Устройство для определения характеристик надежности изделия

Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к устройствам контроля, и может быть использовано в научных исследованиях и конструкторских разработках, где требуется находить оптимальные значения интенсивности отказов, обеспечивающие максимально возможную готовность изделий к применению при заданной стратегии их технического обслуживания. Техническим результатом является повышение точности и информативности устройства, который достигается путем реализации математической модели детально и полно отражающей процесс функционирования изделия и за счет вывода в качестве выходной величины вычисленных значений коэффициента готовности изделия наряду со значением интенсивности отказов. Для получения указанного результата в устройство введены два сумматора, три элемента задержки и два ключа. В целом устройство содержит генератор ступенчатого напряжения, два блока нелинейности, два интегратора, два делителя, два усилителя, четыре сумматора, два блока умножения, блок сравнения, три элемента задержки и три ключа. 1 ил.

 

Изобретение относится к устройствам контроля и может быть использовано в научных исследованиях и конструкторских разработках, где требуется находить значения интенсивности отказов изделий, обеспечивающие максимально возможную готовность к применению этих изделий при заданной стратегии их технического обслуживания.

Известны работы [1, 2], посвященные обоснованию требований к надежности элементов сложных систем. В них предлагаются подходы к установлению рациональных границ надежности элементов, показана неоправданность стремления к максимальной надежности элементов систем из-за экономической и технической нецелесообразности. Однако в данных работах не рассматривается существующая связь надежности изделий с параметрами стратегии их технического обслуживания.

Известны устройства [3, 4], предназначенные для определения периодов технического обслуживания, обеспечивающих максимально возможную готовность изделий к применению по целевому назначению. Но эти устройства не позволяют вычислять значения интенсивности отказов, которые обеспечивают максимум коэффициента готовности при заданных параметрах стратегии технического обслуживания изделия.

Известно также устройство [5], позволяющее определять значения интенсивности отказов изделия, обеспечивающее максимум времени полезного функционирования этого изделия при заданном периоде его технического обслуживания. Недостатками этого устройства являются низкая точность и узкая область применения. Оно реализует приближенный вариант математической модели функционирования изделия с ограниченным запасом материального ресурса. Фактор расходования ресурса в процессе функционирования изделия отражается на значении искомой величины интенсивности отказов.

Дополнительно отметим, что в схеме и формуле изобретения устройства [5] имеется ряд ошибок, не позволяющих использовать его в качестве прототипа (ошибочно включен один из блоков 23, не отражены несколько межблочных связей).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство [6], содержащее генератор ступенчатого напряжения, два блока нелинейности, два интегратора, два сумматора, два блока умножения, два делителя, два усилителя, блок сравнения и ключ. Оно позволяет определить оптимальную интенсивность отказов изделия, которая при заданном периоде технического обслуживания обеспечивает максимум времени полезного функционирования изделия. Недостатками данного устройства является низкая точность определения искомой величины, так как математическая модель, реализуемая устройством, имеет упрощенный вид и неадекватно отражает цикл обслуживания широкого класса изделий.

Целями предлагаемого технического решения является повышение точности и информативности устройства. Цели достигаются за счет реализации математической модели детально и полно отражающей процесс функционирования изделия и за счет вывода в качестве выходной величины вычисленных значений коэффициента готовности изделия.

Процесс обслуживания изделия носит циклический характер. Средняя продолжительность цикла обслуживания определяется следующим соотношением:

или

где τ - период обслуживания изделия;

- среднее время контроля работоспособности изделия;

- среднее время проведения планово-предупредительной профилактики; - среднее время аварийно-восстановительных работ;

Р(τ) - вероятность безотказной работы изделия за время τ.

Контроль работоспособности изделия осуществляется в плановые сеансы с периодом τ. В связи с этим на интервале времени между сеансами контроля изделие может находиться не только в работоспособном состоянии, но и в отказе. Поэтому имеет место соотношение

где - среднее время работоспособного состояния объекта;

- среднее время пребывания его в отказе на периоде τ.

Значение τ_ф определяется по формуле

Если результаты контроля покажут, что изделие работоспособно, то проводится плановая предупредительная профилактика. Если же оно окажется неработоспособным, то будут выполнены аварийно-восстановительные работы, в результате которых работоспособность будет восстановлена. При проведении операции контроля, планово-предупредительной профилактики и аварийно-восстановительных работ, а также при нахождении в состоянии отказа изделие не может использоваться по назначению, как не готовое к целевому применению.

Техническое состояние изделия в произвольный момент времени носит случайный характер. В связи с этим в теории и практике эксплуатации изделий широко используются вероятностные характеристики состояния этих изделий, в том числе коэффициент готовности.

Под коэффициентом готовности будем понимать отношение среднего времени, проведенного изделием в работоспособном состоянии на интервале одного цикла обслуживания, к средней длительности этого цикла. С учетом (1) и (3) имеем

При экспоненциальном законе распределения времени безотказной работы изделия величина P(t) выражается так: P(t)=e^-λτ, а соотношение (3) имеет следующий вид: τ_ф=λ^-1(1-е^-λτ).

