Основные понятия и количественные покозатели

ОТ АВТОРА

Во 2-й половине XX в. появились мощные электро­энергетические системы (ЭЭС) с аппаратами управле­ния высокой конструктивной сложности, способные выполнять сложные задачи. В процессе функциони­рования систем стало расти число отказов составляю­щего их оборудования. Не вызывает сомнений, что качество, эффективность, безопасность, живучесть, управляемость, устойчивость системы в целом воз­можны только при стабильной работе образующих ее элементов. Каждое из приведенных свойств имеет смысл при наличии изначального свойства любого оборудования — надежности. Поэтому столь естест­венно появление в 1950-х гг. новой дисциплины — теории надежности как науки о закономерностях от­казов различных систем: сначала технических, а за­тем и биологических, экономических и др.

Имеющаяся в настоящее время литература по на­дежности, которая может быть рекомендована сту­дентам, к сожалению, либо содержит общие вопро­сы теории и практики надежности, либо вопросы отраслевого характера (авиационные, радиотехниче­ские, энергетические, автоматизированные, автома­тические и другие системы), либо отдельные вопросы надежности. Предлагаемое учебное пособие предна­значено для ликвидации этого пробела и для освеще­ния достаточно узкой области теории надежности — надежности электрических аппаратов, используемых в современных ЭЭС.

 

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИИ ДИСЦИПЛИНЫ

«НАДЁЖНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ»

Цель курса: обучение основам теории надежности электрических аппаратов на всех этапах их проек­тирования, изготовления, монтажа, наладки и экс­плуатации.

В результате изучения учебной дисциплины сту­денты должны знать:

■ основные понятия теории надежности;

■ математические методы, используемые в теории надежности;

■ методы выбора и обоснования количественных показателей надежности;

■ научные основы и практические методы исполь­зования теории надежности при проектирова­нии, изготовлении и эксплуатации элементов электрических аппаратов;

■ методы расчета электрических аппаратов на на­дежность;

■ этапы расчета надежности при решении практи­ческих вопросов исследования электрических ап­паратов;

■ характеристики надежности при расчете пока­зателей эффективности и экономичности элек­трических аппаратов;

■ методы испытаний элементов электрических ап­паратов на надежность;

■ причины появления теории надежности;

■ этапы становления теории надежности;

■ существующие и перспективные методы повышения надежно­сти электрических аппаратов.

Первый раздел учебника «Математические методы в теории надежности» предназначен для ознакомления с общими пробле­мами теории надежности, основными понятиями и количествен­ными показателями надежности исследуемых объектов. Надеж­ность объектов рассматривается как сложное свойство, состоящее из свойств безотказности, ремонтопригодности, долговечности и сохраняемости. Дается подробное абстрактное описание процесса функционирования объектов и классификация их отказов. Так­же рассматриваются элементы общей теории множеств и эле­менты математической логики, способствующие изложению дальнейшего теоретического материала по теории надежности. Приводятся статистические методы оценки в теории надежно­сти; излагаются стохастические закономерности, используемые в теории надежности, аналитические зависимости между пока­зателями надежности. Анализируются законы распределения дискретных непрерывных случайных величин, наиболее часто применяющихся в теории надежности. Особое внимание обраще­но на раскрытие сущности марковских случайных процессов, аде­кватно описывающих надежность изделий как объектов иссле­дования.

Материалы второго раздела «Расчет надежности электриче­ских аппаратов» с достаточной степенью общности позволяют по­нять суть расчетов электрических аппаратов на надежность.

Третий раздел учебного пособия «Надежность электрических аппаратов при эксплуатации» посвящен основам инженерной ме­тодики планирования, проведения и обработки результатов мно­гофакторных испытаний электрических аппаратов на надеж­ность, а также методам повышения надежности электрических аппаратов.

