Общие понятия теории надежности.

Среди ряда показателей качества электрического аппарата надёжность — основной. Если надежность задана, то расчет должен её подтвердить. Чтобы спроектировать электрический аппарат с экономически оптимальными показателями надежности, необхо­димо провести расчет для ряда вариантов. Оптимальные значения показателей надежности должны быть получены в результате технико-экономических расчетов. Для расчета надежности электрических аппаратов необходимо прежде всего ознакомиться с некоторыми основными понятиями, терминами и определениями из области надежности, соответствующими ГОСТ 27.002—89.

Надежность электрического аппарата — свойство аппарата выполнять заданные функции, сохраняя по времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортиро­вания. Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения аппарата и условий его эксплуатации может включать в себя безотказность, долговечность, ремонтопри­годность и сохраняемость в отдельности или определенное сочета­ние этих свойств как для аппарата в целом, так и для его узлов.

Безотказность — свойство аппарата непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой нара­ботки.

Долговечность — свойство аппарата сохранять работоспособ­ность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов.

Ремонтопригодность — свойство аппарата, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин воз­никновения его отказов, повреждений и устранению их последствий путем проведения ремонтов и технического обслуживания.

Сохраняемость — свойство аппарата непрерывно сохранять ис­правное и работоспособное состояние в течение и после хранения и (или) транспортирования.

Состояние электрического аппарата характеризуется следующи­ми понятиями.

Исправное состояние (исправность)— состояние аппарата, со­ответствующее всем требованиям, установленным нормативно-тех­нической документацией, даже таким второстепенным, как качест­во окраски.

Неисправное состояние (неисправность) — состояние аппарата, противоположное исправному.

Работоспособное состояние (работоспособность) — состояние аппарата, при котором значения всех параметров, характери­зующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям, установленным нормативно-технической докумен­тацией.

Неработоспособное состояние (неработоспособность) — состоя­ние аппарата, противоположное работоспособному.

Предельное состояние — такое состояние аппарата, при кото­ром дальнейшая эксплуатация должна быть прекращена из-за неустранимого нарушения требований безопасности, или неустра­нимого ухода заданных параметров за установленные пределы, или неустранимого снижения эффективности эксплуатации ниже допустимой, или нецелесообразности проведения среднего или ка­питального ремонта. Признаки (критерии) предельного состояния устанавливаются нормативно-технической документацией на дан­ный электроаппарат.

Рассмотрим два события: повреждение и отказ.

Повреждением называется событие, заключающееся в наруше­нии исправности электроаппарата или его узлов вследствие влияния внеш­них воздействий, превышающих уровни, установленные норматив­но-технической документацией на электроаппарат. Повреждение может быть существенным и являться причиной нарушения работоспособности и несущественным, при котором работоспособность аппарата сохраняется.

Отказ — событие, заключающееся в нарушении работоспособ­ности аппарата. Отказы могут быть внезапные и постепенные, не­зависимые и зависимые, перемежающиеся, конструктивные, про­изводственные и эксплуатационные.

Электрические аппараты могут быть восстанавливаемые и невосстанавливаемые, ремонтируемые и неремонтируемые.

Большинство электрических аппаратов может быть отремонтиро­вано. Однако это не означает, что к любому аппарату можно приме­нять термин «восстанавливаемый». Причина в том, что восстанов­ление электрического аппарата должно быть экономически оправда­но. Если стоимость ремонта превышает стоимость изготовления нового аппарата на специализированном электроаппаратостроитель­ном заводе, то такой аппарат считают «невосстанавливаемым». Многие низковольтные электрические аппараты считаются «невосстанавливаемыми».

Наработкой называется продолжительность или объем работы аппарата.

Технический ресурс (ресурс) — наработка аппарата от начала эксплуатации или ее возобновления после среднего или капиталь­ного ремонта до наступления предельного состояния.

Срок службы — календарная продолжительность эксплуатации аппарата или его узлов от начала или ее возобновления после сред­него или капитального ремонта до наступления предельного со­стояния.

