Устройство для определения значений характеристик надежности изделия

Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к устройствам контроля. Техническим результатом является расширение функциональных и информативных возможностей устройства за счет определения и вывода в качестве выходных данных значений продолжительности процесса технического обслуживания и времени простоя изделия, соответствующих вычисленному значению интенсивности отказов. Устройство содержит генератор ступенчатого напряжения, два блока нелинейности, два интегратора, восемь сумматоров, два блока умножения, блок сравнения, семь элементов задержки, два делителя, два усилителя и семь ключей. 1 ил.

 

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 минимум коэффициента простоя изделий, и соответствующие им значения временных параметров процесса 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 рассмотрены подходы к установлению рациональных границ надежности элементов системы, показана неоправданность стремления к максимальной надежности элементов из-за экономической и технической нецелесообразности. Однако в этих работах не рассмотрена существующая связь надежности изделий с параметрами стратегий их технического обслуживания.

Известны устройства [3, 4], позволяющие определить 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, которое при заданном периоде технического обслуживания обеспечивает минимальное значение коэффициента простоя изделия. Недостатком данного устройства является ограниченность функциональных и информативных возможностей.

Целью предлагаемого технического решения является расширение функциональных и информативных возможностей устройства. Цель достигается за счет определения и вывода в качестве выходных данных значений продолжительности процесса технического обслуживания и времени простоя изделия, соответствующих вычисленному значению интенсивности отказов.

При этом возможности прототипа сохраняются. Процес технического обслуживания носит циклический характер. Средняя продолжительность цикла обслуживания выражается соотношением

где - 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 технического состояния изделия проводится 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;

- 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. Продолжительность процесса обслуживания выражается соотношением

При проведении операций обслуживания, а также при нахождении в состоянии отказа изделие не может функционировать по назначению, т.е. изделие простаивает. Время простоя на интервале одного цикла обслуживания 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 (6) коэффициент простоя выражается соотношением

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

Из совместного рассмотрения (7) и (8) следует, что коэффициент простоя существенно зависит от интенсивности отказов λ и периода технического обслуживания изделия τ. 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:

Подставив полученное значение λ* в (8) и далее используя соотношения (4), (5), (7), получаются соответственно вычисленные значения τ_обс, τ_пр, К_п.

Предложенная модель может быть реализована с помощью предлагаемого устройства.

На рисунке 1 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, 25, 26; блоки умножения 9 и 13; блок сравнения 20; элементы задержки 18, 19, 21, 27, 28, 29, 30; делители 5 и 17; усилители 6 и 10; ключи 22, 23, 24, 31, 32, 33, 34.

Отметим, что в составе устройства имеются две совокупности блоков, обеспечивающие решение задачи (9), аналогичные по составу:

1. Первый блок нелинейности 2; первый интегратор 3; первый 4, второй 7 и третий 8 сумматоры; первый делитель 5; первый блок умножения 9 и первый усилитель 6.

2. Второй усилитель 10; четвертый 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_п 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 - Процесс функционирования этих совокупностей одинаковый и одновременный. Поэтому при описании работы устройства ограничимся подробным рассмотрением лишь одной из этих совокупностей.

Вычисленные значения и используются в работе устройства для определения оптимального значения λ^* интенсивности отказов изделия. Вместе с этим осуществляется формирование значений остальных выходных данных, соответствующих значению λ^*.

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, а также на вход первого элемента задержки 18. 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, а на выходе второго 10 усилителя - τ_з+Δτ. Сигнал, соответствующий величине τ_з-Δτ, с выхода первого 6 усилителя поступает на второй вход второго 7 сумматора и на второй вход первого блока 2 нелинейности. При каждом значении 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 первого сумматора 4. В первом блоке 9 умножения выполняется перемножение P_j(t) с величиной , поступающей в блок 9 умножения со второго входа устройства. Входной сигнал, соответствующий величине , поступает также на первый вход второго блока 13 умножения. Результат перемножения с выхода первого блока 9 умножения передается на первый вход третьего сумматора 8 и на второй вход седьмого сумматора 25. Сигнал, соответствующий величине , с первого входа устройства поступает на первые входы второго 7 и четвертого 11 сумматоров, а также на первые входы седьмого 25 и восьмого 26 сумматоров. В седьмом сумматоре 25 в соответствии с (4) вычисляется текущее значение времени

обслуживания изделия и передается на вход седьмого элемента 30 задержки. Во втором сумматоре 7 значение сигнала (τ_з-Δτ) складывается со значением . Результат сложения с выхода второго сумматора 7 передается на второй вход третьего 8 сумматора. В третьем сумматоре 8 реализуется соотношение (1) и выходной сигнал подается на первые входы первого 5 делителя и первого 4 сумматора. Первый 4 сумматор работает в режиме вычитания, в нем в соответствии с (6) реализуется разность , равная времени простоя изделия, и передается на второй вход первого делителя 5 и на вход шестого элемента 29 задержки. В первом делителе 5 вычисляется значение коэффициента простоя в соответствии с соотношением (7). Выходной сигнал первого делителя 5 подается на вход третьего элемента 21 задержки и на первый вход блока 20 сравнения.

Как отмечалось ранее, совокупность блоков с 10 по 17 обеспечивает вычисление функции коэффициента простоя, но при τ_з-Δτ, то есть . Вычисленное значение с выхода второго 17 делителя передается на вход второго элемента 19 задержки и на второй вход блока 20 сравнения. В то же время в восьмом сумматоре 26 формируется и передается на вход четвертого элемента 27 задержки значение а с выхода шестого 16 сумматора на вход пятого элемента 28 задержки поступает сигнал, соответствующий значению величины . 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 , , , , , повторится, но уже при новом λ_j+1 значении интенсивности отказов. Как только выполнится неравенство , управляющий сигнал появится на втором выходе блока 20 сравнения и поступит на разрешающие выходы первого 22, второго 23, третьего 24, четвертого 31, пятого 32, шестого 33 и седьмого 34 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. На информационном входе четвертого 31 ключа действует выходной сигнал восьмого 26 сумматора, задержанный четвертым 27 элементом задержки и соответствующий значению времени обслуживания изделия. На информационном входе пятого 32 ключа действует выходной сигнал шестого 16 сумматора, задержанный пятым 28 элементом задержки и соответствующий значению времени простоя изделия. На информационном входе шестого 33 ключа действует выходной сигнал первого 4 сумматора, задержанный шестым 29 элементом задержки и соответствующий значению времени простоя изделия. На информационном входе седьмого 34 ключа действует выходной сигнал седьмого 25 сумматора, задержанный седьмым 30 элементом задержки и соответствующий значению времени обслуживания изделия. Время задержки элементов 18, 19, 21, 27, 28, 29, 30 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 седьмой выходы устройства с выходов второго 23 и третьего 24 ключей поступают соответственно вычисленные значения и коэффициента простоя. На третий и шестой выходы устройства поступают с выходов четвертого 27 и седьмого 34 ключей соответственно вычисленные значения и времени обслуживания изделия. На четвертый и пятый выходы устройства передаются с выходов пятого 32 и шестого 33 ключей соответственно вычисленные значения и времени простоя изделия. На этом работа устройства заканчивается.

Положительный эффект, который дает предлагаемое техническое решение, состоит в том, что устройство, сохраняя возможности прототипа, позволяет получать расчетные данные времени технического обслуживания и простоя, связанного с возможными отказами, проведением профилактических и ремонтно-восстановительных работ при заданной периодичности обслуживания изделия. Совокупность выходных данных позволяет формулировать требования к надежности и ремонтопригодности разрабатываемых изделий.

При составлении описания и формулировании изобретения были использованы следующие источники информации

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

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

3. Гришин В.Д., Тимофеев А.Н., Лысак В.В., а.с. СССР №1732364. М.Кл⁵ G07C 3/08, 1992.

4. Воробьев Г.Н., Гришин В.Д., Тимофеев А.Н., а.с. СССР №1580414. М.Кл⁵ G07C 3/08, 1990.

5. Гришин В.Д., Соколов Б.В., Гармаш К.Л. Патент РФ №2273881. МПК G08C 3/08, 2006.

6. Гришин В.Д., Павлов А.Н., Шульгин А.Е., Перегудов А.В. Патент РФ №2273882. МПК G08C 3/08, 2006.

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

Устройство для определения значений характеристик надежности изделия, содержащее генератор ступенчатого напряжения, вход которого соединен с первым выходом блока сравнения и со вторыми входами первого и второго интеграторов, а выход подключен через первый элемент задержки к информационному входу первого ключа и непосредственно - к первым входам второго блока нелинейности и первого блока нелинейности, выход которого соединен с первым входом первого интегратора и со вторым входом первого блока умножения, а первый вход связан со вторым входом второго сумматора и с выходом первого усилителя, вход которого соединен с третьим входом устройства и с входом второго усилителя, выход которого связан со вторыми входами второго блока нелинейности и четвертого сумматора, первый вход которого вместе с первым входом второго сумматора подключен к первому входу устройства, а выход соединен со вторым входом пятого сумматора, первый вход которого связан с выходом второго блока умножения, первый вход которого вместе с первым входом первого блока умножения соединен со вторым входом устройства, а второй вход подключен к выходу второго блока нелинейности и к первому входу второго интегратора, выход которого соединен со вторым входом шестого сумматора, первый вход которого связан с выходом пятого сумматора и с первым входом второго делителя, а выход подключен ко второму входу второго делителя, выход которого через второй элемент задержки соединен с информационным входом второго ключа, а непосредственно - со вторым входом блока сравнения, второй выход которого связан с разрешающими входами третьего и второго ключей, а также первого ключа, выход которого является первым выходом, а выход второго ключа -вторым выходом устройства, седьмым выходом которого является выход третьего ключа, информационный вход которого через третий элемент задержки соединен с первым входом блока сравнения и с выходом первого делителя, второй вход которого связан с выходом первого интегратора, а первый вход соединен с первым входом первого делителя и с выходом третьего сумматора, второй вход которого подключен к выходу второго сумматора, а первый вход соединен с выходом первого блока умножения, отличающееся тем, что в него введены седьмой и восьмой сумматоры, четвертый, пятый, шестой и седьмой элементы задержки, четвертый, пятый, шестой и седьмой ключи, причем первый вход устройства соединен с первыми входами седьмого сумматора и восьмого сумматора, второй вход которого связан с выходом второго блока умножения, а выход через четвертый элемент задержки подключен к информационному входу четвертого ключа, выход которого является третьим выходом устройства, четвертым выходом которого является выход пятого ключа, информационный вход которого через пятый элемент задержки подключен к выходу шестого сумматора, седьмой сумматор своим вторым входом соединен с выходом первого блока умножения, а выходом через седьмой элемент задержки связан с информационным входом седьмого ключа, выход которого является шестым выходом устройства, пятым выходом которого является выход шестого ключа, информационный вход которого через шестой элемент задержки соединен с выходом первого сумматора, а управляющий вход вместе с управляющими входами четвертого, пятого и седьмого ключей подключен ко второму выходу блока сравнения.