В четвертом разделе учебного пособия «Техническая диагно­стика электрических аппаратов» даны методологические осно­вы технического диагностирования, математические модели дис­кретных систем и систем диагностирования при случайных воз­действиях; рассмотрены проектирование и оптимизация устройств диагностирования; рационализация структуры сложных систем диагностирования. Приведены сведения о направлениях дальней­шего развития теории и практики надежности электрических ап­паратов. Показана связь теории и практики надежности с вопро­сами диагностики, контроля, идентификации отказов, дефектов и повреждений объектов. Подчеркнуто исключительное влияние оценки надежности на повышение характеристик безотказности, живучести и экономической эффективности современных элек­трических аппаратов.

В библиографическом списке указаны основные и дополни­тельные литературные источники. Каждая глава учебника допол­нена задачами и контрольными вопросами.

Учебное пособие также содержит приложения: глоссарий на­дежности, таблицы часто встречающихся функций и критериев при расчете надежности. Авторы приносят глубокую благодар­ность доктору технических наук, академику РАЕН, профессору И. А. Рябинину; доктору технических наук, заслуженному деяте­лю науки РФ, профессору Ю. П. Коськину; доктору технических наук, профессору В. В. Титкову, доктору технических наук, про­фессору В. Л. Беляеву за внимательное прочтение рукописи, доб­рожелательную критику и ряд полезных замечаний, способствую­щих ее улучшению.

 

 

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АС – атомная станция

АСННИ – автоматизированная система научных исследований

АСОИУ – автоматизированная система обработки информации и управления

АСУ – автоматизированная система управления

АСУТП – автоматизированная система управления технологическими процессами

БДНФ – бесповторная дизъюнктивная нормальная форма

БФАЛ – бесповторная функция алгебры логики

ВБР – вероятность безотказной работы

ВПО – выходной параметр объекта

ВПЭ – выходной параметр элемента

ДНФ – дизъюнктивная нормальная форма

ЗИП – запасные части, инструмент, принадлежности

КЗ – короткое замыкание

КНФ – конъюнктивная нормальная форма

МО – математическое ожидание

МФИН – многофактурные испытания на надёжность

ННС – модель «нагрузка – несущая способность»

ОДНФ – ортогональная дизъюнктивная нормальная форма

ОД – объект диагностирования

ОУ – объект управления

ППД – модель «параметр – после допуска»

ППР – планово - предупредительный ремонт

ППЭ – прочностной параметр элемента

ПТС – параметр технического состояния

ПФ – прогнозирующая функция

ПФЭ – полный факторный эксперимент

РМОТ – рабочее место оператора – технолога

САР – система автоматического реагирования

САУ – система автоматического управления

СКНФ – совершенная конъюнктивная нормальная форма

СКО – среднее квадратическое отклонение

СОИ – система отображения информации

СДНФ – совершенная дизъюнктивная нормальная форма

СС – сложная система

СУ – система управления

СЧМ – система «человек – машина»

ТО – техническое обслуживание

ТУ – технические условия

ФАЛ – функция алгебры логики

ФПО – функциональный параметр объекта

ЦТП – центральная предельная теорема

ЧМИ – человек – машинный интерфейс

ЭА – электрический аппарат

ЭВМ – электронная вычислительная машина

ЭЭС – электроэнергетическая система

ЯЭУ – ядерная энергетическая установка

 

 

СПИСОК

ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

 

 

вероятность безотказной работы

вероятность отказа

дисперсия случайной величины ξ

интенсивность отказов

M – математическое ожидание непрерывной случайной величины

математическое ожидание непрерывной случайной величины ξ

k– ймомент случайной величины ξ

S – среднее квадратичное отклонение отказа

s – оценка среднего квадратическое отклонения

оценка математического ожидания

Ω – пространство элементарных событий

ω – обозначение элементарных событий

Ф – пустое множество

плотность распределения величины ξ

 

РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

В ТЕОРИИ НАДЁЖНОСТИ

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ПОКОЗАТЕЛИ

НАДЁЖНОСТИ ОБЪЕКТОВ

1.1.

