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 минимально возможный коэффициент простоя изделий. Техническим результатом является повышение точности и информативности устройства. Результат достигается путем реализации математической модели, детально и полно отражающей функционирование изделия, и за счет вывода вычисленных значений коэффициента простоя изделия наряду со значениями интенсивности отказов. Для получения указанного результата в устройство введены четыре сумматора, три элемента задержки и два ключа. В целом устройство содержит генератор ступенчатого напряжения, два блока нелинейностей, два интегратора, шесть сумматоров, два блока умножения, блок сравнения, три элемента задержки, три ключа, два делителя и два усилителя. 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 минимально возможный простой из-за неготовности изделия к применению при заданной стратегии технического обслуживания этих изделий.

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 системы из-за экономической и технической нецелесообразности. Однако в этих работах не рассматривается существующая связь надежности изделий с параметрами стратегий их технического обслуживания.

Известны устройства [3, 4], предназначенные для определения оптимальных по критерию минимума коэффициента простоя периодов технического обслуживания изделий. Но эти устройства не позволяют решать задачу вычисления значений интенсивности отказов, которые обеспечивают минимум коэффициента простоя при известных 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. Недостатком этого устройства является низкая точность и узкая область применения. Оно реализует приближенный вариант математической модели функционирования изделия с ограниченным запасом материального ресурса. Фактор расходования ресурса отражается на значении искомой величины интенсивности отказов. Дополнительно отметим, что в схеме и формуле изобретения данного устройства имеется ряд ошибок, не позволяющих использовать его в качестве прототипа (в схему ошибочно включен один из блоков 23; в формуле изобретения 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 определять значение интенсивности отказов, которое при заданном периоде технического обслуживания обеспечивает максимум времени полезного функционирования изделия. Недостатком данного устройства является низкая точность определения искомой величины, т.к. математическая модель, реализуемая устройством, имеет упрощенный вид и неадекватно отражает цикл технического обслуживания широкого класса изделий.

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

Процесс обслуживания изделий носит циклический характер. Средняя продолжительность цикла обслуживания определяется 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 проводится в плановые сеансы с периодом τ. В связи с этим на интервале времени между сеансами контроля изделия может находиться не только в работоспособном состояние, но и в отказе. Поэтому имеет место соотношение

где - среднее время работоспособного состояния;

- среднее время пребывания изделия в отказе.

Значение определяется по формуле

Если результаты контроля покажут, что изделие работоспособно, то проводится плановая предупредительная профилактика. Если же оно окажется неработоспособно, то будут выполняться аварийно-восстановительные работы, в результате которых работоспособность будет восстановлена.

При проведении операций контроля, планово-предупредительной профилактики и аварийно-восстановительных работ, а также при нахождении в состоянии отказа изделие не может функционировать по назначению, т.е. изделие простаивает, время простоя на интервале одного цикла обслуживания τ_ц составляет

Используя соотношения (2) и (3), получим

Техническое состояние изделия в произвольный момент времени носит случайный характер. В связи с этим в теории и практике эксплуатации изделий широко используются вероятностные показатели качества функционирования, в том числе коэффициент простоя.

Под коэффициентом простоя принято понимать отношение времени простоя изделия на интервале цикла обслуживания к длительности этого цикла. С учетом (1) и (5) коэффициент простоя выражается следующим соотношением:

При экспоненциальном законе распределения времени безотказной работы изделия величина Р(τ) выражается так:

Из совместного рассмотрения (6) и (7) следует, что коэффициент простоя 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 простоя имеет минимальное значение. Увеличение значения интенсивности отказов влечет за собой уменьшение оптимального значения периода обслуживания. Из этого следует, что для заданного значения периода обслуживания можно определить такое значение интенсивности отказов, при котором коэффициент простоя будет минимальным.

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

Предложенная модель может быть реализована с помощью предлагаемого устройства.

