Методика выбора показателей надежности АЭС и ПНК

Методические указания

Практическая работа №3

Тема: Методика выбора показателей надежности АЭС и ПНК

 

 

 

"ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ АВИАЦИОННЫХ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ И ПИЛОТАЖНО-НАВИГАЦИОННЫХ КОМПЛЕКСОВ"

 

2007 г.

 

 

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 5

 

Методика выбора показателей надежности АЭС и ПНК

 

Цель работы: Получение практических навыков в методике выбора показателей надежности АЭС и ПНК и их расчет.

Оснащенность:

1. Барзилович Е.Ю. и др. Надежность авиационных систем. – М.: Транспорт, 1989

2. Бурлаков В.И. Надежность авиационной техники. Конспект лекций - Киев, КИИГА 1984

3. Воробьев В.Г. Техническая эксплуатация авиационного оборудования- М.: Транспорт, 1990

4. Павленко В.А. Основы эксплуатации РЭО ЛА. - М.: Воениздат 1983

Предварительная подготовка:

1. Повторение теоретического материала

2. Ознакомление с содержанием практической работы

3. Подготовка бланка отчета.

Порядок выполнения работы:

1. Методика выбора показателей надежности.

При выборе показателей надежности учитывают:

1. Назначение оборудования.

2. Влияние отказов оборудования на безопасность полетов (БП)

3. Наличие функционального или однотипного резерва.

4. Наличие средств встроенного контроля и индикации отказов.

5. Возможность расчета ущерба от отказов, если отказы не влияют на безопасность полетов.

6. Возможность восстановления работоспособности в полете.

7. Влияние отказов на психофизиологическое состояние экипажа

С учетом всей совокупности этих факторов, которые определяют условия принятия решения о выборе показателей надежности, обычно для АО используют следующие показатели:

1. Топ – наработка на один отказ в полете (число отказов, которые наблюдаются за 1000 часов налета) ч.н./отказ.

2. t П - среднее время восстановления работоспособности в полете, как среднее время обнаружения и устранения отказов ч.в./отказ.

3. К г – коэффициент готовности к выполнению плана полета.

4. Р (t П) – вероятность безотказной работы за время t П полета

5. Коr (t П ) – коэффициент оперативной готовности к безотказному выполнению типового полета продолжительностью t П.

При существующей системе информационного обеспечения надежности далеко не все указанные показатели надежности можно оценить, изменить или рассчитать, поэтому наибольшее распространение получило применение показателя 5 с обоснованием выбора численного значения t П для ближне- магистральных, средне- магистральных и дальне- магистральных воздушных судов.

 

2.Основные требования к численным значениям показателей надежности АО

 

При обосновании требований к численным значениям показателей надежности обычно исходят из действующих требований ИКАО к обеспечению безопасности полетов. По требованиям ИКАО вероятность отказа Q(t) оборудования, который может повлиять на БП, должна удовлетворять условию.

Q(t) ≤ 10 - 6

При условии, что выполнение безопасного полета одновременно обеспечивает число Nо наземных систем, то при одинаковых требованиях для любой одной из них допускаемая вероятность отказа должна составлять

Q(t) ≤

 

Коэффициент оперативной готовности к безопасному выполнению типового полета продолжительностью t П :

Ког (t П ) ≥ 1 -

 

3.Методика расчета надежности АО включает следующие типовые этапы:

 

1. Обоснование и выбор исходных данных расчета

2. Выбор эквивалентной схемы расчета надежности

3. Расчет режимов работы и нагрузок АЭС и ПНК.

4. Расчет интенсивности отказов элементов с учетом их режимов работы и нагрузок

5. Расчет суммарной интенсивности отказов проектируемого оборудования и средней наработки на отказ.

6. Расчет коэффициентов влияния отказов элементов на общую интенсивность отказов.

7. Расчет среднего времени восстановления работоспособности АО после отказов элементов.

8. Определение коэффициентов простоя и готовности оборудования.

9. Определение вероятности безопасной работы (отказа) оборудования за время t П типового полета.

10. Определение коэффициента оперативной готовности ( вероятности отказа) за время типового полета.

11. Сравнение фактических значений показателей надежности, полученных в расчете, с требуемыми значениями.

12. Формулировка выводов по результатам расчета надежности:

- «Надежность АО соответствует требованиям»

- «Надежность АО не соответствует требованиям, необходимо принимать меры по повышению надежности»

 

4. Типовой алгоритм обеспечения требуемой надежности АЭС и ПНК.

