Устройство для определения надежностных и эксплуатационно-технических характеристик изделия

Изобретение относится к устройствам контроля и может использоваться для определения оптимальных значений параметров надежности изделий и вычисления соответствующих значений времени безотказной работы и продолжительности процесса обслуживания изделия. Техническим результатом является расширение функциональных и информативных возможностей устройства за счет вычисления и предоставления в качестве выходных данных значений времени работоспособного состояния и времени технического обслуживания на интервале одного цикла обслуживания изделия. Устройство содержит генератор ступенчатого напряжения 1 и две совокупности функциональных блоков, обеспечивающих решение задачи. Первая совокупность блоков включает первый блок нелинейности 2, первый интегратор 3, первый делитель 4, первый усилитель 5, первый 6 и второй 7 сумматоры и первый блок умножения 8. Вторая совокупность блоков включает второй усилитель 9, третий 10 и четвертый 11 сумматоры, второй блок умножения 12, второй блок нелинейности 13, второй интегратор 14 и второй делитель 15. Устройство также содержит пятый 23 и шестой 24 сумматоры, блок сравнения 16, семь элементов задержки (17, 18, 19, 25, 26, 27, 28) и семь ключей (20, 21, 22, 29, 30, 31, 32). 1 ил.

 

Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к устройствам контроля, и может быть использовано в научных исследованиях и при формировании конструкторских решений, когда требуется находить оптимальные значения интенсивности отказов, обеспечивающие максимально возможную готовность изделий к применению, вычислять время работоспособного состояния и продолжительность процесса обслуживания при заданной стратегии их технического обслуживания. Техническим результатом является расширение функциональных и информативных возможностей устройства.

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], позволяющие определять значения интенсивности отказов, обеспечивающие получение экстремальных значений показателей качества функционирования изделий. Их общим недостатком является низкая точность определения искомых величин в связи с реализацией упрощенных математических моделей функционирования изделий. Известно также устройство [5]. Его недостатком является ограниченность функциональных и информативных возможностей.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство [6], содержащее 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. Оно позволяет определять значение интенсивности отказов, которые при заданном периоде технического обслуживания обеспечивает минимальное значение коэффициента простоя - показателя качества функционирования изделия. Недостатком данного устройства является ограниченность функциональных возможностей.

Целями предлагаемого технического решения является расширение функциональных и информативных возможностей устройства. Цель достигается путем определения и вывода в качестве выходных данных значений коэффициента готовности, времени безотказной работы и продолжительности процесса обслуживания изделия, соответствующих заданному периоду обслуживания и вычисленному значению интенсивности отказов.

Процесс обслуживания изделия носит циклический характер. Средняя продолжительность цикла обслуживания составляет

где τ - период обслуживания изделия;

$${\overline{\tau }}_K$$ - среднее время контроля работоспособности изделия;

$${\overline{\tau }}_{П}$$ - среднее время проведения планово-предупредительной профилактики;

$${\overline{\tau }}_{В}$$ - среднее время аварийно-восстановительных работ;

P(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 $${\overline{\tau }}_{Ф}$$ - среднее время работоспособного состояния;

$${\overline{\tau }}_{О}$$ - среднее время пребывания изделия в отказе.

Значение $${\overline{\tau }}_{Ф}$$ 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. Продолжительность процесса обслуживания изделия составляет

При проведении операций 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 процесса. С учетом (1), (3) и (4) имеем

При экспоненциальном законе распределения времени безотказной работы изделия величина P(τ) выражается так P(τ)=ехр{-λτ}, а соотношение (3) имеет вид $${\overline{\tau }}_{Ф}={\lambda }^{-1}\left(1-e^{-\lambda \tau }\right)$$ .

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. Возрастание интенсивности отказов влечет за собой уменьшение значения оптимального 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:

Полученному значению λ* согласно (3), (4), (5) соответствуют вычисленные значения коэффициента готовности К_Г, времени работоспособного состояния τ_Ф и времени обслуживания τ_ОБС.

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, 23, 24; блоки умножения 8, 12; блок сравнения 16; элементы задержки 17, 18, 19, 25, 26, 27, 28; ключи 20, 21, 22, 29, 30, 31, 32.