НАДЁЖНОСТЬ ОБЪЕКТОВ

КАК КОМПЛЕКСНОЕ СВОЙСТВО

В числе важнейших эксплуатационно-технических характеристик, определяющих эффективность объ­ектов, особое место занимают показатели надеж­ности.

Надежность — свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выпол­нять требуемые функции в заданных режимах и ус­ловиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортировки. В данном определении, во-первых, подчеркнута непрерывность выполнения объектом заданных функций. Нет смыс­ла говорить о надежности объекта, например, во вре­мя проведения на нем планово-предупредительных работ, ремонтов, замены оборудования, освидетель­ствований и других мероприятий, связанных с оста­новкой объекта, так как в это время объект не выпол­няет своих функций, а именно: не выдает электро­энергию и промышленное тепло, не перевозит грузы и пассажиров и т. д. Во-вторых, в определение надеж­ности включено понятие «установленные пределы». Сложная система при отказе отдельных элементов или подсистем сохраняет свою работоспособность и может обеспечивать своих потребителей, например, энергией, но в меньшем количестве. В-третьих, на­дежность объекта целесообразно определять за оп­ределенные промежутки времени, например, между перегрузками топлива, за время работы на заданном уровне мощности, за время до прекращения эксплуатации и др.

В зависимости от условий решаемой задачи один и тот же объ­ект может именоваться системой или элементом. Под системой (системой элементов) обычно понимают объект, в котором необхо­димо и возможно различать определенные взаимозависимые час­ти, соединенные воедино. Элемент — определенным образом огра­ниченный объект, рассматриваемый как часть другого объекта. Понятия «система» и «элемент» относительны, любой объект при решении одних задач может рассматриваться как система, а при решении других — как элемент. Например, электрический аппа­рат в целом при анализе его надежности является сложной сис­темой, элементами которой можно назвать устройства, обеспе­чивающие селективность отключения, перегрузки, короткого за­мыкания и др. Но если производится анализ надежности системы управления ЭЭС, включающей группу электрических аппаратов, то в этом случае электрический аппарат является элементом сис­темы. В свою очередь, ЭЭС может явиться элементом более круп­ной ЭЭС данного экономического района страны. Однако такое представление о надежности объекта было бы неполным, если не учитывать структуру элемента, заданную комплектом техниче­ской документации.

Надежность как сложное свойство в зависимости от назначе­ния объекта и условий его применения состоит из сочетаний сле­дующих свойств:

■ безотказность;

■ ремонтопригодность;

■ долговечность;

■ устойчивоспособность;

■ сохраняемость;

■ безопасность.

Для объектов, работающих непрерывно, таких, например, как энергоблок электрической станции, обзорный локатор аэродрома, магистральные нефте- и газопроводы, из этих свойств наиболее важны три первые. Объекты, работающие сезонно (сельскохозяй­ственная техника), напротив, должны, кроме приемлемой безот­казности, иметь высшие показатели ремонтопригодности, долго­вечности и сохраняемости. Свойства, составляющие надежность, могут характеризовать и другие особенности объекта. Так, безо­пасность ЭЭС в значительной степени обусловлена безотказностью электрооборудования, хотя имеет и самостоятельное значение.

Безотказность — это свойство объектов сохранять работоспо­собное состояние в течение некоторого времени или некоторой на­работки. Обычно она рассматривается применительно к режиму эксплуатации объекта, и перерывы в его работе (плановые и вне­плановые) не учитываются.

Безотказность характеризуется техническим состоянием объ­екта: исправностью, неисправностью, работоспособностью, нера­ботоспособностью, дефектом, повреждением и отказом. Каждое из этих состояний обладает совокупностью значений параметров, описывающих состояние объекта, и качественных признаков. Но­менклатура этих параметров и признаков, а также пределы допус­тимых их изменений устанавливаются нормативной документа­цией на объект.

Состояние объекта, обусловливающее способность выполнять заданные функции, которые соответствуют нормативно-техниче­ской и конструкторской документации, есть его работоспособ­ность.