 

На рис.1 показана типовая структурная схема алгоритма обеспечения требуемой надежности. Она включает 10 блоков. Блоки 1,2 предназначены для подбора необходимых исходных данных для выбора показателей надежности АО (блок 1) и требований к численным значениям этих показателей (блок 2). В основном тут подбирается та нормативно-техническая документация (НТД), которая регламентирует соответствующие действия лиц, принимающих решения: стандарты, правила, рекомендации международных организаций, правительственные решения, межгосударственные соглашения и договора. На основании этих исходных данных осуществляют выбор показателей надежности АО (блок 3) и выполняют обоснование требований к значениям показателей надежности АО (блок 4). В результате расчета надежности (блок 5) определяют фактические значения показателей надежности проектируемого оборудования (блок 6), которые в блоке 8 сравнивают с требуемыми значениями (блок 7). Если требования удовлетворяются, результаты расчета оформляют как результаты обеспечения надежности (блок 10). Если требования не удовлетворены, принимают оптимальное решение относительно способов повышения надежности (блок 9) и повторяют расчет надежности (блок 5) с их применением. Интерационная процедура по циклу 5-6-8-9 продолжается до тех пор, пока требования не будут удовлетворены.Таким образом, процедура обеспечения надежности АО в общем случае носит интерационный циклический характер. Обеспечение требуемой надежности АО показаны на примере. В роли объекта АО выберем бортовую радиостанцию, построенную по функционально-модульному принципу (ФМП). Пример отражает типовой порядок расчета надежности АО, построенный на ФМП.

Современная аппаратура конструируется на основе функционально-модульного принципа (ФМП):

- элементы определенного назначения объединяют в платы, или, как их часто называют, в типовые элементы замены (ТЭЗ);

- ТЭЗы определенного назначения объединяют в блоки (устройство);

- блоки определенного назначения объединяют в системы.

 

 

 


нет

 

Нет Да

 

 

Рис. 1. Структурная схема типового алгоритма обеспечения требуемой надежности АО

 

Такой подход позволяет использовать стандартизацию и унификацию модулей, выполняющих однородные функции (усиление, преобразование и т.п.), удобное компонование запасными модулями, компенсирование функций, типовые алгоритмы контроля работоспособности и поиска неисправностей, обеспечивает и другие преимущества.

Расчет наджености АО, построенный на основе ФМП, носит нерархический характер:

- по интенсивностям отказов и характеристикам времени восстановления элементов расчитывают аналогичные характеристики ТЭЗов;

- по характеру надежности ТЭЗов характеристики надежности блоков;

- по характеру надежности блоков расчитывают регламентированные (выбранные) показатели надежности АО.

5.Обоснование и выбор исходных данных расчета

 

В качестве типовых исходных данных используют данные трех следующих таблиц.

Таблица 1. Данные по интенсивностям отказов блоков для номинального режима.

Таблица 2. Данные по коэффициентам режима эксплуатации блоков.

Таблица 3. Данные по продолжительностям поиска и устранения неисправностей блоков.

Таблица 1 заполняется по справочным данным о надежности для элементов,ТЭЗов и блоков РЭА, которые имеются в литературе для различных типов элементов, ТЭЗов и блоков. Чаще всего, такие таблицы справочных данных приводят по элементам, а по ТЭЗам и блокам получают в результате предварительных расчетов, исходя из принятого функционально модульного принципа построения аппаратуры. Предположим, что найденные с помощью справочной литературы данные для блоков рассчитываемой радиостанции заносим в таблицу 1.

 

Таблица 1. Данные по интенсивностям отказов блоковрадиостанции для номинального режима

 

Текущий номер, i Наименование блока Интенсивность отказов, ٨ 0 · 10 - 6,1/ч
1. Датчик опорных частот 5,433
2. Приемовозбудитель 5,871
3. Усилитель мощности 6,116
4. Согласующее устройство 4,214
5. Блок питания 6,491
6. Пульт управления 4,15

Таблица 2 составляется на основании анализа и прогнозирования условий работы блоков, на этапе проектирования , ее составляет сам разработчик. Таким образом, его субъективная прогнозная оценка условий работы блоков также находит отражение в расчете, конечно же, вместе с возможными ошибками и заблуждениями в оценке условий работы блоков. Результаты принципов уточняются на стадии производственных и эксплуатационных испытаний.

