Повышение надежности на стадии проектирования

На стадии проектирования ЭЭС и ее отдельных элементов основ­ным условием повышения надежности является полный учет особен­ностей и условий эксплуатации, в том числе режимов использования и режимов работы, климатических и механических нагрузок. Имен­но в этот период закладывается желаемый уровень надежности.

Методы повышения надежности, используемые на стадии про­ектирования, называют схемно-конструкторскими. Повышение надежности этими методами достигается, как правило, введени­ем тем или иным путем избыточности при разработке схем и кон­струкций. При учете электромагнитных связей элементов повы­шение надежности может быть достигнуто благодаря рациональ­ному размещению элементов ЭЭС с учетом их индивидуальных надежностных характеристик и характеристик взаимосвязи.

Наиболее широко распространенным способом повышения на­дежности является резервирование. Однако при выборе схем все­гда следует учитывать, что резервирование и введение перемычек в схеме связано с увеличением массы, габаритов, объема и стоимо­сти системы. Поэтому основная задача на этапе проектирования — принять обоснованные решения, касающиеся выбора оптимальной структуры системы. Перед создателями технических устройств и систем всегда стоит альтернатива: при заданных характеристиках надежности создать систему с минимальной стоимостью или при заданной стоимости системы добиться лучших показателей надеж­ности. Под стоимостью может пониматься собственно стоимость системы либо ее масса, габариты или какой-то показатель.

Особенно часто резервирование, как средство повышения надеж­ности, используется при проектировании отдельных устройств, бло­ков, аппаратов pi приборов ЭЭС.

В зависимости от того, какая часть системы при отказе отклю­чается и заменяется резервной, различают поэлементное, группо­вое и общее резервирование. Число запасных изделий, резерви­рующих основное изделие, определяет кратность резервирования. Если группа, состоящая из п элементов, предназначена для резер­вирования m однотипных элементов ЭЭС и каждый из резервных элементов может занять место любого рабочего (в случае отказа последнего), то такое развертывание называют резервированием с дробной кратностью п / т.

Выигрыш, получаемый в результате резервирования, опреде­ляется относительным улучшением показателей надежности ре­зервированных изделий по сравнению с показателями надежно­сти нерезервированных изделий. В частности, увеличение надеж­ности по таким показателям, как вероятность безотказной работы, вероятность отказа, среднее время безотказной работы, определя­ется величинами:

(18.1)

где — соответственно, вероятность безотказной работы, вероятность отказа и среднее время безотказной работы ре­зервированного изделия с кратностью п (этими же символами без индекса п обозначены показатели надежности основного изделия).

Получаемый при резервировании выигрыш увеличивается в случае дробления резерва, т. е. при введении резервирования в меньшем масштабе. Поэтому, казалось бы, самым выгодным яв­ляется поэлементное резервирование. Однако увеличение объема вспомогательного оборудования при уменьшении масштаба резер­вирования приводит к тому, что оно часто не обеспечивает макси­мального выигрыша надежности.

Уровень, на котором наиболее выгодно остановиться при умень­шении масштаба резервирования, можно найти путем решения задач программирования. При определении показателей надеж­ности резервированного оборудования можно рассмотреть группу элементов, состоящую из основного (рабочего) и резервного эле­ментов, как один сложный элемент с повышенной надежностью (таким «элементом» может быть устройство, узел, блок, модуль и даже вся ЭЭС). Степень улучшения показателей надежности такого составного элемента зависит прежде всего от способа функциони­рования резерва. Существуют три способа: 1) нагруженный резерв; 2) ненагруженный резерв; 3) облегченный резерв.

В условиях нагруженного резерва запасные элементы содержат­ся в том же рабочем режиме, что и основной элемент, и несут пол­ную нагрузку независимо от того, выполняют ли они функции от­казавшего основного элемента или находятся в режиме ожидания. Такое резервирование позволяет избежать применения вспомога­тельной аппаратуры, а поэтому обычно используется при элемент­ном резервировании. Кроме того, переход на резервные элементы происходит без перерывов в работе аппаратуры. Недостатком этого способа является существенный износ резервных элементов.

В условиях ненагруженного резерва запасные элементы находят­ся в отключенном состоянии и до момента включения сохраняют не­изменными свои параметры. Очередной резервный элемент включа­ется в работу, замещая рабочий элемент, при выходе последнего из строя. Преимущества этого способа состоят в возможности примене­ния однотипных изделий в качестве основного и резервных, а также в меньшем износе оборудования. Однако в условиях ненагруженного резерва неизбежны перерывы в работе устройства при переходе на резервные элементы; кроме того, требуются вспомогательные устрой­ства сигнализации отказов и переключатели, что естественно снижа­ет надежность резервированной системы. Ненагруженный резерв фактически является некоторой идеализацией реальности, посколь­ку при хранении всегда возможен отказ оборудования.

В условиях облегченного резерва запасные элементы в период ожидания несут частичную нагрузку, а вероятность их отказа меньше, чем вероятность отказа основного элемента.

Облегченный резерв с дробной кратностью иногда называют скользящим резервом.

Совершенно особым случаем резервирования отдельных эле­ментов или изделий является использование ЗИП. По мере услож­нения ЭЭС и их подсистем (например, систем автоматики) расши­ряется номенклатура ЗИП, увеличиваются вес и габариты его ком­плектов, затрудняется обеспечение необходимым количеством запасных деталей. Специфика проектирования ЭА состоит в необ­ходимости создания устройств, обладающих сравнительно неболь­шими массой, габаритами, стоимостью. С учетом этих же требова­ний должны быть скомплектованы ЗИП. Методики расчета повы­шения надежности за счет резервирования отдельных элементов ЭЭС и за счет ЗИП подробно обсуждены в [15, 33].

В связи с тем что значительная часть отказов ЭА (особенно на­ходящихся на открытых площадках) возникает под воздействием климатических факторов, одним из основных направлений повы шения надежности следует считать сокращение количества элемен­тов, располагаемых на открытых площадках. Весьма целесообраз­но конструктивное объединение ряда элементов (например, конце­вых выключателей) в укрупненные узлы и блоки и размещение ос­новных элементов в закрытых отапливаемых помещениях.

При планировании заводских испытаний комплектующих из­делий на надежность целесообразно предусматривать режимы с совместным воздействием климатических условий и механиче­ских нагрузок, при которых наиболее быстро обнаруживаются слабые места изделий. Техническое состояние ЭА и время восста­новления после отказа зависят от ремонтопригодности изделий и от удобства выполнения ремонтных и профилактических работ. Известно, что из общего времени ремонта примерно 70% состав­ляет время отыскания и локализации неисправности. Поэтому при разработке конструкции и компоновке элементов необходимо обес­печить возможность легкого доступа к месту повреждения, нали­чие средств для определения места и причины отказа, возможность и удобство регулировок отдельных характеристик (параметров) изделия, изменяющихся в процессе эксплуатации (нажатия пру­жин и контактов, сопротивления, емкости и т. д.).

При компоновке и размещении ЭА следует соблюдать требова­ния доступности деталей и узлов для разборки, чистки, замены и регулировки, крепления ЭА (с помощью каркасов, кронштейнов, скоб и т. д.), полностью исключить возникновение местных виб­раций при любых условиях работы.

18.3.