Отметим, что в составе устройства имеются две совокупности функциональных блоков, обеспечивающих решение задачи (6):

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

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

Эти совокупности блоков обеспечивают вычисление коэффициента готовности 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 $$K_{Гj}^{\text{(}-\text{)}}\left({\lambda }_j,{\tau }_{ЗАД}-\text{Δ}\tau \right)$$ , а вторая совокупность блоков - $$K_{Гj}^{\text{(}+\text{)}}\left({\lambda }_j,{\tau }_{ЗАД}+\text{Δ}\tau \right)$$ . Процесс функционирования этих совокупностей одинаковый и одновременный.

Вычисленные значения $$K_{Гj}^{\text{(}+\text{)}}$$ и $$K_{Гj}^{\text{(}-\text{)}}$$ используются в работе устройства для определения оптимального значения λ* интенсивности отказов изделия. Вместе с этим осуществляется формирование значений остальных выходных параметров, соответствующих значению λ*.

Устройство работает следующим образом. Генератор ступенчатого напряжения 1 с шагом Δλ задает в порядке нарастания последовательность возможных значений интенсивности отказов λ_j изделия λ_j=λ_j-1+Δλ, j=1, 2, …, λ₀=0. Значение λ_j поступает на первые входы блоков 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 τ_З. Усилители 5 и 9 имеют разные коэффициенты усиления, но такие, что на выходе первого 5 усилителя действует сигнал, соответствующий значению τ_З-Δτ периода контроля и технического обслуживания изделия, а на выходе второго 9 усилителя - τ_З+Δτ. Значение сигнала τ_З-Δτ с выхода первого усилителя 5 поступает на вторые входы первого 6 сумматора и первого блока нелинейности 2. При каждом значении λ_j в первом блоке 2 нелинейности формируется функция $$P_j^{(-)}(t)=\exp \{-{\lambda }_j({\tau }_3-\Delta \tau )\}$$ и передается на вторые входы первого интегратора 3 и первого блока умножения 8. В интеграторе 3 осуществляется интегрирование функции $$P_j^{(-)}(t)$$ на интервале [0, τ_З-Δτ], т.е. формируется текущее значение $${\overline{\tau }}_{Фj}^{(-)}$$ в соответствии с (3). В первом блоке умножения 8 происходит перемножение функции $$P_j{}^{(-)}(t)$$ с величиной $$\left({\overline{\tau }}_{П}-{\overline{\tau }}_{В}\right)$$ , поступившей на первый вход блока 8 со второго входа устройства. Результат перемножения $$P_j{}^{(-)}(t)$$ $$\left({\overline{\tau }}_{П}-{\overline{\tau }}_{В}\right)$$ с выхода блока умножения 8 передается на вторые входы второго сумматора 7 и пятого сумматора 23. Сигнал, соответствующий величине $${\overline{\tau }}_{К}+{\overline{\tau }}_{В}$$ , с первого входа устройства поступает на первые входы первого 6, третьего 10, пятого 23 и шестого 24 сумматоров. В первом сумматоре 6 значение сигнала τ_З-Δτ складывается со значением $${\overline{\tau }}_{К}+{\overline{\tau }}_{В}$$ . Результат сложения передается на первый вход второго сумматора 7. В сумматоре 7 реализуется соотношение (1) и выходной сигнал $${\overline{\tau }}_{Цj}^{(+)}={\tau }_{З}-\Delta \tau +{\overline{\tau }}_{К}+{\overline{\tau }}_{В}+\left({\overline{\tau }}_{П}-{\overline{\tau }}_{В}\right)P_j\text{(}t\text{)}$$ подается на первый вход первого делителя 4. Сигнал $${\overline{\tau }}_{Фj}{}^{(-)}$$ с выхода первого интегратора 3 поступает на второй вход первого делителя 4, в котором вычисляется значение коэффициента готовности $$K_{Гj}^{\text{(}-\text{)}}$$ в соответствии с соотношением (5). Выходной сигнал $$K_{Гj}^{\text{(}-\text{)}}$$ первого делителя 4 подается на второй 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_З+Δτ, т.е. $$K_{Гj}^{\text{(}+\text{)}}$$ . При этом выходной сигнал второго усилителя 9 поступает на вторые входы второго блока нелинейности 13 и третьего сумматора 10. При каждом значении λ_j в блоке нелинейности 13 формируется функция $$P_j^{(+)}(t)=\exp \{-{\lambda }_j({\tau }_3+\Delta \tau )\}$$ и передается на вторые входы второго интегратора 14 и второго блока умножения 12. В интеграторе 14 функция $$P_j^{(+)}(t)$$ интегрируется на интервале [0, τ_З+Δτ], т.е. формируется текущее значение $${\overline{\tau }}_{Фj}^{(+)}$$ в соответствии с (3). Во втором блоке умножения 12 происходит перемножение функции $$P_j{}^{(+)}(t)$$ с величиной $$\left({\tau }_{П}-{\tau }_{В}\right)$$ , поступившей на первый вход блока умножения 12 со второго входа устройства. Результат перемножения $$P_j{}^{(+)}(t)$$ $$\left({\tau }_{П}-{\tau }_{В}\right)$$ с выхода блока умножения 12 передается на вторые входы четвертого 11 и шестого 24 сумматоров. В третьем сумматоре 10 значение τ_З+Δτ складывается со значением $${\overline{\tau }}_{К}+{\overline{\tau }}_{В}$$ . Результат сложения с выхода сумматора 10 передается на первый вход четвертого сумматора 11. В сумматоре 11 согласно соотношениям (1) вычисляется величина $${\overline{\tau }}_{Цj}{}^{(+)}={\tau }_{З}+\Delta \tau +{\overline{\tau }}_{К}+{\overline{\tau }}_{В}+\left({\overline{\tau }}_{П}-{\overline{\tau }}_{В}\right)P_j{}^{\text{(}+\text{)}}\text{(}t\text{)}$$ . Результирующий сигнал с выхода сумматора 11 подается на первый вход второго делителя 15. Сигнал $${\overline{\tau }}_{Фj}^{(+)}$$ с выхода второго интегратора 14 поступает на второй вход делителя 15, в котором вычисляется значение коэффициента готовности $$K_{Гj}^{\text{(}+\text{)}}$$ в соответствии с (5). Выходной сигнал $$K_{Гj}^{\text{(}+\text{)}}$$ второго делителя 15 подается на первый вход блока сравнения 16. В блоке 16 сравниваются между собой вычисленные значения коэффициента готовности: $$K_{Гj}^{\text{(}+\text{)}}$$ и $$K_{Гj}^{\text{(}-\text{)}}$$ . Если окажется, что $$K_{Гj}^{\text{(}+\text{)}}$$ ≥ $$K_{Гj}^{\text{(}-\text{)}}$$ , то управляющий сигнал с первого выхода блока сравнения 16 подается на первые 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 $$K_{Гj}^{\text{(}+\text{)}}$$ и $$K_{Гj}^{\text{(}-\text{)}}$$ повторится, но уже при новом λ_j+1 значении интенсивности отказов. При каждом значении λ_j в пятом сумматоре 23 формируется согласно (4) сигнал, соответствующий вычисленному значению времени обслуживания $${\overline{\tau }}_{ОБС}^{(-)}$$ в шестом сумматоре - значению $${\overline{\tau }}_{ОБС}^{(+)}$$ .

