 |
1.3 Анализ существующих методологий определения надежности
|
|
|
|
1. 3 Анализ существующих методологий определения надежности
закрытой оросительной сети в условиях эксплуатации
За прошедшие годы были достигнуты определенные результаты как в разработке нормативных документов, так и в разработке методов контроля и расчета надежности закрытой оросительной сети в целом. Основное направление исследований сохраняется и направлено на бесперебойное обеспечение требуемых расходов воды.
Отечественные исследования в области теории надежности вообще, и в увеличении сроков эксплуатации в частности, отличаются корректной постановкой задачи и строгостью предлагаемых решений. Одновременно с работами по исследованию надежности оросительных систем и закрытых трубопроводов в частности, ведутся инициативные поиски путей практического повышения надежности оборудования и сооружений.
Пионерными исследованиями в этой области можно считать целый ряд фундаментальных работ акад. Ц. Е. Мирцхулавы [4-6]. Им еще в начале 70-х годов впервые заложены основы теории надежности гидромелиоративных сооружений, которые базируются на теории вероятностей, теории случайных процессов и общей теории надежности технических систем. Дальнейшее развитие методов оценки надежности гидромелиоративных систем и сооружений на них было получено в трудах: В. С. Алтунина, Т. А. Алиева, Е. П. Галямина, В. М. Лятхера, П. И. Коваленко, Ю. М. Косиченко, В. И. Ольгаренко, Ю. П. Поляков, И. И. Науменко, М. Ф. Натальчука, В. И. Ольгаренко, С. С. Савватеева, В. А. Солнышкова, В. Н. Щедрина и др.
В работе В. С. Алтунина и Т. А. Алиева [7] показаны методы оценки надежности работы каналов по вероятности безотказной работы и по допускаемым скоростям.
|
|
|
И. И. Науменко [8] рассмотрел вопросы оценки эксплуатационной надежности систем капельного орошения, насосных станций и гидротехнических сооружений на оросительных системах.
Ю. М. Косиченко [9] на основе обобщения данных натурных наблюдений получил количественные показатели противофильтрационной эффективности и эксплуатационной надежности облицовок оросительных каналов, предложил зависимости для установления технической, эксплуатационной и технологической надежности облицовок.
И. А. Долгушев [10] по результатам проведенных гидравлических исследований оросительных каналов Северного Кавказа предложил способы повышения их эксплуатационной надежности.
Для проведения расчетов, связанных с прогнозированием состояния технических систем в период эксплуатации необходимо, прежде всего, иметь математическую модель рассматриваемой системы. Если такая модель имеется, то необходимые расчетные формулы можно получить путем соответствующих преобразований.
Г. В. Дружинин [11] выделяет следующие способы получения расчетных зависимостей:
- методом интегральных зависимостей;
- методом дифференциальных уравнений;
- методом оценки надежности по графикам изменения состояний системы.
В качестве применения метода интегральных уравнений рассматривается расчет надежности невосстанавливаемой системы с ненагруженным резервом. Чтобы определить показатели надежности с помощью этого метода, необходимо составить и решить систему дифференциальных уравнений вероятностей состояний (уравнения Колмогорова). Основные допущения сводятся к тому, что отказавшие объекты немедленно восстанавливаются, отсутствует ограничение на число восстановлений, и надежность средств контроля теоретически приближена к единице.
А. М. Половко [12] разработал методику нахождения выражений для показателей надежности без составления и решения дифференциальных уравнений. Суть методики заключается в прохождении кратчайшим путем из всех крайних состояний в каждое состояние системы и перемножения всех интенсивностей переходов.
|
|
|
Наиболее фундаментальным трудом по расчетам показателей надежности технических систем и их элементов среди отечественных изданий можно назвать “Справочник по расчетам надежности” Б. А. Козлова и И. А. Ушакова [11]. Авторы предлагают систематизированный комплекс методов расчета показателей надежности технических систем и их элементов. При этом рассматриваются проблемы резервирования, расчеты различных типов взаимодействия элементов, задачи оптимальной профилактики и т. д. Изложенные в работе методы расчета являются универсальными и, естественно, не в полной мере отвечают специфике дождевальной техники.
