Технические методы повышения безотказности объектов
Технические методы повышения безотказности зданий и сооружений предполагают введение некоторой избыточности, которая обеспечивает перераспределение нагрузок при отказе одного из элементов конструкции между другими таким образом, что конструкция остается работоспособной. Различают три вида технического повышения уровня надежности — резервирование, зонирование и локализация отказов.
Резервирование предполагает введение в конструкцию дополнительных элементов, дублирующих основные. При отказе любого из элементов конструкции выполнение его функций передается оставшимся работоспособным элементам и конструкция продолжает функционировать.
При зонировании сложная система конструкций или инженерная система разбивается на отдельные зоны, каждую из которых можно отключить от системы без прекращения функциониро-
Рис. 4.20. Метод повышения надежности путем зонирования
объекта теплосети:
1 - источник теплоты; 2 - потребители; 3 - секционирующие задвижки
вания других. Примером зонирования являются существующие способы создания тепловых сетей (рис. 4.20). При отказе любого участка теплосети на время ремонта секционирующими задвижками отказавший участок блокируется и теплоснабжение потребителей происходит в обход отказавшего участка.
Метод локализации отказов предполагает возможность отключения отдельного потребителя от системы без прекращения функционирования после. Примером систем с локализацией отказов являются двухтрубные системы отопления (рис. 4.21). При отказе одного из отопительных приборов он отключается от системы с помощью кранов, установленных на подводках к прибору. Вся система отопления при этом продолжает функционировать. В помещении, где выполняется ремонт отопительного прибора, несколько изменяется температурный режим. Однако за счет теплоаккумулирующей способности помещения при незначительном времени производства работ отклонение температуры внутреннего воздуха от расчетного значения не должно превысить границы допустимого диапазона.
Приведенные технические методы обеспечения надежности объектов различаются между собой только в техническом решении. Расчеты показателей безотказности для всех технических методов одинаковы, поэтому зонирование и локализацию отказов можно рассматривать как частные случаи резервирования объекта.
В зависимости от того, как организована совместная работа основных и резервных элементов, различают следующие типы резервирования: нагруженное, не-нагруженное и частично нагруженное.
Рис. 4.21. Метод локализации отказа: 1 - отопительный прибор; 2 - кран
Нагруженный резерв предполагает одновременную совместную работу основных и резервных элементов. При отказе любого из элементов его функции перераспределяются между другими, оставшимися работоспособными, и объект продолжает выполнять свои функции.
Рассмотрим простейший случай нагруженного резервирования, когда рассматривается статическая модель системы, состоящая из одного рабочего и п резервных элементов (рис. 4.22). При отказе любого из элементов характеристики безотказности остальных не изменяются. Здесь мы имеем классическую схему параллельного соединения элементов, для которой вероятность безотказной работы рассчитывается по формуле (4.8). Такая система остается работоспособной, пока хотя бы один из ее элементов продолжает функционировать.
-0
I-
X
ф
ф
с;
о
ф
-О
х
со
о.
О)
со
0)
О.
Рис. 4.22. Структурная надежностная схема объекта из одного рабочего
и п резервных элементов
Для большинства строительных конструкций работоспособное состояние обеспечивается безотказным состоянием как минимум нескольких элементов.
Структурная схема, представляющая конструкцию, должна состоять из к рабочих и п резервных элементов (рис. 4.23). Отказ конструкции наступает в тот момент, когда происходит отказ (п + 1)-го элемента. Вероятность безотказной работы конструкции вычисляется по формуле
^о) = 1Дт (4.14)
Ык
где N — к + п — общее число элементов системы; 5,(/0) — вероятность того, что к моменту времени ^ в системе из N элементов останутся неотказавшими ровно / элементов.
Пример. Для работоспособного состояния строительной конструкции необходимо, чтобы как минимум два составляющих ее элемента были работоспособными. В целях повышения уровня надежности предложено ввести в состав конструкции еще два дублирующих элемента (рис. 4.24). Известно, что на момент времени /д. вероятность безотказной работы каждого элемента конструкции составляет Д/х) = 0,99. Требуется определить, насколько изменится безотказность конструкции при применении резервирования.
