различных источниках, практически одни и те же, если в качестве лб в каждом случае использовать интенсивность отказов базового элемента, указанную в том же источнике.

Наиболее целесообразно применение этого метода при сравнении надежности различных систем. Сравнение производится чаще по среднему времени безотказной работы:

где индексы «1» и «2» обозначают номера сравниваемых систем.

Из последнего выражения видно, что для сравнения систем по надежности необходимо знать элементный состав систем и коэффициенты надежности элементов. При этом не нужно количественные характеристики надежности элементов, в том числе базового.

10.3 Обеспечение надежности введением внутриэлементной и структурной избыточности

Повысить надежность системы можно применением внутриэлесентной и структурной избыточности. Используются следующие способы введения внутриэлементной избыточности: снижение коэффициентов электрических нагрузок; применение элементов с более высокими показателями надежности) облегчение условий работы элементов.

Снижение коэффициента электрической нагрузки может быть догтигнуто заменой данного элемента функционально подобным, но с бульшей номинальной мощностью).

Облегчение условий работы элементов в местах их установки достигается за счет лучшей компоновки элементов в блоках, создания лучших условий для отвода теплоты с помощью вентиляционных отверстий, принудительного охлаждения и т. д.

Структурная избыточность – это резервирование с применением дополнительных элементов структуры системы. Резервирование позволяет создавать надежные системы (устройства) из недостаточно надежных элементов. Но при этом усложняется схема, увеличиваются масса, габариты, стоимость устройства, время отыскания повреждения, затрудняется эксплуатационное обслуживание. Поэтому к резервированию прибегают, когда не удается обеспечить требуемую надежность другими методами.

Контрольные вопросы:

Что такое надежность, работоспособность, безотказность, долговечность, отказ? Какие бывают отказы? Поясните количественные характеристики надежности. Как интенсивность отказов зависит от времени? Как влияют на надежность электрические режимы работы элементов и окружающая среда? Как это влияние учитывается при расчете надежности? каковы особенности метода расчета по среднегрупповым значениям интенсивностей отказов и коэффициентов метода расчетов? Перечислите методы повышения надежности систем. Каковы достоинства и недостатки резервирования?

Библиографический список

, Горлов электроники /Серия «Учебники, учебные пособия». – Ростов н/Д: Феникс, 2003. – 416 с. Брюханов производства: Учеб. для сред. проф. учеб. заведений /, , ; Под ред. . – М.: Высш. Шк., 2005. – 367 с.: ил. Гинзбург регулирование и регуляторы в промышленности строительных материалов: Учебник для техникумов. Изд. 3-е, перераб. И доп. – Л.: Строиздат. Ленингр. отд-ние, 1985, 256 с., ил. Дайнеко сельскохозяйственных предприятий: учеб. пособие /, . – Минск: Новое знание, 2008. _ 320 с. : ил. – (Техническое преобразование). Кацман машины автоматических устройств: учебное пособие для электротехнических специальностей техникумов. – М.: ФОРУМ, ИНФРА-М, 2002. – 264 с. – (Серия «Профессиональное образование»). Кацман привод: Учебник для студ. образоват. учреждений сред. Проф. Образования /Марк Михайлович Кацман. – М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 384 с. Келим элементы автоматического управления. Учебное пособие для студентов учреждений среднего профессионального образования. – М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2002. – 384 с.: ил. – (Серия «Профессиональное образование»). Келим и магнитные элементы систем автоматики: Учеб. Пособие для средн. проф. учеб. заведений /. – 2-е изд., исправл. и доп. – М.: Высш. шк., 2004. – 352 с.: ил. Москаленко привод: Учеб. Пособие для студ. учреждений сред. Проф. Образования – М.: Мастерство; Высшая школа, 2001. – 368 с. Тихонов и системы электроавтоматики в пищевой промышленности. – М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1984 – 264 с. Системы автоматизированного управления электроприводами: Учеб. пособие./, , ; Под общ. ред. . – Мн.: Новое знание, 2004. – 384 с.: ил. Шишмарев : Учебник для сред. Проф. образования /Владимир Юрьевич Шишмарев. – М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 288 с. Шишмарев элементы систем автоматического управления: Учебник для сред проф. Образования /Владимир Юрьевич Шишмарев. – М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 304 с.