На чертеже показана схема устройства. Оно содержит генератор ступенчатого напряжения 1; блоки нелинейности 2 и 14; интеграторы 3 и 15; сумматоры 4, 7, 8, 11, 12, 16; блоки умножения 9 и 13; блок сравнения 20; элементы задержки 18, 19, 21; делители 5 и 17; усилители 6 и 10; ключи 22, 23, 24.

Отметим, что в составе устройства имеются две совокупности блоков, аналогичные по своему составу. Первая совокупность включает: первый блок нелинейности 2; первый интегратор 3; первый 7, третий 4, четвертый 8 сумматоры; первый блок умножения 9; первый делитель 5 и первый усилитель 6. Вторая совокупность включает: второй усилитель 10; второй 11, пятый 12 и шестой 16 сумматоры; второй блок умножения 13; второй блок нелинейности 14; второй интегратор 15 и второй делитель 17.

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

Вычисленные значения и используются 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 14 нелинейностей. С третьего входа устройства на входы усилителей 6 и 10 поступает значение периода τ_з технического обслуживания изделия. Усилители 6 и 10 имеют разные коэффициенты усиления, но такие, что на выходе первого 6 усилителя действует сигнал, соответствующий значению τ_з-Δτ периода технического обслуживания изделия, а на выходе второго 10 усилителя - τ_з+Δτ. Сигнал, соответствующий величине τ_з-Δτ, с выхода первого 6 усилителя поступает на второй вход первого 7 сумматора и на второй вход первого 2 блока нелинейности. При каждом значение λ_j в первом блоке 2 нелинейности (например, схема 3-4-2[7]) формируется функция , которая подается на первый вход первого интегратора 3 и на второй вход первого блока 9 умножения. В интеграторе 3 осуществляется интегрирование функции P_j(t) на интервале [0, τ_з-Δτ]. С выхода первого 3 интегратора сигнал, соответствующий среднему значению времени работоспособного состояния изделия , передается на второй вход третьего 4 сумматора. В первом блоке 9 умножения выполняется перемножение функций P_j(t) с величиной , поступившей в блок 9 со второго входа устройства. Входной сигнал, соответствующий величине , поступает также на первый вход второго блока 13 умножения. Результат перемножения P_j(t) с выхода первого блока 9 умножения передается на первый вход четвертого 8 сумматора. Сигнал, соответствующий величине , с первого входа устройства поступает на первые входы первого 7 и второго 11 сумматоров. В первом 7 сумматоре значение сигнала (τ_з-Δτ) складывается со значением . Результат сложения с выхода первого 7 сумматора передается на второй вход четвертого 8 сумматора. В четвертом 8 сумматоре реализуется соотношение (1) и выходной сигнал подается на первый вход первого 5 делителя и на первый вход третьего 4 сумматора. Третий 4 сумматор работает в режиме вычитания, в нем в соответствии с (5) реализуется разность , равное времени простоя изделия, и передается на второй вход первого 5 делителя. В первом 5 делителе вычисляется значение коэффициента простоя в соответствии с соотношением (6). Выходной сигнал первого 5 делителя подается на первый вход блока 20 сравнения.

Как отмечалось ранее, совокупность блоков с 10 по 17 обеспечивает аналогичные вычисления функции коэффициента простоя, но при τ_з+Δτ, то есть . Вычисленное значение с выхода второго 17 делителя передается на второй вход блока 20 сравнения. В блоке 20 производится сравнение значений и . Если окажется, что , то появляется управляющий сигнал на первом выходе блока 20 сравнения и подается на вторые входы интеграторов 3 и 15, а также на вход генератора 1 ступенчатого напряжения. По этому сигналу интеграторы 3 и 15 сбрасываются в ноль, а генератор 1 ступенчатого напряжения выдает очередное значение λ_j+1 интенсивности отказов и весь цикл вычислений и повторится, но уже при новом λ_j+1 значении интенсивности отказов.