 

Таблица 2. Данные по коэффициентам режима эксплуатации блоков

 

Номер блока Условия и режимы эксплуатации блоков Интегральный коэффициент
i нагрузка температура давление вибрация Кi = П Кij
0,8 1,0 1,0 1,2 0,96
1,2 1,3 1,1 1,0 1,72
1,5 1,2 1,2 1,0 2,16*
1,0 1,0 1,0 1,0 1,0
1,0 1,5 1,0 1,0 1,5
1,0 1,2 1,0 1,2 1,5
  Среднее значение коэффициента режима работы радиостанции Ко=1,46

 

Таблицу 3 составляют на основании результатов модельных (имитационных) экспериментов по поиску и устранению неисправностей, определнных блоков. В том или ином отдельном эксперименте предполагают, что отказал определнный элемент блока, рассматривают признаки его проявления на уровне оценки работоспособности всей радиостанции, процедуры поиска и устранения отказов. При этом оценивают время поиска и время устранения отказов различных элементов этого блока. Для более точных оценок рассматривают 10-20 отказов элементов блока и результаты устредняют. Таким образом, в расчете надежности отражается и субьективная оценка разработчиком будущей эксплуатационной технологичности создаваемой аппаратуры. Для сопостовительного анализа используют различные алгоритмы контроля работоспособности и диагностирования и полученные различные оценки так же усредняют. Результаты прогнозных оценок показателей восстанавливаемости блоков так же как и данные таблицы 1 требуют уточнения при производственных и эксплуатационных испытаниях.

Таблица 3. Продолжительности обнаружения и устранения отказов блоков

i Время обнаружения, Т ОБН. ч. Время устранения, Т УСТР. ч. Время восстановления, Т В ч.
1,5 0,5 2,0
2,0 1,0 3,0
1,0 1,5 2,5
3,0 0,5 3,5
0,5 2,0 2,5
0,3 3,1 3,4

 

Таким образом, будем полагать, что исходные данные по надежности блоков радиостанции подобраны, по ним следует рассчитать выбранные показатели надежности радиостанции, в том числе основной комплексный показатель Ког (t п ).

6.Пример расчета параметров надежности.

1. Расчет режима работы и нагрузок блоков радиостанции и радиостанции в целом

Расчет коэффициентов режимов эксплуатации блоков определим по формуле:

К i = П К i , i = 1 - 6 (1)

Например, для первого блока Кi = 0,8 · 1,0 · 1,0 · 1,2 = 0,96 (см. первую строку табл.2). Аналогично рассчитаем остальные коэффициенты при i = 2 - 6. Результаты расчета интегральных коэффициентов режимов блоков отражены в последнем столбце табл.2. Звездочкой отмечен наиболее нагруженный блок- усилитель мощности. Коэффициент режима эксплуатации всей радиостанции определим как среднее значение коэффициентов режимов блоков (см. седьмую строку табл.2)

Ко =

Следовательно, радиостанция работает в перенапряженном режиме, особого внимания при обеспечении надежности заслуживает облегчение режимов работы усилителя мощности, приемовозбудителя и блока питания.

2. Расчет интенсивностей отказов блоков с учетом их режимов работы

Расчет интенсивностей отказов ٨ip блоков с учетом их режимов работы выполняют по общей формуле:

٨ i p = ٨ i о · Кi ; где i = 1- 6 (2)

где ٨ iо - интенсивность отказов блоков в номинальном режиме (см. данные табл.1). Например, для i = 1

٨ i p = ٨ i о · Кi = 5,433 · 10-6 · 0,96 ≈ 5,22 · 10-6, 1/ч

Аналогично рассчитываем остальные интенсивности при i = 2 - 6, результаты сведем в таблицу 4.

3. Расчет интенсивности отказов и наработки на отказ радиостанции с учетом режимов работы блоков.

Выполним расчет по формуле

(3)

Результат расчета отобразим в последней строке табл.4.

4. Определим интенсивность отказов радиостанции в номинальном режиме работы блоков.

(4)

Таблица 4. Результаты расчета интенсивностей отказов ٨ i p и коэффициентов влияния gi блоков с учетом режимов их эксплуатации

٨ i p = ٨ i о · Кi · 10 - 6, 1/ч g i = ٨ i о/ ٨ р
1 5,22 0,1077
2 10,1 0,2084
3 13,21 0,2726*
4 4,21 0,0869
5 9,74 0,2011
6 5,976 0,1233
Радиостанция

5. Определим коэффициент режима работы радиостанции по увеличению интенсивности отказов по сравнению с номинальной.

(5)

Так как К л ≈ К о, можно считать, что оценка напряженности режима работы радиостанции по К л достаточно точно отражает режим работы радиостанции как перенапряженный.