Решение. Если резервирование не предусмотрено, то отказ конструкции произойдет в случае отказа любого из составляющих
Рис. 4.23. Структурная надежностная схема системы из к рабочих
и п резервных элементов
Резервные
элементы
|
п |
||||||
|
1 |
2 |
|||||
- 1
- 2
777777777777777777777777777~у
Рис. 4.24. Иллюстрация примера: а - конструкция из двух элементов; б - надежностная структурная схема конструкции; в - конструкция с двумя резервными элементами
ее элементов. В надежностном плане конструкция представляет собой систему из двух последовательно включенных элементов. По формуле (4.7) вероятность безотказной работы конструкции на момент / равна
д
РснМ = /?('*)• Р20х) = 0,99• 0,99 = 0,9801.
Если в состав конструкции вводятся два резервных элемента, то она останется работоспособной к моменту времени 1Х в одном из следующих случаев:
• все четыре элемента к моменту іх не откажут. Вероятность события, что и первый, и второй, и третий, и четвертый элемент работают безотказно, равна
Ва(*х) - Р(*х) Р2(*х) Ръ(1 х) Р‘(*х) -= 0,99 0,99 0,99 0,99 = 0,9606;
• откажет один из элементов, а остальные будут работоспособны. Вероятность такого события равна
В}(іх) = [РЛО Р2((х)? Рг(*х) (1 - Р4('л))] +
+[Р[(,Х)Р1{1Х)РА(,Х){-Р,(,Х))} +
+{Р,(1Х) Р,(гх) Р4(1Х) (-Р2(1х))]+
цр2ох) рло-р^ а-тм
Поскольку в рассматриваемом примере элементы равнонадежны, то сумму можно упростить:
- 4 • Р?(гх)( 1 - />их)) = 4 • 0,993(1 - 0,99) = 0,0388;
- • из четырех элементов работоспособными останутся ровно два. Вероятность такого события равна
в2их) = [Р,ЧХ) Р2«хИI-Р,ЧХ)•(I-Р4ЧХ))]+
+[Р1их)Р,Ох)(1-Р2(1х)(1-Р3их))]+
+[Р2(1Х)Р3«Х)(-Р,(1Х)(-Р4(1Х))]+
+[р2(1х)р4(>х)(-р1ах)о-р3(о)]+
+[т)Р4«хн'-тоа-р2«х))]
ИЛИ
[р?(1х)? (1 - Р,(1Х))2]? 6 = 0,992 (1 -0,99)2 ? 6 = 0,0006.
По формуле (4.14) получаем вероятность безотказной работы конструкции из двух основных и двух резервных элементов
N
Ртм = X в^х) = 0,9606 + 0,0388 + 0,0006 = 0,999996 .
Ык
Таким образом, в результате резервирования вероятность безотказной работы конструкции увеличилась со значения
РсисЛ) = 0.9801 до Рсист(д = 0,999996.
Если до своего включения в работу резервный элемент практически не может отказывать, то такое резервирование называется ненагруженным. При этом каждый резервный элемент включается в работу в момент, когда откажет последний из предыдущих элементов (последний по времени, а не по номеру).
Если отказ резервного элемента до включения в работу вместо отказавшего основного возможен, но с другой, меньшей плотностью вероятности, чем до включения в работу, то такой резерв называется частично нагруженным.
При рассмотрении задач, связанных с ненагруженным или частично нагруженным резервированием, недостаточно вводить
вероятности безотказной работы для одного заранее фиксированного момента времени t. Необходимо проанализировать весь случайный процесс функционирования объекта (рис. 4.25).
Рис. 4.25. Изменение интенсивности отказов резервного элемента при
отказе основного:
1 - увеличение интенсивности отказов резервного элемента при отказе основного; 2 - вид графика в случае, если бы основной элемент был
работоспособным