Как только выполнится неравенство , управляющий сигнал появляется на втором выходе блока 20 сравнения и поступает на разрешающие входы первого 22, второго 23 и третьего 24 ключей. При этом на информационном входе первого 22 ключа действует выходной сигнал генератора 1 ступенчатого напряжения, задержанный первым 18 элементом задержки и соответствующий оптимальному значению λ* интенсивности отказов изделия. На информационном входе второго 23 ключа действует выходной сигнал второго 17 делителя, задержанный вторым 19 элементом задержки и соответствующий значению коэффициента простоя изделия. На информационном входе третьего 24 ключа действует выходной сигнал первого 5 делителя, задержанный третьим 21 элементом задержки и соответствующий значению коэффициента простоя.

Время задержки элементов 18, 19, 21 одинаковое и соответствует длительности одного цикла вычислений. С выхода первого 22 ключа значение λ* интенсивности отказов изделия передается на первый выход устройства. На второй и третий выходы устройства передаются с выходов второго 23 и третьего 24 ключей соответственно и коэффициента простоя. На этом работа устройства заканчивается.

Положительный эффект, который дает предлагаемое техническое решение, состоит в более точном определении оптимального значения интенсивности отказов, обеспечивающего минимум простоя изделия по техническим причинам, при заданных параметрах стратегии обслуживания этого изделия.

Источники информации

1. Ю.С.Коваленко, В.Ю.Муратов. Метод распределения требований к надежности элементов сложных систем. В сб. "Надежность, контроль качества", 1975 г., №9.

2. 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.

3. Г.Н. Воробьев, В.Д. Гришин, В.А. Денченков. А.С. СССР №1320825. М. Кл⁴. G 07 C 3/08, 1987.

4. В.Д.Гришин, Ю.С.Мануйлов, А.Н.Щенев. Патент РФ №2206123. М. Кл⁷. G 07 C 3/08, 2003.

5. В.Д.Гришин, А.Н.Тимофеев, В.В.Лысак. А.С. СССР №1732364. М.Кл⁵ G 07 C 3/08, 1992.

6. Г.Н.Воробьев, В.Д.Гришин, А.Н.Тимофеев. А.С. СССР №1580414. М. Кл⁵ 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 соединен с первыми входами второго блока нелинейности и первого блока нелинейности, выход которого связан с первым входом первого интегратора, а второй вход через первый усилитель подключен к третьему входу устройства непосредственно и через второй усилитель - ко второму входу второго блока нелинейности, выход которого соединен с первым входом второго интегратора, второй вход которого связан со вторым входом первого интегратора, с входом генератора ступенчатого напряжения и с первым выходом блока сравнения, первый вход которого подключен к выходу первого делителя, второй вход - к выходу второго делителя, а второй выход - к разрешающему входу первого ключа, выход которого является первым выходом устройства, первый вход которого подключен к первым входам первого и второго сумматоров, второй вход - к первым входам первого и второго блоков умножения, отличающееся тем, что в него введены третий, четвертый, пятый и шестой сумматоры, первый, второй и третий элементы задержки, второй и третий ключи, причем выход первого усилителя соединен со вторым входом первого сумматора, выход которого подключен ко второму входу четвертого сумматора, выход которого связан с первыми входами третьего сумматора и первого делителя, а первый вход - с выходом первого блока умножения, второй вход которого соединен с первым входом первого интегратора, выход которого подключен ко второму входу третьего сумматора, выход которого связан со вторым входом первого делителя, выход которого через третий элемент задержки соединен с информационным входом третьего ключа, разрешающий вход которого вместе с разрешающим входом второго ключа подключен ко второму выходу блока сравнения, а выход является третьим выходом устройства, второй выход которого соединен с выходом второго ключа, информационный вход которого через второй элемент задержки связан с выходом второго делителя, первый вход которого соединен с выходом пятого сумматора и первым входом шестого сумматора, а второй вход подключен к выходу шестого сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго интегратора, первый вход которого подключен ко второму входу второго блока умножения, выход которого связан с первым входом пятого сумматора, второй вход которого подключен к выходу второго сумматора, второй вход которого соединен со вторым входом второго блока нелинейности, первый вход которого через первый элемент задержки связан с информационным входом первого ключа.