Расчет структурной схемы надежности технологического процесса

 

 

 

Реферат

 

Курсовая работа содержит:    с.,    рис.,    табл.,    источника.

 

СХЕМА, НАДЕЖНОСТЬ, ОТКАЗ, РАСЧЕТ, МОДЕЛИРОВАНИЕ, БЕЗОТКАЗНОСТЬ, ИНТЕНИВНОСТЬ ОТКАЗА, ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА, СТРУКТУРНАЯ СХЕМА, ПРЕОБРАЗОВАНИЕ.

 

Курсовая работа включает в себя выполнение двух заданий. Первое задание связано с построением структурной схемы надежности технологического процесса. Второе задание связано с преобразованием заданной согласно варианту структурной схемы и определением показателей надежности.

В данной работе рассматриваются методы и способы расчета вероятностей безотказной работы технических систем. Произведен краткий теоретический обзор основных параметров безотказности технических систем и способы повышения надежности технических систем.

По итогам данной работы были выполнены: структурный анализ технологического процесса и оценка надежности функционирования технологической цепочки, структурное преобразование схемы технического устройства, расчет вероятности ее безотказной работы, а также разработка вариантов повышения надежности данной схемы различными способами.

 

 

Содержание

 

 

 

Нормативные ссылки

 

В курсовой работе приведены ссылки на следующие нормативные документы:

ГОСТ 7.1 – 2003 СИБИД. Библиографическая запись. Библиографическое описание. Общие требования и правила составления

ГОСТ 27.301 – 95 ССБТ. Надежность в технике. Расчет надежности. Основные положения

СТП КубГТУ 1.9.2 – 2003 СМК. Документирование системы менеджмента качества. Стандарт предприятия

СТП КубГТУ 4.2.6 – 2004 СМК. Учебно-организационная деятельность. Курсовое проектирование

 

 

Введение

 

 

Надежностью называют 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. Расширение условий эксплуатации, повышение ответственности выполняемых техническими системами (ТС) функций, их усложнение приводит к повышению требований к надежности изделий.

Надежность является сложным свойством, и формируется такими составляющими, как безотказность, долговечность, восстанавливаемость и сохраняемость. Основным здесь является свойство безотказности - способность изделия непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение времени. Потому наиболее важным в обеспечении надежности ТС является повышение их безотказности.

Особенностью проблемы надежности является ее связь со всеми этапами «жизненного цикла» ТС от зарождения идеи создания до списания: при расчете и проектировании изделия его надежность закладывается в проект, при изготовлении надежность обеспечивается, при эксплуатации – реализуется. Поэтому проблема надежности – комплексная проблема и решать ее необходимо на всех этапах и разными средствами. На этапе проектирования изделия определяется его структура, производится выбор или разработка элементной базы, поэтому здесь имеются наибольшие возможности обеспечения требуемого уровня надежности ТС. Основным методом решения этой задачи являются расчеты надежности (в первую очередь – безотказности), в зависимости от структуры объекта и характеристик его составляющих частей, с последующей необходимой коррекцией проекта. Некоторые способы расчета структурной надежности рассматриваются в данной курсовой работе.

 

1 Количественные характеристики безотказности

 

 

Безотказность ТС проявляется через случайные величины: наработку до очередного отказа и количество отказов за заданное время. Поэтому количественными характеристиками свойства здесь выступают вероятностные переменные.

Наработка есть продолжительность или объем работы объекта. Для ТС исчисление наработки производят в единицах времени. Для невосстанавливаемых и восстанавливаемых изделий понятие наработки различается: в первом случае подразумевается наработка до первого отказа, во втором - между двумя соседними во времени отказами.

Вероятность безотказной работы – вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ объекта не возникнет[1].

Вероятность противоположного события называется вероятностью отказа и дополняет вероятность безотказной работы до единицы:

Интенсивностью отказов называют условную плотность вероятности возникновения отказа изделия при условии, что к моменту времени отказ не возник и вычисляют по формуле (1.1):

, (1.1)

где λ(t) – интенсивность отказов, ч-1;

f(t) – плотность вероятности;

р(t) – вероятность безотказной работы.

Интегрируя (1.1), легко получить:

 (1.2)

Это выражение, называемое основным законом надежности, позволяет установить временное изменение вероятности безотказной работы при любом характере изменения интенсивности отказов во времени. В частном случае постоянства интенсивности отказов λ(t) = λ = const выражение (1.2) переходит в известное в теории вероятностей экспоненциальное распределение[2]:

 (1.3)

Поток отказов при λ(t) = const называется простейшим и именно он реализуется для большинства ТС в течении периода нормальной эксплуатации от окончания приработки до начала старения и износа.

При простейшем потоке отказов средняя наработка обратно интенсивности отказов.

 (1.4)

где T0 – средняя наработка на отказ, ч;

λ – интенсивность отказов, ч-1.

 

С помощью (1.3) можно показать, что за время средней наработки, T0, вероятность безотказной работы изделия составляет 1/е. Часто используют характеристику, называемую γ–процентной наработкой – время, в течении которого отказ не наступит с вероятностью γ(%):

Выбор параметра для количественной оценки надежности определяется назначением, режимами работы изделия, удобством применения в расчетах на стадии проектирования.

 

 

           2 Структурно-логический анализ технических систем

 

 

Конечной целью расчета надежности технических устройств является оптимизация конструктивных решений и параметров, режимов эксплуатации, организация технического обслуживания и ремонтов. Поэтому уже на ранних стадиях проектирования важно оценить надежность объекта, выявить наиболее ненадежные узлы и детали, определить наиболее эффективные меры повышения показателей надежности. Решение этих задач возможно после предварительного структурно - логического анализа системы.

