УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННО-ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ИЗДЕЛИЯ ПРИ ОПТИМАЛЬНОМ ПЕРИОДЕ ЕГО ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ
DEVICE TO DETERMINE OPERATING TECHNICAL CHARACTERISTICS OF PRODUCT AT OPTIMAL PERIOD OF ITS MAINTENANCE

Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к устройствам контроля, и может быть использовано в опытно-конструкторских работах и практике эксплуатации, где требуется определять оптимальную периодичность контроля и технического обслуживания изделий и соответствующих этой периодичности значения эксплуатационных характеристик.
Существуют устройства [1, 2], позволяющие определять оптимальные периоды технического обслуживания изделия с учетом различия значений интенсивности отказов в различных режимах (рабочий и отдых) нахождения изделия. Область применения этих устройств ограничена изделиями, интенсивность отказов которых описывается экспоненциальным законом распределения.
Известны устройства [3, 4], позволяющие определять оптимальные периоды технического обслуживания изделий с возрастающей интенсивностью отказов в процессе их эксплуатации. Область применения этих устройств ограничена изделиями непрерывного применения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является устройство [5], содержащее блок деления, четыре блока умножения, четыре блока нелинейностей, два интегратора, шесть сумматоров, три вычитателя, мультивибратор, компаратор, схему ИЛИ, шесть вентилей, четыре элемента задержки, четыре элемента памяти, два триггера, блок памяти, аттенюатор, два накапливающих сумматора. Его недостатком является ограниченная область применения изделий, интенсивность отказов которых описывается так же, как в устройствах [1, 2].
Целью заявляемого технического решения является расширение области применения и повышение точности определения значений выходных параметров изделия.
Цель достигается путем реализации математической модели, позволяющей учитывать изменения во времени функции отказов изделия. Критерием оптимизации периода обслуживания является минимум коэффициента простоя.
1
1
2
1
2
1
Процесс применения многих изделий имеет циклический характер, каждый цикл включает в себя работу изделия в номинальном (рабочем) режиме и в режиме отдыха от применения. На рисунке 1 представлена диаграмма процесса применения изделия, на которой τ - длительность одного цикла применения, где t - длительность функционирования изделия в рабочем режиме. При этом интенсивность отказов изделия имеет значение λ. На интервале t=τ-t изделие находится в режиме отдыха и его интенсивность отказов равна λ<λ [6].
обс
к1
в
к2
Для поддержания изделия в работоспособном состоянии периодически осуществляется его техническое обслуживание, на которое затрачивается время τ. При этом выполняется комплексный контроль состояния изделия в течение времени τ, проведение регламентных работ и восстановление работоспособности изделия в случае обнаружения отказа, на что расходуется время τ. После окончания этих работ проводится контрольная проверка работоспособности изделия в течение τ.
к1
к2
1
2
обс
Отметим, что контроль технического состояния выполняется в условиях номинального режима работы изделия. Поэтому на интервалах времени τ и τ интенсивность отказов будет λ. Для проведения ремонтно-восстановительных работ изделие переводится в режим отдыха, что соответствует интенсивности его отказов λ. В связи с этим, общая продолжительность τ технического обслуживания выражается следующей формулой:
к1
к2
в
где P(T), P(τ+τ), P(τ) - вероятности безотказной работы изделия на соответствующих интервалах времени.
<mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1,</mn><mi>n</mi></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
i
Длительность периода обслуживания T (рисунок 1) включает в себя множество
циклов применения изделия длительностью τ каждый, т.е.
1
при этом суммарная продолжительность T работы изделия в номинальном режиме на интервале времени T будет
а продолжительность нахождения изделия в режиме отдыха
Длительность цикла обслуживания составляет
Подставив (1) в выражение (5) получим
Вероятность безотказной работы изделия на интервале времени T составляет
Важным параметром безотказности является интенсивность отказов λ. Теория и практика эксплуатации широкого класса обслуживаемых изделий показывает, что старение изделий сопровождается возрастанием интенсивности λ. Для определения времени безотказной работы таких изделий применим закон распределения Рэлея. При этом интенсивность отказов λ(t) и вероятность безотказной работы P(t) определяются так [7]
где  - параметр распределения Рэлея. В связи с этим имеет место следующее:
На любом интервале времени t изделие может находиться в одном из состояний:
ф
o
ф
о
t=t+t, где t - время работоспособного состояния; t - время пребывания в отказе.