Ю. А. Ильин [13] рассматривает математическую постановку задач определения производительности систем транспортировки воды с учетом надежности оборудования, входящего в их состав. В результате предлагается модель изменения производительности транспортных систем во времени, позволяющая, при использовании принципа Бельмана для динамического программирования, решать задачи проектирования, когда целевой функцией является оптимальный вариант системы при ограничениях по производительности.
Проблеме расчета показателей надежности технических систем также посвящены работы А. Ш. Рабиновича, Н. Н. Дмитрюка, Епифанова А. Д. и др.
Анализ существующих работ по надежности технических систем и опыт эксплуатации закрытой оросительной сети свидетельствуют о том, что вопрос по проведению профилактического обслуживания закрытой оросительной сети не является окончательно решенным. Об этом свидетельствуют отказы трубопроводов в процессе проведения полива, возникающие в результате их износа. При этом отключение трубопроводов для проведения ремонтных операций занимают значительную часть рабочего времени, в результате чего не соблюдается режим орошения сельскохозяйственных культур. А это, в свою очередь, ведет к снижению урожайности. Если характер появления внезапных отказов предсказать невозможно, то износовые отказы можно ликвидировать с помощью рационально организованной системы ремонта и обслуживания. Здесь необходимо учитывать и вопросы по профилактическому ремонту закрытых и трубопроводов до возникновения их отказов в конкретных условиях эксплуатации.
|
|
|
В связи с этим данная работа позволяет решить ряд вопросов, включающих вероятностно-статистическое изучение закономерностей возникновения отказов и разработку рациональных методов проведения профилактических ремонтных работ, необходимых для повышения надежности работы закрытых трубопроводов в хозяйствах Саратовской области.
В результате анализа существующих методологий определения надежности технических систем следует отметить, что расчет надежности необходимо проводить для закрытых трубопроводов как проектируемых, так и находящихся в эксплуатации. Это позволяет грамотно решить вопросы технической эксплуатации, профилактики и текущего ремонта [14].
В общем случае расчет надежности должен включать теоретическое определение всех основных количественных характеристик надежности рассматриваемой оросительной системы с закрытыми трубопроводами.
На стадии проектирования такой расчет позволит ориентировочно оценить ожидаемую надежность основных узлов и блоков схемы. Далее на основе этого расчета можно сопоставить полученные количественные характеристики проектируемой системы с заданными требованиями и принять соответствующее решение.
Если при этом окажется, что расчетные значения надежности ниже требуемой, то своевременно можно принять меры по ее повышению как в процессе проектирования и производства, так и во время эксплуатации.
Известно несколько основных методов расчета надежности. Сущность их в общем одинакова и сводится к определению интересующих количественных характеристик надежности. Отличие же заключается в том, какими исходными данными для расчета пользуются, и для каких целей предназначается этот расчет. Обычно различают две группы расчетов: приближенный или ориентировочный расчет и полный или окончательный расчет.
|
|
|
Инженерных методов полного расчета до настоящего времени неизвестно. Ввиду этого в большинстве случаев на практике при выполнении расчетов надежности ограничиваются определением одной или двух ее основных количественных характеристик.
Например, чаще всего в технических условиях может быть оговорена вероятность безотказной работы оросительной системы 
в течение интервала времени от начала эксплуатации до заданного времени 
; при этом расчет сводится к определению ожидаемой величины .
Зачастую определение подменяют определением среднего времени безотказной работы 
, имея цель в дальнейшем сравнить расчетное время 
, с соответствующим временем 
, заданным по техническим условиям.
Не следует забывать, что определяется для нормального периода эксплуатации по экспоненциальному закону [19]:
(1)
где 
необходимая вероятность безотказной работы.
Сравнение , с может дать достоверный результат только в том случае, когда для оросительной системы с закрытым трубопроводом или рассматриваемых ее элементов справедлив экспоненциальный закон надежности. Ввиду этого необходимо предварительно произвести такую проверку.
Проверка может быть произведена, если известны время или значение интенсивности отказов типовых элементов 
и число элементов, полученные из опыта эксплуатации. Для выполнения полного расчета надежности системы необходимо располагать данными об условиях работы их элементов, а также изменением характеристик интенсивности отказов элементов от изменения основных режимов и нагрузок в процессе работы [15].