Как только при сравнении в блоке 16 вычисленных значений $$K_{Г}^{\text{(}+\text{)}}$$ и $$K_{Г}^{\text{(}+\text{)}}$$ окажется, что $$K_{Гj}^{\text{(}+\text{)}}$$ < $$K_{Гj}^{\text{(}-\text{)}}$$ , управляющий сигнал со второго выхода блока 16 сравнения поступит на разрешающие входы ключей 20, 21, 22, 29, 30, 31, 32. 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 $$K_{Г}^{\text{(}+\text{)}}\left(\lambda *,{\tau }_{З}+\text{Δ}\tau \right)$$ изделия. На информационном входе третьего ключа 22 действует выходной сигнал первого делителя 4, задержанный третьим элементом задержки 19, соответствующий значению коэффициента готовности $$K_{Г}^{\text{(}-\text{)}}\left(\lambda *,{\tau }_{З}-\text{Δ}\tau \right)$$ изделия. На информационном входе четвертого ключа 29 действует выходной сигнал второго интегратора 14, задержанный четвертым элементом задержки 25, соответствующий вычисленному значению времени работоспособного состояния $${\tau }_{Ф}^{(+)}$$ изделия. На информационном входе пятого ключа 30 действует выходной сигнал шестого сумматора 24, задержанный пятым элементом задержки 26, соответствующий вычисленному значению времени технического обслуживания $${\tau }_{ОБС}^{(+)}$$ изделия. На информационном входе шестого ключа 31 действует выходной сигнал пятого сумматора 23, задержанный шестым элементом задержки 27, соответствующий вычисленному значению времени технического обслуживания $${\tau }_{ОБС}^{(-)}$$ изделия. На информационном входе седьмого ключа 32 действует выходной сигнал первого интегратора 3, задержанный седьмым элементом задержки 28, соответствующий вычисленному значению времени работоспособного состояния $${\tau }_{Ф}^{(-)}$$ изделия. Время задержки элементов 17, 18, 19, 25, 26, 27, 28 одинаковое и соответствует длительности одного цикла вычислений. С выхода первого ключа 20 значение λ* интенсивности отказов, обеспечивающее максимум коэффициента готовности изделия при заданном τ_З периоде технического обслуживания, поступает на первый выход устройства. На второй и седьмой выходы устройства соответственно выдаются значения времени $${\tau }_{Ф}^{(+)}$$ и $${\tau }_{Ф}^{(-)}$$ работоспособного состояния изделия на интервале цикла его обслуживания. На третий и шестой выходы устройства соответственно поступают значения коэффициентов готовности $$K_{Г}^{\text{(}+\text{)}}$$ и $$K_{Г}^{\text{(}-\text{)}}$$ . На четвертый и пятый выходы устройства соответственно выдаются вычисленные значения времени $${\tau }_{ОБС}^{(+)}$$ и $${\tau }_{ОБС}^{(-)}$$ технического обслуживания изделия. На этом работа устройства заканчивается.