Исправное состояние объекта предполагает соответствие всем требованиям нормативно-технической и конструкторской доку­ментации. В противоположность этому, неисправное состояние объекта означает несоответствие хотя бы одному из требований нормативно-технической и конструкторской документации. Если значения хотя бы одного параметра, характеризующего способ­ность элемента, к примеру электрического аппарата, выполнять заданные функции, не соответствуют требованиям нормативно-тех­нической и конструкторской документации, то такое состояние оп­ределяется как неработоспособное. А событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта, называется отка­зом. Событие, состоящее в нарушении исправного состояния объ­екта, но сохраняющего его работоспособность, носит название по­вреждения (дефекта).

Границы между исправным и неисправным, работоспособным и неработоспособным состояниями обычно условны и представля­ют собой, в основном, совокупность определенных значений пара­метров объектов. Эти значения одновременно являются граница­ми соответствующих допусков. Работоспособность и неработоспо­собность могут быть как полными, так и частичными. Если объект полностью работоспособен, то в определенных условиях эксплуа­тации возможно достижение максимальной эффективности его применения. Эффективность применения в тех же условиях час­тично работоспособного объекта меньше максимально возможной,

но значения ее показателей нахо­дятся в пределах, установленных для такого функционирования, ко­торое считается нормальным для данного объекта.

Работоспособность должна рас­сматриваться применительно к оп­ределенным внешним условиям экс­плуатации объекта. Элемент, ра­ботоспособный в одних условиях, может, оставаясь исправным, ока­заться неработоспособным в других. Переход объектов из одного со­стояния в другое обычно происхо­дит вследствие повреждения или отказа. Общая схема состояний и событий приведена на рис. 1.1.

Работоспособный объект в от­личие от исправного должен удов­летворять лишь тем требованиям нормативно-технической и конструкторской документации, вы­полнение которых обеспечивает его применение по назначению. Очевидно, что работоспособный элемент может быть неисправным или, например, не удовлетворяющим эстетическим требованиям, если ухудшение внешнего вида не препятствует его применению по назначению.

Переход элемента из исправного в неисправное состояние про­исходит вследствие дефектов. Термин «дефект» применяют, в ос­новном, на этапах изготовления и ремонта, когда требуется учи­тывать отдельно каждое конкретное несоответствие объекта тре­бованиям, установленным нормативной документацией. Термин «неисправность» используется, когда требуется учитывать изме­нения технического состояния элементов независимо от числа обнаруженных дефектов. Находясь в неисправном состоянии, объект имеет один или несколько определенных дефектов. В этом пла­не возможно представление состоя­ний в виде, показанном на рис. 1.2.

Ремонтопригодность — свойство объекта, заключающееся в приспособленности предупреждению и обнаружению причин отказов, повреждений и восстановлению ра­ботоспособного состояния путем проведения технического обслу­живания и ремонтов. Ремонтопригодность представляет собой со­вокупность технологичности при техническом обслуживании и ре­монтной технологичности объектов. Свойство ремонтопригодности полностью определяется его конструкцией, т. е. предусматривает­ся и обеспечивается при разработке, изготовлении и монтаже объ­ектов с учетом будущего целесообразного уровня их восстановле­ния, который определяется соотношением ремонтопригодности и внешних условий для выполнения ремонта, в том числе устанав­ливаемых для этого пределов соответствующих затрат. Отсюда происходит относительность деления объектов на восстанавливае­мые и невосстанавливаемые применительно к определенным внеш­ним условиям (точнее, на подлежащие и не подлежащие восста­новлению). Один и тот же элемент в зависимости от окружающих условий и этапов эксплуатации может считаться восстанавливае­мым или невосстанавливаемым. Например, доступность для вы­полнения ремонта встроенных электрических аппаратов во время работы подсистемы ЭЭС ограничена, эти элементы при работе ЭЭС можно отнести к невосстанавливаемым. Если электрический ап­парат доступен для ремонта, то его относят к восстанавливаемым.