Рассмотрим некоторые основные вопросы, связанные с расчетом надежности оросительной системы с закрытым трубопроводом. При оценке надежности любой оросительной системы с закрытым трубопроводом отдельные ее узлы рассматриваются как элементы сложной системы. Надежность такой системы в целом зависит от надежности входящих в нее элементов, а также от способа включения их в систему.
В теории надежности оросительных систем различают два основных вида соединения элементов: последовательное и параллельное [16].
Под последовательным соединением элементов (рис. 1а) в теории надежности понимают такое соединение, при котором отказ одного какого либо элемента влечет за собой отказ всей системы.
Очевидно, что при таком определении последовательное соединение элементов с точки зрения надежности может не совпадать с понятием последовательного соединения, применяемым в гидравлике или электротехнике.
В этом случае при условии, что отказ каждого из N элементов системы является событием независимым, будем иметь [17]:
|
|
|
(2)
а)
б)
Рис. 1. Два основных вида соединения элементов:
а – последовательное; б – параллельное
где 
– надежность отдельного « 
» элемента;
– число элементов, составляющих систему.
При параллельном соединении элементов (рис. 1б) отказ всей системы возможен только при условии отказа каждой из параллельных ветвей.
На основании свойства противоположных событий и теоремы умножения вероятностей для независимых событий будем иметь [18]:
(3)
Параллельное соединение является основой так называемого резервирования (или дублирования) систем и элементов. Резервирование является одним из способов повышения надежности системы.
Следует отметить, что параллельное соединение не всегда может обеспечить эффективное резервирование. Это может быть в том случае, когда один и тот же элемент системы подвержен нескольким различным по своей физической сущности отказам. Причем в целях обеспечения резервирования по одному типу отказов элемент необходимо включать в схему последовательно, а по другому – параллельно; при этих условиях каждое из указанных соединений в отдельности может обеспечить лишь частное резервирование.
В таких случаях применение для расчета надежности схем, состоящих из комбинации – последовательного и параллельного соединений, оказывается практически неудобным и расчет системы целесообразно проводить на основе методов алгебраической логики. Например, эффективность резервирования системы, состоящих из двух соединенных параллельно однородных элементов, каждый из которых подвержен двум физически различным видам отказов, можно рассчитать по формуле [19]:
(4)
где 
вероятность безотказной работы параллельного соединения двух элементов;
вероятность появления отказа, который резервируется параллельным соединением;
вероятность появления нерезервируемого отказа.
Если приходится иметь дело с ограниченной информацией об отказах элементов технических систем, то в этом случае важно оценить точность приближенного определения параметров надежности, для чего в математической статистике пользуются так называемыми доверительными интервалами и доверительными вероятностями.
При ограниченном числе рассматриваемых однотипных элементов (30-50) доверительный интервал, в котором с заданной доверительной вероятностью 
будет находиться действительная величина вероятности безотказной работы агрегата 
, может быть определен из неравенства [20]:
(5)
где 
число отказавших элементов;
общее число элементов;
число, определяемое из таблиц нормированной функции Лапласа 
по заданному значению доверительной вероятности 
.
Решение неравенства относительно 
дает два значения, определяющие доверительный интервал при заданной доверительной вероятности [21]:
(6)
где 
Таким образом, расчет, проектирование и создание любых объектов с позиции теории надежности, как правило, включают:
- определение требований к надежности объектов с технических и экономических позиций;
- разработку и обоснование единичных и комплексных количественных и качественных показателей надежности;
- установление оптимальных эксплуатационных режимов для достижения задаваемой надежности;
- создание эффективных систем сбора, анализа и обобщения различных видов информации о надежности объекта в условиях эксплуатации;
- определение количественных показателей, разработку методов обобщения результатов испытаний на надежность объектов и их элементов;
- вероятностно-статистическое изучение закономерностей возникновения и развития отказов, методов их обнаружения, устранения и прогнозирования;
- построение и проверку адекватности реальным условиям моделей наиболее частых отказов;
- обоснование системы рациональных методов технической диагностики состояния объектов, а также способов отыскания их неисправностей;
- исследование связи между показателями надежности, экономичности и эффективности;
- обоснование способов повышения надежности объектов при их проектировании и создании;
- изучение влияния надежности на эффективность эксплуатации объектов; разработку рациональных методов профилактических работ при эксплуатации объектов.
|
|
|