В течение одного цикла применения изделия по назначению последнее соотношение принимает вид:
Аналогично на интервале режима отдыха будет
Время работоспособного состояния изделия на интервале τ определяется по формуле:
а на интервале времени T его значение будет:
С учетом изложенного, возможное время пребывания изделия на интервале времени T в состоянии отказа выражается следующим образом:
Время, в течение которого изделие не может применяться по назначению (время простоя), составляет:
Важной количественной характеристикой качества изделия является коэффициент простоя. Его значение с учетом (5) и (18) определяется по формуле:
Задача определения оптимального периода технического обслуживания изделия записывается в следующем виде:
Предложенная математическая модель может быть реализована аппаратурно с помощью устройства, схема которого показана на рисунке 2.
Устройство содержит: блоки деления 1, 3, 23, 25, 29; блоки нелинейностей 2, 4, 24, 30; блоки умножения 5, 6, 7, 9, 22, 28, 33, 34, 35; интеграторы 8, 11; датчик времени (генератор ступенчатого напряжения) 14; мультивибратор 12, работающий в ждущем режиме; сумматоры 13, 26, 27, 31, 32, 36; элементы задержки 16, 38, 41, 44; вычитатели 10, 15, 37; блок сравнения 18 (компаратор); схему ИЛИ 17; элементы памяти 39, 42, 45; триггеры 19, 20; вентили 21, 40, 43, 46.
Схемы функциональных элементов устройства представлены в [8].
1
2
обс
n
<mrow><msub><mi>K</mi><mrow><msub><mi>n</mi><mi>i</mi></msub></mrow></msub><mo><</mo><msub><mi>K</mi><mrow><msub><mi>n</mi><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow></msub></mrow>
Процесс определения оптимального решения имеет итерационный характер. Последовательно в каждом i-м цикле работы устройства осуществляется дискретное увеличение периода технического обслуживания T согласно (2), значения величин T и T увеличиваются согласно (3) и (4) соответственно, а τ вычисляется согласно (1). С учетом этого в соответствии с (19) вычисляется значение K(T). Процесс поиска оптимального решения прекращается при выполнении условия
.
Устройство работает следующим образом.
По сигналу «Пуск», поступающему с четвертого входа устройства, первый триггер 19 переключается в нулевое состояние и закрывает вентили 40, 43, 46, а второй триггер 20 переходит в единичное состояние, открывая первый вентиль 21. Кроме того, сигнал «Пуск», пройдя через схему ИЛИ 17, поступает непосредственно на вход мультивибратора 12, а через первый элемент задержки 16 - на первый вход датчика времени 14. Одиночный выходной сигнал мультивибратора 12 передается на вторые входы блоков нелинейностей 2, 4, 24, 30, а также на третьи входы первого 8 и второго 11 интеграторов, переводя их в нулевое состояние.