Положительный эффект, который дает предлагаемое техническое решение, состоит в том, что устройство, сохраняя возможности прототипа, позволяет обеспечить пользователя расчетными данными о времени безотказной работы и требуемой продолжительности процесса технического обслуживания при заданной периодичности обслуживания. Совокупность выходных данных позволяет формулировать требования к надежности и ремонтопригодности разрабатываемых изделий.

При составлении описания и формулировании изобретения были использованы следующие источники информации:

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

2. Л.П.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. В.Д.Гришин, А.Н.Тимофеев, В.В.Лысак. А.С.СССР № 1732364, М. Кл.⁵ G07C 3/08,1992.

4. Г.Н.Воробьев, В.Д.Гришин, А.Н.Тимофеев. А.С.СССР № 1580414, М.Кл.⁵ G07C 3/08, 1990.

5. В.Д.Гришин, Б.В.Соколов, К.Л.Григорьев, А.В.Гармаш. Патент РФ № 2273881, МПК G07C 3/08, 2006.

6. В.Д.Гришин, А.Н.Павлов, А.Е.Шульгин, А.В.Перегудов. Патент РФ № 2273882, МПК G07C 3/08, 2006.

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

Устройство для определения надежностных и эксплуатационно-технических характеристик изделия, содержащее генератор ступенчатого напряжения, первый и второй блоки нелинейности, первый и второй интеграторы, первый и второй делители, первый и второй усилители, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой сумматоры, первый и второй блоки умножения, блок сравнения, первый, второй и третий элементы задержки, первый, второй и третий ключи, отличающееся тем, что в него введены четвертый, пятый, шестой и седьмой элементы задержки, четвертый, пятый, шестой и седьмой ключи, причем первый вход устройства соединен с первыми входами пятого сумматора и шестого сумматора, второй вход которого подключен ко второму входу четвертого сумматора, а выход через пятый элемент задержки соединен с информационным входом пятого ключа, выход которого является четвертым выходом устройства, пятым выходом которого является выход шестого ключа, информационный вход которого через шестой элемент задержки соединен с выходом пятого сумматора, второй вход которого подключен к выходу первого блока умножения, вторым выходом устройства является выход четвертого ключа, информационный вход которого через четвертый элемент задержки соединен с выходом второго интегратора и со вторым входом второго делителя, второй вход первого делителя соединен непосредственно с выходом первого интегратора, а через седьмой элемент задержки подключен к информационному входу седьмого ключа, управляющий вход которого вместе с управляющими входами четвертого, пятого и шестого ключей соединен со вторым выходом блока сравнения, а выход является седьмым выходом устройства.