Таким образом, деление объектов на восстанавливаемые и не­восстанавливаемые зависит от рассматриваемой ситуации и в зна­чительной степени условно. Необходимо и безусловное деление этих же элементов на вообще доступные для ремонта и не подле­жащие ему применительно ко всему времени их существования, т. е. на ремонтируемые и неремонтируемые. Деление по обоим при­знакам для многих объектов совпадает: ремонтируемый элемент может быть восстанавливаемым на протяжении всего срока служ­бы, а неремонтируемый остается невосстанавливаемым в течение всего времени существования. Однако имеются ремонтируемые объекты, которые в определенных ситуациях в случае возникно­вения отказа в течение данного интервала времени не подлежат восстановлению. С другой стороны, есть неремонтируемые элемен­ты, самовосстанавливающие работоспособность в случае возник­новения некоторых отказов — в частности, при наличии резерв­ных элементов и соответствующих автоматических устройств, осу­ществляющих в таких случаях переход на использование резерва (например, элементы систем управления и защиты).

Следовательно, при формулировании и решении задач обеспе­чения, прогнозирования и оценивания надежности существенное практическое значение имеет решение, которое должно прини­маться в случае отказа объекта, — восстанавливать его или нет. Отнесение объекта к восстанавливаемым или невосстанавливае­мым предполагает выбор определенных показателей надежности. Например, очевидно, что для невосстанавливаемого объекта не имеет смысла такой показатель надежности, как среднее время восстановления.

Долговечность — это свойство объектов сохранять работоспо­собное состояние до наступления предельного состояния при уста­новленной системе технического обслуживания и ремонта. Для предельного состояния объекта характерно следующее: дальнейшее его применение по назначению недопустимо или нецелесообразно, либо восстановление исправного или работоспособного состояний невозможно или нецелесообразно. Критерием предельного состоя­ния служит признак/совокупность признаков предельного состоя­ния объекта, установленных в нормативно-технической и конст­рукторской документации. Объект может перейти в предельное состояние, оставаясь работоспособным, если его дальнейшее при­менение по назначению станет недопустимым по требованиям безо­пасности, экономичности или эффективности.

Переход объекта в предельное состояние влечет за собой вре­менное или окончательное прекращение его эксплуатации.

Для неремонтируемых объектов имеет место предельное со­стояние двух видов. Первый совпадает с неработоспособным со­стоянием; второй обусловлен тем обстоятельством, что начиная с некоторого момента времени дальнейшая эксплуатация пока еще работающего элемента согласно определенным критериям оказы­вается недопустимой в связи с безопасностью. Переход ремонти­руемого объекта в предельное состояние второго вида происходит раньше момента возникновения отказа.

Для ремонтируемых объектов можно выделить три вида пре­дельных состояний. Первый и второй предполагают капитальный или средний ремонт, т. е. временное прекращение эксплуатации. Третий — окончательное прекращение эксплуатации объекта.

Таким образом, в общем случае долговечность объектов, изме­ряемая техническим ресурсом или сроком службы, ограничена не отказом объекта, а переходом в предельное состояние, что означа­ет необходимость в капитальном или среднем ремонтах либо вооб­ще невозможность дальнейшей эксплуатации.

В качестве примера рассмотрим контактную систему ЭА. Ос­новным ее органом является контактный узел, функции которого заключаются в замыкании и размыкании цепи. Надежность кон­тактной системы ЭЛ (предельное состояние) определяется, в ос­новном, коммутационной износостойкостью контактов. На изно­состойкость влияет множество факторов:

· величина тока;

· магнитное дутье;

· геометрические размеры контактов;

· начальное нажатие;

· вибрация, возникающая при замыкании и при ударе якоря
электромагнитного привода об опору;

· электрическая дуга, возникающая при отключении (размыка­нии).