u
1
u
1
1
2
1
2
ф1
1
ф2
2
ф
0
ф
<mrow><msubsup><mi>t</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>t</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow>
В первом цикле работы устройства датчик времени 14 генерирует сигнал, соответствующий величине T=τ, который передается на первый вход второго вычитателя 15, через третий элемент задержки 41 во второй элемент памяти 42, на четвертый сумматор 31 и на вторые входы четвертого блока умножения 9 и первого вычитателя 10. Со второго входа устройства на первый вход четвертого блока умножения 9 поступает значение коэффициента использования изделия K. Этот коэффициент отражает долю времени τ, равную t, когда изделие должно быть готово к применению по целевому назначению, 0<K<1. Сигнал, соответствующий значению величины t, с выхода четвертого блока умножения 9 передается на первые входы первого интегратора 8, первого вычитателя 10 и на оба входа первого блока умножения 5. Сигнал
с выхода блока умножения 5 поступает на второй вход первого блока деления 1, на первый вход которого, как и на первый вход пятого блока деления 29, с первого входа устройства поступает значение параметра . Выходной сигнал  первого блока деления 1 передается на первый вход первого блока нелинейности 2. Текущее значение величины P, полученное в соответствии с (9), из блока 2 поступает на первый вход третьего блока умножения 7 и на второй вход первого интегратора 8. Разностный потенциал t=τ-t из первого вычитателя 10 передается на первый вход второго интегратора 11 и на оба входа второго блока умножения 6. С третьего входа устройства на первые входы второго 3 и третьего 23 блоков деления поступает значение параметра . Выходной сигнал
второго блока умножения 6 передается на второй вход второго блока деления 3. Частное от деления  с выхода блока деления 3 подается на первый вход второго блока нелинейности 4, в результате чего в блоке 4 вычисляется в соответствии с (10) значение величины P и передается на вторые входы второго интегратора 11 и третьего блока умножения 7. Выходной сигнал t(t) первого интегратора 8 и выходной сигнал t(t) второго интегратора 11 поступают соответственно на первый и второй входы первого сумматора 13. В сумматоре 13 в соответствии с (15) вычисляется значение величины t(τ) и передается на второй вход второго вычитателя 15 непосредственно, а через второй элемент задержки 38 в первый элемент памяти 39. Разностный потенциал t(τ)=τ-t(τ) с выхода вычитателя 15 поступает на первый вход второго сумматора 26.
в
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mi>в</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow>
Параметр τ с пятого входа устройства передается на первые входы пятого 32 и шестого 36 сумматоров, а также на оба входа пятого блока умножения 22. Выходной сигнал
блока умножения 22 поступает на второй вход третьего блока деления 23.
в
к1
к2
к1
к2
к1
к2
в
к2
в
в
к2
к1
к2
2
Значение величины  с выхода блока деления 23 передается на первый вход третьего блока нелинейности 24, выходной сигнал которого P(τ), полученный в соответствии с (12), поступает на второй вход седьмого блока умножения 33. С шестого входа устройства значение параметра τ передается на первый вход третьего сумматора 27, на второй вход которого, как и на второй вход пятого сумматора 32, с седьмого входа устройства поступает значение величины τ. Суммарный сигнал τ+τ с выхода второго сумматора 27 передается на второй вход шестого сумматора 36 и на оба входа шестого блока умножения 28. Результат перемножения (τ+τ) из блока умножения 28 поступает на второй вход пятого блока деления 29, выходной сигнал которого  передается в четвертый блок нелинейности 30. Сигнал τ+τ с выхода пятого сумматора 32 поступает на первый вход седьмого блока умножения 33, в котором формируется и передается на первый вход восьмого блока умножения 34 сигнал P(τ)(τ+τ). Из четвертого блока нелинейности 30 на второй вход восьмого блока умножения 34 поступает значение P(τ+τ).