6. Определим среднюю наработку на отказ радиостанции

ч. (6)

7. Расчет коэффициентов влияния g1 надежности блоков на надежность радиостанций

gi = ; где i = 1- 6 (7)

Результаты расчетов отобразим в третьем столбце Табл.4. Например, при i = 1

gi = (8)

Аналогично рассчитаем g i при i = 2- 6, (см. вторую-шестую строки Табл.4). Коэффициенты влияния подчиняются условию нормировки

(9)

и могут рассматриваться как условные вероятности отказа i - го блока при условии, что произошел отказ радиостанции.

8. Расчет соответствующих Тio среднего времени восстановления Тов радиостанции и удельных весов gi этих составляющих

Составляющие Тio рассчитаем по формуле

Тio = g i · Тi, i = 1 - 6 (10)

Например, при i = 1

Тio = gi · Тi = 0,1077 · 2,0 = 0,215,ч

Аналогично рассчитаем Тiо, при i = 2 - 6

Звездочкой обозначен блок – усилитель мощности – который обладает наихудшей относительной восстанавливаемостью, его «вклад» в Тов составляет 25%

9.Определим среднее время восстановления работоспособности отказавшей радиостанции

(11)

Удельные веса gi, которые характеризуют относительную эксплуатационную технологичность блоков, рассчитаем по формуле

(12)

Результаты расчета сведем в табл.5

Таблица 5. Результаты расчета

i Tij = gi ·Ti, ч gi = Tio/Toв
1 0,215 0,0783
2 0,625 0,2276
3 0,681 0,2480
4 0,304 0,1107
5 0,502 0,1828
6 0,419 0,1526
Среднее время восстановления радиостанции

10.Расчет эксплуатационных коэффициентов Кп и Кг для радиостанции

Коэффициент простоя радиостанции

(13)

Коэффициент готовности радиостанции

(14)

Следовательно, Кг =0,999

11.Определим вероятность безотказной работы радиостанции за время типового полета t П

Предположим, что радиостанция предназначена для средне- магистрального самолета, тогда можно предположить, что t П = 3 ч.

Так как ٨р · t П << 1, то для приближенной оценки вероятности отказа радиостанции в полете можно использовать разложение показателей функции в ряде Маклорена с оставлением двух членов ряда

Р(t П ) = е -λр · tп ≈ 1 - λр · tп ≈ 1 – Q(t П ) (15)

Следовательно, вероятность отказа в полете радиостанции при Кг=1

Q(tп) ≈ λр · tп ≈ 48,46 · 10-6 · 3 ч. ≈ 1,4538 · 10 - 4 ≈ 0,00014538 (16)

Вероятность безотказной работы радиостанции в полете при условии, что Кг=1

Р(tп) ≈ 1- Q(tп) ≈1 - 1,4538 · 10 - 4 ≈ 0,9998 (17)

Следовательно, Р(tп) =0,9998

12.Определим коэффициент оперативной готовности радиостанции за время типового полета t п

Коr (tп) = Кr · Р(tп) ≈ 0,999 · 0,9998 =0,9988 (18)

13. Вероятность отказа в полете радиостанции, которая имеет перед вылетом Коr

QЗ(t П ) ≈ 1 - Р З(tп) = 1 - [ РОВ ( ТОВ ) + Р (t п) ] = 1 - [ λ р ( ТОВ + t П ) ] ≈ 1 - [ 48,46 · 10-6 · ( 2,746 +3) ] ≈ 2,7868 · 10 - 4 (19)

где, Р З(tп) - вероятность безотказной работы в полете радиостанции, которая имеет перед вылетом Коr

РОВ (ТОВ) - вероятность восстановления радиостанции, имеющей перед вылетом Коr ;

Р (t п) - вероятность безотказной работы радиостанции в полете при условии, что Кг =1

14. Сравнение Qз (tп) с допустимым QДОП (tп)

Предположим, что общее число Nо видов РЭО (наземного и бортового), участвующего в обеспечении безопасности полетов по эксплуатационной схеме основного соединения задано и Nо = 2( безопасность полетов обеспечивается за счет исправности двух изделий - рассчитываемой радиостанции на ВС и наземной радиостанции.) Тогда, допустимая вероятность отказа в полете :

Q доп ≤ = 0,5 · 10 - 6 (20)

где Q О - вероятность отказа оборудования по требованиям ИКАО .

Сравним Q ДОП и Q з (tп)

Q з (tп) 2,7868 · 10 - 4

Wg = ‾‾‾‾‾‾‾‾‾ = ‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾ = 553 (21)

Q ДОП 0,5 · 10 - 6

ВЫВОДЫ: Требования ИКАО по обеспечению БП не соблюдаются, необходимо разрабатывать и проводить мероприятия по повышению надежности радиостанции.