Одним из центральных понятий теории надежности является понятие наработки, потому что отказы и переходы в предельное состояние объектов обусловлены, как правило, их работой. Под наработкой понимается продолжительность или объем работы объ­екта, она измеряется в единицах времени и единицах объема вы­полненной работы.

Объект может работать непрерывно (за исключением вынуж­денных перерывов, обусловленных возникновением отказа и ре­монтом) или с перерывами, не обусловленными изменением тех­нического состояния. Во втором случае различают непрерывную и суммарную наработку.

Оба вида наработки могут представлять собой случайные и детерминированные величины (например, наработка за смену в случае отсутствия вынужденных простоев). Суммарную наработ­ку в ряде случаев сопоставляют с определенным интервалом ка­лендарного времени.

Если объект работает в различные интервалы времени с раз­личной нагрузкой (на разных уровнях мощности), различают не­прерывную и суммарную наработку для каждого вида или степе­ни нагрузки (для разного уровня мощности).

Наработка до отказа — ото наработка объекта от начала его эксплуатации до возникновения первого отказа. Она характери­зует безотказность как неремонтируемых (невосстанавливаемых), так и ремонтируемых (восстанавливаемых) объектов.

Наработка между отказами — это наработка объекта от окон­чания восстановления его работоспособного состояния после от­каза до возникновения следующего отказа; она определяется про­должительностью работы объекта от ί-го до (ί + 1)-го отказа, где ί=1, 2,... Она относится только к восстанавливаемым объектам.

Под техническим ресурсом (или просто ресурсом) понимается наработка объекта от начала его эксплуатации или ее возобновле­ния после ремонта определенного вида до перехода в предельное состояние.

Физический смысл ресурса — зона возможной наработки объ­екта. Для неремонтируемых элементов он совпадает с запасом на­хождения в работоспособном состоянии при эксплуатации, если переход в предельное состояние обусловлен только возникновени­ем отказа. Начало отсчета наработки, образующей ресурс, может совпадать с началом эксплуатации объекта либо после выполне­ния ремонта. В каждый момент времени можно различать две час­ти любого ресурса: израсходованную к этому моменту в виде со­стоявшейся суммарной наработки и оставшуюся до перехода в пре­дельное состояние. Остаточный ресурс оценивают ориентировочно, поскольку ресурс в целом является случайной величиной. Как вся­кая случайная величина, ресурс полностью характеризуется рас­пределением вероятностей. Параметры этого распределения слу­жат показателями долговечности (средний и гамма - процентный ресурсы). Все сказанное о видах ресурса в полной мере относится и к видам срока службы за исключением того, что срок службы в отличие от ресурса измеряется календарным временем. Соотно­шение значений ресурса и срока службы одного и того лее вида зависит от распределения наработки в непрерывном времени, т. е. от интенсивности эксплуатации объекта. Срок службы — кален­дарная продолжительность от начала эксплуатации объекта или возобновления после ремонта определенного вида до перехода в предельное состояние.

Наработка до отказа, наработка между отказами и ресурс — всегда случайные величины. Параметры их распределений слу­жат показателями безотказности и долговечности.

Сохраняемость — это свойство объекта сохранять значение показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодно­сти в течение и после хранения и/или транспортирования. Про­блема сохраняемости для большинства объектов, работающих не­прерывно, не стоит достаточно остро по сравнению с обеспечени­ем трех первых свойств надежности. Однако для подвижных объектов вопросы обеспечения надежности при транспортирова­нии весьма важны.

Устойчивоспособность — свойство ЭА непрерывно сохранять устойчивость в течение некоторого интервала времени. Собст­венно устойчивость — это способность ЭА переходить из одного установившегося режима к другому при коммутации (включе­ние, отключение и изменение режима работы). Устойчивость ком­мутационного ЭА определяется износостойкостью (механической или электрической), указанной в техническом документе.

Безопасность — свойство ЭА не допускать ситуации, опасные для человека и окружающей среды.

 

1.2.

12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: