Резервирование

Резервированием называется метод повышения надежности путем включения резервных элементов конструкции при разработке технической машины или при ее эксплуатации.

Основным параметром резервирования является его кратность. Под кратностью резервирования понимается отношение числа резервных элементов расчета к числу резервируемых (основных).

В зависимости от метода и кратности резервирования, а также от способа включения и состояния резерва резервирование можно разделить на резервирование:

- с целой и дробной кратностью,

- общее и раздельное (или поэлементное),

- с постоянно включенным резервом и с замещением при «холодном», «теплом» и «горячем» его состоянии.

Резервированием с целой кратностью называется такое резервирование, при котором для нормальной работы резервированного соединения достаточно, чтобы исправным был хотя бы один элемент расчета.

При резервировании с дробной кратностью нормальная работа резервированного соединения возможна при условии, если число исправных элементов не меньше необходимого для нормальной работы. Кратность резервирования определяется из соотношения

,

где – общее число элементов расчета резервированного соединения, – число элементов, необходимое для нормальной работы соединения, – число резервных элементов.

В первом случае кратность резервирования всегда равна числу резервных устройств.

В общем случае является числом дробным. Однако может оказаться, что при делении величины на кратность резервирования получается числом целым. Так как одно и то же может получиться при различных значениях и , то кратность резервирования следует записывать в виде простой дроби без сокращения.

Так, например, если записано , то это означает, что здесь имеет место резервирование с дробной кратностью, причем для нормальной работы соединения необходимо не менее двух элементов, а число резервных элементов равно четырем. Записать в данном случае 2 нельзя, так как такая запись означает, что имеет место резервирование с целой кратностью, причем число резервных элементов равно двум, а общее число элементов соединения равно трем.

Совершенно очевидно, что сокращение дроби также нельзя делать потому, что всякое сокращение меняет смысл резервирования.

Резервирование с дробной кратностью на практике встречается очень часто. Приведем примеры подобного резервирования.

К резервированию с дробной кратностью относится также резервирование со скользящим (плавающим) резервом. При таком резервировании любой из резервных элементов расчета может замещать любой элемент основной машины. После замещения этот резервный элемент становится основным и при отказе может быть замещен любым из оставшихся резервных элементов до включительно.

Реализация такого резервирования в большинстве случаев возможна только тогда, когда имеется устройство (например, автомат надежности), позволяющее отыскать неисправный элемент и подключить вместо него резервный. Это является существенным недостатком такого резервирования. Другой его недостаток состоит в том, что его осуществление возможно лишь при однотипности элементов.

Важным достоинством резервирования со скользящим резервом является то, что по сравнению с другими методами резервирования оно дает наибольший выигрыш надежности (при идеальном автомате надежности).

При резервировании с дробной кратностью определенное число резервных элементов приходится на несколько основных.

При резервировании с целой кратностью то же число резервных элементов приходится только на один основной элемент. Поэтому при прочих равных условиях резервирование с дробной кратностью дает меньший выигрыш надежности, чем резервирование с целой кратностью, т. е. для обеспечения высокой надежности машины в данном случае необходимо иметь большую избыточность. Это положение не распространяется на резервирование со скользящим резервом.

Каждый из рассмотренных видов резервирования можно осуществить либо резервируя всю систему в целом, либо ее отдельные части. Отсюда два метода резервирования – общее и раздельное (поэлементное).

При общем резервировании с целой кратностью отказ резервированной машины наступает при отказе элементов (предполагается, что отказ основной или любой резервной машины наступает при отказе одного элемента). При раздельном резервировании отказ машины наступает при отказе того же числа элементов, но принадлежащих к одному резервному соединению. Так как отдельное резервное соединение менее сложно, чем машина в целом, состоящая из элементов, то вероятность возникновения в нем отказов меньше, чем вероятность возникновения того же числа отказов в сложной системе. Поэтому раздельное резервирование принципиально более выгодно, чем общее. Причем, чем менее сложные элементы резервируются, тем меньше может требоваться избыточность машины. Наиболее выгодно резервировать мелкие детали (сопротивления, конденсаторы, лампы, полупроводники и т. д.).

Следует, однако, иметь в виду, что реализация поэлементного резервирования может привести к существенному увеличению избыточности. Это объясняется в основном двумя причинами – различным характером отказов элементов и низкой надежностью переключателей, которые иногда необходимы для реализации поэлементного резервирования.

Действительно, если элементы имеют два характера отказов – обрыв и короткое замыкание, то ни последовательное, ни параллельное их соединение не дает существенного выигрыша надежности, если вероятности возникновения обрыва и короткого замыкания примерно одинаковы. Это объясняется тем, что при последовательном соединении элементов увеличивается вероятность обрыва, а при параллельном соединении – вероятность короткого замыкания. В этом случае приходится применять либо последовательно-параллельное соединение, либо резервирование с дробной кратностью. А это означает увеличение избыточности машины.

Если для осуществления резервирования необходимы переключатели, то их число будет тем больше, чем более простые элементы резервируются. Так как переключатели относятся к мало надежным элементам, то для повышения надежности машины необходимо существенно повышать надежность самих переключателей, т.е. увеличивать избыточность машины. По этим причинам может казаться, что реализация раздельного резервирования потребует такого увеличения избыточности, что раздельное резервирование по сравнению с общим станет нецелесообразным.

По способу включения резерва, как общее, так и раздельное резервирование может быть с постоянно включенным резервом и с замещением. При постоянно включенном резерве основной элемент и резервные функционируют одновременно, начиная с момента включения в работу.

При включении резерва по способу замещения резервные элементы вступают в работу только после отказа основных элементов. До отказа основного элемента они находятся либо в состоянии хранения, либо в облегченном режиме работы, либо в тех же условиях, что и рабочий.

Достоинство резервирования при постоянно включенном резерве состоит в его простоте, так как в этом случае переключающие устройства не требуются. Его недостаток состоит в том, что при отказе какого-либо одного элемента могут нарушаться режимы работы остальных.

Включение резерва замещением имеет следующие преимущества:

- не нарушаются режимы работы резервных элементов при отказе остальных,

- сохраняется надежность резервных элементов, так как при работе основных элементов они находятся либо в не рабочем, либо в облегченном состоянии,

-имеется возможность использовать один резервный элемент нанескольких рабочих.

Существенный недостаток данного способа резервирования состоит в том, что для его реализации необходимы переключающие устройства. При поэлементном резервировании число переключающих устройств равно числу функциональных основных элементов. Такое большое число переключателей часто не позволяет существенно повысить надежность машины. Резервирование замещением выгодно только при резервировании крупных узлов, блоков, приборов или машины, а при резервировании более простых частей машины или деталей оно целесообразно только при высокой надежности переключающих устройств.