Из рассмотренного следует, что коэффициент готовности существенно зависит от интенсивности отказов и периода технического обслуживания изделия.

Проведенные исследования показывают, что при фиксированном значении интенсивности отказов существует единственный (оптимальный) период обслуживания τ*, когда коэффициент готовности достигает максимального значения. Увеличение значения интенсивности отказов влечет за собой уменьшение оптимального значения периода обслуживания. Из этого следует, что для заданного периода обслуживания можно определить такое значение интенсивности отказов, при котором коэффициент готовности будет максимальным.

В связи с изложенным, задачу определения оптимального значения интенсивности отказов запишем в следующем виде:

Предложенная модель может быть реализована аппаратурно с помощью предлагаемого устройства.

На чертеже показана схема устройства. Оно содержит: генератор ступенчатого напряжения 1, блоки нелинейности 2, 13; интеграторы 3, 14; делители 4, 15; усилители 5, 9; сумматоры 6, 7, 10, 11; блоки умножения 8, 12; блок сравнения 16; элементы задержки 17, 18, 19; ключи 20, 21, 22.

Отметим, что в составе устройства имеется следующие две совокупности функциональных блоков:

1. Первый усилитель 5, первый блок нелинейности 2, первый интегратор 3, первый 6 и третий 7 сумматоры, первый блок умножения 8 и первый делитель 4.

2. Второй усилитель 9, второй блок нелинейности 13, второй интегратор 14, второй 10 и четвертый 11 сумматоры, второй блок умножения 12 и второй делитель 15.

Эти совокупности блоков обеспечивают вычисление значений коэффициента К_Г в окрестностях ±Δτ заданного значения τ_зад периода технического обслуживания изделия. При этом для каждого возможного значения λ_j, где j=1, 2, ... интенсивности отказов первая совокупность блоков обеспечивает вычисление а вторая совокупность блоков - . Процесс функционирования этих совокупностей одинаковый. Поэтому при описании работы устройства ограничимся подробным рассмотрением лишь одной из этих совокупностей.

Вычисленные значения и используется в последующей работе устройства для определения оптимального значения λ* интенсивности отказов изделия.

Устройство работает следующим образом. Генератор ступенчатого напряжения 1 с шагом Δλ задает в порядке нарастания последовательность возможных значений интенсивности отказов изделия λ_j:λ_j=λ_j-1+Δλ, j=1, 2, 3,...; λ₀=0. Значение λ_j поступает на блоки 2 и 13 нелинейности (например, схема 3-4-2 [7]). С третьего входа устройства на входы усилителей 5 и 9 поступает значение периода контроля и технического обслуживания изделия τзад. Усилители 5 и 9 имеют разные коэффициенты усиления, но такие, что на выходе первого 5 усилителя действует сигнал, соответствующий значению τ_зад-Δτ периода контроля и технического обслуживания изделия, а на выходе второго 9 усилителя - τ_зад+Δτ. Значение периода контроля и технического обслуживания изделия τ_зад-Δτ с выхода первого усилителя 5 поступает на второй вход первого 6 сумматора и на второй вход первого блока нелинейности 2. При каждом значении λ_j в первом блоке 2 нелинейности формируется функция , которая подается на первый вход первого интегратора 3 и на второй вход первого блока умножения 8. В интеграторе 3 осуществляется интегрирование функции P_j(t) на интервале [0, τ_зад+Δτ]. На выходе первого интегратора 3 действует сигнал соответствующий среднему времени полезного функционирования изделия в соответствии с соотношением (3). В первом блоке умножения 8 происходит перемножение функции Р_j(t) с величиной , поступившей со второго входа устройства. Значение поступает также на первый вход второго блока умножения 12. Результат перемножения Р(t)(τ_n-τ_в) с выхода блока умножения 8 передается на первый вход третьего сумматора 7. Сигнал, соответствующий величине , с первого входа устройства поступает на первые входы первого 6 и второго 10 сумматоров. В первом сумматоре 6 значение сигнала τ_зад-Δτ складывается со значением. Результат сложения передается на второй вход третьего сумматора 7. В первом сумматоре 6 значение сигнала τ_зад-Δτ складывается со значением . Результат сложения передается на второй вход третьего сумматора 7. В третьем сумматоре 7 реализуется соотношение (1) и выходной сигнал подается на первый вход первого делителя 4. Сигнал τ_фj с выхода первого интегратора 3 поступает на второй вход первого делителя 4, в котором вычисляется значение коэффициента готовности в соответствии с соотношением (4). Выходной сигнал первого делителя 4 подается на первый вход блока сравнения 16.

