Расчет надежности систем с параллельным соединением элементов. Системы с резервированием.

Работоспособность систем без резервирования требует работоспособности всех элементов системы. Система считается резервированной, если при отказе одного или нескольких резервированных элементов она продолжает нормально функционировать.

Резервирование позволяет создавать системы, безотказность которых может быть выше безотказности входящих в них элементов за счет применения избыточных (резервных) элементов или систем, которые не являются функционально необходимыми, а предназначены для замены соответствующих элементов (систем) в случае их отказа.

Чаще всего используют структурное резервирование. Применение резервирования всегда связано с целым рядом ограничений на объем резервирования к которым относят: повышение стоимости и массо - габаритных размеров, а также вопросы, связанные с технологией контроля технического состояния и снижением показателей ремонтопригодности систем и восстановления их работоспособности.

Различают два метода резервирования: постоянное резервирование и резервирование замещением.

При постоянном резервировании система проектируется таким образом, что отказ одного или нескольких элементов не влияет на работу системы. Элементы соединены постоянно, перестроения в работе системы не происходит. При постоянном резервировании вышедший из строя элемент (участок схемы, блок) не отключается.

В системах, в которых применено резервирование замещением, происходит нарушение работы системы на время с момента отказа рабочего элемента до момента включения резервного.

Постоянное резервирование и резервирование замещением осуществляются путем применения следующих способов резервирования:

• общее резервирование;

• автономное резервирование;

• раздельное резервирование.

 

 

Общее резервирование состоит в резервировании всей системы, кроме входных и выходных блоков. Автономное резервирование состоит в применении нескольких независимых систем, выполняющих одну и ту же задачу. Каждая из систем имеет свой вход и выход. Например, в ветроэнергетических установках применяется несколько систем торможения ветроколеса. Автономное резервирование почти всегда является постоянным. Раздельное резервирование состоит в резервировании системы по отдельным участкам на случай отказов отдельных элементов. Схематично различия между общим и автономным резервированием показано на рис. 3.

 

 

 

Рис. 3. Различие между общим и автономным резервированием:

а) - блок-схема общего резервирования; б) - блок-схема автономного резервирования; 1 - входной элемент; 2 - рабочая цепь; 3- выходной элемент; 4- цепь переключателя

 

По способу фиксации резервирование подразделяется на фиксированное и скользящее. При фиксированном резервировании место подключения каждого резервного элемента строго определено заранее. При скользящем резервировании группа элементов системы резервируется одним или несколькими элементами, каждый из которых может заменить любой отказавший основной элемент в данной группе только после отказа основного элемента.

Системы с резервированием по условиям работы резервных цепей или элементов подразделяются на три вида:

1) «нагруженный резерв» - рабочие и резервные элементы (цепи)
находятся в одинаковых условиях работы (постоянно включены в работу);

2) «облегченный резерв» - резервные элементы (цепи) находятся в
менее нагруженном рабочем режиме, чем основной;

3) «ненагруженный резерв» - резервный элемент практически не несет
нагрузок, элементы вводятся в работу только после отказа основных элементов (резервирование замещением).

При нагруженном резервировании резервные элементы расходуют свой ресурс, имеют одинаковое распределение наработок до отказа и интенсивность отказов основных _о и резервных _н элементов одинакова ( _о = _н).

Разновидностью нагруженного резервирования является резервирование с облегченным резервом, т. е. резервные элементы также находятся под нагрузкой, но меньшей, чем основные. Интенсивность отказов резервных элементов _об ниже, чем у основных _о, т. е. _о > _об.

При ненагруженном резервировании ( рис.4 ) резервные элементы не подвергаются нагрузке, их показатели надежности не изменяются и они не могут отказать за время нахождения в резерве, т. е. интенсивность отказов резервных элементов _х = 0.

 

Рис.4

 

 

Резервные элементы включаются в работу только после отказа основных элементов. Переключение производится вручную или автоматически.

Разновидностью ненагруженного резервирования является скользящее резервирование, когда один и тот же резервный элемент может быть использован для замены любого из элементов основной системы.

Если рассмотреть два характерных вида резервирования рис.5): то очевидно, что при равенстве числа основных и резервных элементов ненагружен

 

Рис.5

 

 

ный резерв обеспечивает большую надежность только тогда, когда перевод резервного элемента в работу происходит абсолютно надежно (т. е. ВБР переключателя должна быть равна 1,0). Выполнение этого условия связано со значительными техническими трудностями или является иногда нецелесообразным по экономическим или техническим причинам.

Условия работы резервных элементов учитываются при расчетах надежности.

Основным параметром, характеризующим структуру резервирования, является кратность резервирования. Если система моделируется параллельным соединением из n элементов или единиц оборудования, и если для нормального функционирования необходимо r работоспособных элементов, тогда (n –r) элементов являются резервными, а отказ системы наступает при условии выхода из строя m элементов.

Отношение числа резервных элементов к числу резервируемых элементов называют кратностью резервирования:

k=(n-r)/r = (m-1)/(n-m+1)

где n – число однотипных элементов в системе; r – число элементов, необходимых для функционирования системы; m – число отказавших элементов, приводящих к отказу всей системы.

Кратность резервирования может быть целой, если r = 1, или дробной, если r > 1. Например (рис.6): r = 1, k = (3 - 1)/1 = 2.

 

Кратность резервирования обозначается без сокращений: при n = 10, r = 4, кратность резервирования будет к = 6/4, но не 3/2.

Резервирование, кратность которого равна единице, называют дублированием.

 

 

Рис.6