в
в
к2
к1
к2
1
1
2
2
в
к1
к2
n
Произведение P(τ) (τ+τ)·P(τ+τ) с выхода восьмого блока умножения 34 передается на второй вход девятого блока умножения 35, на первый вход которого из третьего блока умножения 7 приходит значение произведения P(t)·P(t). Результат перемножения с выхода блока 35 передается на второй вход третьего вычитателя 37, на первый вход которого из шестого сумматора 36 поступает значение суммы τ+τ+τ. Выходной сигнал вычитателя 37 поступает на вторые входы второго сумматора 26 и четвертого сумматора 31. Результаты суммирования с выходов второго 26 и четвертого 31 сумматоров передаются соответственно на первый и второй входы четвертого блока деления 25. В блоке 25 формируется в соответствии с (19) текущее значение коэффициента простоя и передается непосредственно в четвертый элемент задержки 44 и на первый вход компаратора 18, а через открытый вентиль 21 - на информационный вход третьего элемента памяти 45 и на второй вход компаратора 18. В первом цикле работы устройства входные сигналы компаратора 18 равны между собой, поэтому управляющий сигнал будет на первом выходе компаратора 18. Этот сигнал переключает второй триггер 20 в нулевое состояние, в результате чего первый вентиль 21 будет закрыт. Кроме того, сигнал с первого выхода компаратора 18, пройдя через схему ИЛИ 17, поступит на вход первого элемента задержки 16, запустит мультивибратор 12 на генерацию очередного управляющего сигнала, приводящего в исходное состояние сопряженные с ним элементы схемы устройства. Выходной сигнал компаратора 18, пройдя через элемент задержки 16, поступит на управляющий вход датчика времени 14. В связи с этим, датчик времени 14 выработает сигнал, соответствующий новому значению времени T. Далее процесс вычисления функции K(T) повторится.
<mrow><msub><mi>K</mi><mrow><msub><mi>n</mi><mi>i</mi></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>K</mi><mrow><msub><mi>n</mi><mi>i</mi></msub><msub><mrow /><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>K</mi><mrow><msub><mi>n</mi><mi>i</mi></msub></mrow></msub><mo>></mo><msub><mi>K</mi><mrow><msub><mi>n</mi><mrow><mi>i</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msubsup><mi>K</mi><mi>п</mi><mo>∗</mo></msubsup></mrow>
ф
В каждом очередном цикле работы устройства будут изменяться значения переменных величин в соответствии с возрастанием значения параметра T. В блоке сравнения 18 будут сравниваться между собой значения
, поступающие с выхода четвертого блока деления 25, и значения
, поступающие с выхода четвертого элемента задержки 44. Как только в компараторе 18 окажется, что
, управляющий сигнал появится на его втором выходе. Этот сигнал переведет первый триггер 19 в единичное состояние, в результате чего датчик времени 14 переключится в нулевое состояние, обеспечивается считывание данных, соответствующих оптимальному периоду T* технического обслуживания изделия, хранящихся в первом 39, втором 42 и третьем 45 элементах памяти, через открытые сигналом первого триггера 19 вентили 40, 43, 46. В итоге на первом выходе устройства будет значение параметра T - времени работоспособного состояния изделия на интервале T*. На втором выходе - оптимальное значение периода технического обслуживания - T*, а на третьем выходе минимальное значение коэффициента простоя
, соответствующее оптимальному периоду обслуживания изделия.
Положительный эффект, который дает предлагаемое техническое решение, состоит в получении расчетных значений периода технического обслуживания, обеспечивающего минимум коэффициента простоя изделия и вычисление времени безотказной работы с учетом возрастания интенсивности отказов изделия.
Значения выходных величин позволяют обоснованно планировать применение и техническую эксплуатацию изделия.
Источники информации
1. Соколов Б.В., Гришин В.Д., Зеленцов В.А., Майданович О.В. Патент RU 2479041, МПК G07C 3/08, 2013.
2. Гришин В.Д., Зиновьев С.В., Соколов Б.В., Майданович О.В. Патент RU 2452027, МПК G07C 3/08, 2012.
3. Гришин В.Д., Павлов А.Н., Михайлов Е.П. Патент RU 2343544, МПК G07C 3/08, 2009.
4. Гришин В.Д., Кудряшов А.Н., Тимошенко Д.В. Патент RU 2347272, МПК G07C 3/08, 2009.
5. Соколов Б.В., Гришин В.Д., Зеленцов В.А., Цивирко Е.Г. Патент RU 2476934, МПК G07C 3/08, 2013.
6. Седякин Н.М. Об одном физическом принципе теории надежности. - Изв. АН СССР, ОТН, Техническая кибернетика. 1966, №3.
7. Половко A.M. Основы теории надежности. - М.: Наука, 1964.
8. Тетельбаум И.М., Шрейдер Ю.Р. 400 схем для АВМ. - М.: Энергия, 1978.