Как отмечалось ранее, совокупность блоков 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 обеспечивает аналогичное вычисление коэффициента готовности, но при τ=τ+Δτ, т.е. . Вычисленное значение с выхода второго делителя 15 подается на второй вход блока сравнения 16. В блоке сравнения 16 сравниваются между собой вычисленные значения коэффициента готовности и . Если окажется, что , управляющий сигнал с первого выхода блока сравнения 16 подается на вторые входы интеграторов 3 и 14, а также на вход генератора ступенчатого напряжения 1. По этому сигналу оба интегратора 3 и 14 сбрасываются в ноль, а генератор 1 выдает очередное значение интенсивности отказов λ_j+1, и весь цикл вычислений и повторится, но уже при новом λ_j+1 значении интенсивности отказов. Как только выполняется неравенство , управляющий сигнал со второго выхода блока сравнения 16 поступит на разрешающие входе ключей 20, 21, 22. При этом на информационном входе первого ключа 20 действует выходной сигнал генератора ступенчатого напряжения 1, задержанный первым элементом задержки 17, соответствующий оптимальному значению λ* интенсивности отказов изделия. На информационном входе второго ключа 21 действует выходной сигнал второго делителя 15, задержанный вторым элементом задержки 18, соответствующий значению коэффициента готовности K⁽⁺⁾ (λ*, τ_зад+Δτ) изделия. На информационном входе третьего ключа 22 действует выходной сигнал первого делителя 4, задержанный третьим элементом задержки 19, соответствующий значению коэффициента готовности K^(-) (λ*, τ_зад-Δτ) изделия. Время задержки элементов 17, 18, 19 одинаковое и соответствует длительности одного цикла вычислений. С выхода первого ключа 20 значение λ* интенсивности отказов, обеспечивающее максимум коэффициента готовности изделия при заданном τ_зад периоде обслуживания, поступает на первый выход устройства. На второй и третий выходы устройства соответственно выдаются значения коэффициентов готовности и . На этом работа устройства заканчивается.

Источники информации

1. Л.Н.Чупров. Распределение требований к надежности системы между ее элементами. В сб. "Основные вопросы теории и практики надежности". - М.: Сов. Радио, 1975, с.98-106.

2. Ю.С.Коваленко. В.Ю.Муратов. Метод распределения требований к надежности элементов сложных систем. В сб. "Надежность, контроль качества", 1975.

3. Г.В.Воробьев. В.Д.Гришин. В.Т.Доможиров, А.Н.Тимофеев. А.С. СССР (Q1773199, М., Кл. G 07 C 03/08, 1992.

4. В.Д.Гришин, Ю.С.Мануйлов, А.Н.Щенев. Патент РФ (Q2228541, М. Кл. G 07 C 3/08, 2004.

5. В.Д.Гришин, А.Н.Тимофеев, А.С. СССР (Q 1732364 М. Кл. G 07 C 3/08, 1992.

6. Г.Н.Воробьев, В.Д.Гришин, А.Н.Тимофеев. А.С. СССР (Q1580414 M. Кл. G 07 C 3/08 1990.

7. И.М.Тетельбаум, Ю.Р.Шнейдер. 400 схем для АВМ. - М.: Энергия, 1978.

Устройство для определения характеристик надежности изделия, содержащее генератор ступенчатого напряжения, выход которого подключен к первым входам второго блока нелинейности и первого блока нелинейности, второй вход которого связан с выходом первого усилителя, а выход подключен к первому входу первого интегратора, выход которого соединен со вторым входом первого делителя, выход которого связан с первым входом блока сравнения, второй вход которого подключен к выходу второго делителя, второй выход - к разрешающему входу первого ключа, а первый выход - к входу генератора ступенчатого напряжения, ко вторым входам первого интегратора и второго интегратора, выход которого соединен со вторым входом второго делителя, а первый вход - с выходом второго блока нелинейности, второй вход которого через второй усилитель связан с входом первого усилителя и с третьим входом устройства, второй вход которого соединен с первыми входами первого и второго блоков умножения, первый вход - с первыми входами первого и второго сумматоров, а первый выход - с выходом первого ключа, отличающееся тем, что в него введены третий и четвертый сумматоры, первый, второй и третий элементы задержки, второй и третий ключи, причем выход первого блока нелинейности соединен со вторым входом первого блока умножения, а второй вход - со вторым входом первого сумматора, выход которого подключен ко второму входу третьего сумматора, первый вход которого соединен с выходом первого блока умножения, а выход - с первым входом первого делителя, выход которого через третий элемент задержки связан с информационным входом третьего ключа, разрешающий вход которого вместе с разрешающим входом второго ключа подключен ко второму выходу блока сравнения, а выход - к третьему выходу устройства, второй выход которого соединен с выходом второго ключа, информационный вход которого через второй элемент задержки связан с выходом второго делителя, первый вход которого подключен к выходу четвертого сумматора, первый вход которого соединен с выходом второго блока умножения, а второй вход - с выходом второго сумматора, второй вход которого связан со вторым входом второго блока нелинейности, выход которого соединен со вторым входом второго блока умножения, а первый вход через первый элемент задержки - с информационным входом первого ключа.