Расчленение ТС на элементы достаточно условно и зависит от постановки задачи расчета надежности. Например, при анализе работоспособности технологической линии ее элементами могут считаться отдельные установки и станки, транспортные и загрузочные устройства и т.д. В свою очередь станки и устройства также могут считаться техническими системами и при оценке их надежности должны быть разделены на элементы – узлы, блоки[3].

При определении структуры ТС в первую очередь необходимо оценить влияние каждого элемента и его работоспособности  на работоспособность системы в целом.  С этой точки зрения целесообразно разделить все элементы на четыре группы:

• элементы, отказ которых практически не влияет на работоспособность системы;
• элементы, работоспособность которых за время эксплуатации практически не изменяется и вероятность безотказной работы близка к единице;
• элементы, ремонт или регулировка которых возможна при работе изделия или во время планового технического обслуживания;
• элементы, отказ которых сам по себе или в сочетании с отказами других элементов приводит к отказу системы.

Для расчетов параметров надежности удобно использовать структурно-логические схемы надежности ТС, которые графически отображают взаимосвязь элементов и их влияние на работоспособность системы в целом. Структурно-логическая схема представляет собой совокупность ранее выделенных элементов, соединенных друг с другом последовательно или параллельно. Критерием для определения вида соединения элементов (последовательного или параллельного) при построении схемы является влияние их отказа на работоспособность ТС.

Последовательным (с точки зрения надежности) считается соединение, при котором отказ любого элемента приводит к отказу всей системы, пример изображен на рисунке 1.

Параллельным (с точки зрения надежности) считается соединение, при котором отказ любого элемента не приводит к отказу системы, пока не откажут все соединенные элементы, пример на рисунке 2.

 

Рисунок 1 – Последовательное соединение элементов

 

Рисунок 2 – Параллельное соединение элементов

Примером последовательного соединения элементов структурно - логической схемы может быть технологическая линия, в которой происходит переработка сырья в готовый продукт. Если же на некоторых участках линии, или пути сигнала, предусмотрена одновременная обработка на нескольких единицах оборудования, то такие элементы (единицы оборудования) могут считаться соединенными параллельно.

Однако не всегда структурная схема надежности аналогична конструктивной или электрической схеме расположения элементов. Например, подшипники на валу редуктора работают конструктивно параллельно друг с другом, однако выход из строя любого из них приводит к отказу системы.

В целом анализ структурной надежности ТС, как правило, включает следующие операции:

• анализируются устройства и выполняемые системой и ее составными частями функции, а также взаимосвязь составных частей;
• формируется содержание понятия “безотказной работы” для данной конкретной системы;
• определяются  возможные отказы составных частей и системы, их причины и возможные последствия;
• оценивается влияние отказов составных частей системы на ее работоспособность;
• система разделяется на элементы, показатели надежности которых известны;
• составляется структурно-логическая схема надежности технической системы, которая является моделью ее безотказной работы;
• составляются расчётные зависимости для определения показателей надёжности ТС с использованием данных по надежности её элементов и с учётом структурной схемы.

В зависимости от поставленной задачи на основании результатов расчета характеристик надежности ТС делаются выводы и принимаются решения о необходимости изменения или доработки элементной базы, резервировании отдельных элементов или узлов, об установлении определенного режима профилактического обслуживания, о номенклатуре и количестве запасных элементов для ремонта и т.д.

 

3 Расчеты структурной надежности систем

 

3.1 Системы с последовательным  соединением элементов

 

Системой с последовательным соединением элементов называется система, в которой отказ любого элемента приводит к отказу всей системы. Такое соединение элементов в технике встречается наиболее часто, поэтому его называют основным соединением.

В системе с последовательным соединением для безотказной работы в течении некоторой наработки необходимо и достаточно, чтобы каждый из ее элементов работал безотказно в течении этой наработки. Считая отказы элементов независимыми, вероятность одновременной безотказной работы элементов определяется по теореме умножения вероятностей: вероятность совместного появления независимых событий равна произведению вероятностей этих событий и определяется по формуле (3.1):

, (3.1)

где р(t) – вероятность безотказной работы элемента;

q(t) – вероятность отказа элемента

Р(t) – вероятность безотказной работы системы.

 

Соответственно, вероятность отказа такой ТС определяется по формуле (3.2):

, (3.2)

где Q – вероятность отказа системы;

qi(t) – вероятность отказа i-го элемента.

 

Из формул (3.1) и (3.2) очевидно, что даже при высокой надежности элементов надежность системы при последовательном соединении оказывается тем более низкой, чем больше число элементов. Кроме того, поскольку все сомножители в правой части выражения (3.1) не превышают единицы, вероятность безотказной работы ТС при последовательном соединении не может быть выше вероятности безотказной работы самого ненадежного из ее элементов (принцип «хуже худшего») и из малонадежных элементов нельзя создать высоконадежной ТС с последовательным соединением.

Если все элементы системы работают в периоде нормальной эксплуатации и имеет место простейший поток отказов, наработки элементов и системы подчиняются экспоненциальному распределению, то можно записать формулу (3.4):

 (3.4)

где λi – интенсивность отказа i-го элемента, ч-1;

t – наработка, ч;

Λ – интенсивность отказа системы, ч-1;

Р – вероятность безотказной работы системы.

 

Таким образом, интенсивность отказов системы при последовательном соединении элементов и простейшем потоке отказов равна сумме интенсивностей отказов элементов.

 

3.2 Системы с параллельным  соединением элементов

 

Системой с параллельным соединением элементов называется система, отказ которой происходит только в случае отказа всех ее элементов. Такие схемы надежности характерны для ТС, в которых элементы дублируются или резервируются, т.е. параллельное соединение используется как метод повышения надежности. Однако такие системы встречаются и самостоятельно.