Срок сохраняемости — календарная продолжительность хране­ния и (или) транспортирования аппарата в заданных условиях, в течение или после которой сохраняются значения заданных пока­зателей в установленных пределах.

Показатель надежности — количественная характеристика од­ного или нескольких свойств, составляющих надежность аппарата. Эти показатели могут быть единичными или комплексными. Единичный показатель надежности относится к одному из свойств, составляющих надежность аппарата, а комплексный — к несколь­ким свойствам.

Рассмотрим единичные показатели надежности. Безотказность характеризуется следующими показателями. Вероятность безот­казной работы — вероятность того, что в пределах заданной нара­ботки отказ аппарата не возникает; средняя наработка до отказа — математическое ожидание наработки аппарата до первого отказа; интенсивность отказов — условная плотность вероятности возникновения отказа невосстанавливаемого аппарата, определяемая для рассматриваемого момента времени при условии, что до этого мо­мента отказ не возник; параметр потока отказов — плотность ве­роятности возникновения отказа восстанавливаемого аппарата, определяемая для рассматриваемого момента времени; наработка на отказ — отношение наработки восстанавливаемого аппарата к математическому ожиданию числа ее отказов в течение этой на­работки.

Перечисленные показатели безотказности могут быть опреде­лены по статистическим данным об отказах следующим образом.

Вероятность безотказной работы и отказ соответственно будут

и (1).

Здесь N — количество аппаратов в начале испытаний; n_отк(t) —ко­личество аппаратов, отказавших за время t; F(t) —интегральная функция времени работы до отказа.

Следовательно, дифференциальный закон (плотность) распре­деления:

f(t) = Q'{t) = a{t), (2)

где (3) — частота отказов.

Следовательно,

и . (4)

Интенсивность отказов

, (5)

где N_cp - среднее количество аппаратов, исправно работающих в интервале времени .

Нетрудно показать, что

; ; . (6)

Средняя наработка до отказа

, (7)

где t_i – время безотказной работы i-того аппарата.

Средняя наработка на отказ

. (8)

Долговечность характеризуется следующим показателем. Гам­ма-процентный ресурс аппарата — наработка, в течение которой аппарат не достигнет предельного состояния с заданной вероят­ностью процентов:

. (9)

Левая часть уравнения (9) определяется по (1).

Кроме того, используются показатели: средний и назначенный ресурс, гамма-процентный, назначенный и средний срок службы.

Ремонтопригодность характеризуется следующими показате­лями. Вероятность восстановления в заданное время — вероят­ность того, что время восстановления работоспособности аппарата не превысит заданного. При этом под временем восстановления понимается время, затрачиваемое на обнаружение, поиск причи­ны отказа и устранения последствий отказа.

Среднее время восстановления — математическое ожидание времени восстановления работоспособности.

Сохраняемость характеризуется следующими двумя показате­лями: гамма-процентным и средним сроком сохраняемости.

Среди комплексных показателей надежности применительно к электрическим аппаратам представляют интерес следующие пока­затели. Коэффициент готовности — вероятность того, что аппарат окажется работоспособным в произвольный момент времени, кро­ме планируемых периодов, в течение которых использование аппарата по назначению не предусматривается. Коэффициент готов­ности

, (10)

где t_p – наработка на отказ; t_в – среднее время восстановления.

Коэффициент технического использования — отношение мате­матического ожидания времени пребывания аппарата в работоспо­собном состоянии за некоторый период эксплуатации к сумме ма­тематических ожиданий времени пребывания аппарата в работо­способном состоянии, времени простоев, обусловленных техниче­ским обслуживанием, и времени ремонтов за тот же период экс­плуатации. Коэффициент технического обслуживания

, (11)

где t_c – суммарная наработка за рассматриваемый период времени; t_рем – время простоев на ремонт; t_об – время простоев на техническое обслуживание.

Трудоемкость и стоимость технического обслуживания (ремон­та)- также комплексные показатели надежности; они бывают средние и удельные.