УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОГО ПЕРИОДА УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИМ СОСТОЯНИЕМ ИЗДЕЛИЯ
DEVICE FOR DETERMINATION OF OPTIMAL PERIOD FOR CONTROL OF PRODUCT TECHNICAL CONDITION

Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к устройствам контроля, и может быть использовано в опытно-конструкторских работах и практике эксплуатации изделий, подверженных старению, для определения оптимальных сроков их технического обслуживания.
Известны устройства [3, 4], позволяющие определять оптимальные значения периодов технического обслуживания изделий. Их недостатком является ограниченная область применения, поскольку они не позволяют учитывать фактор старения изделий. Устройства [5, 6] позволяют вычислять значения периодов обслуживания, обеспечивающие получение экстремальных значений эксплуатационно-технических характеристик изделий с учетом фактора их старения. Однако эти устройства не позволяют учитывать разницу в скорости расходования надежностного потенциала при изменении режима функционирования изделия, что снижает точность получаемых результатов. Устройства [7, 8] предназначены для определения оптимальной периодичности контроля и управления техническим состоянием изделий с учетом изменения интенсивности их отказов в зависимости от режима использования. Недостатком устройств [5, 6] является то, что определение значений выходных величин осуществляется без учета фактора старения изделия. По составу функциональных элементов, используемых в заявляемом изобретении, устройства [7, 8] равнозначны, а по составу выходных параметров более близким является устройство [8].
В связи с изложенным, за прототип заявляемого изобретения принято устройство [8], содержащее блок памяти, шесть вентилей, пять сумматоров, мультивибратор, два триггера, два накапливающих сумматора, схему ИЛИ, четыре блока нелинейностей, компаратор, четыре блока умножения, два вычитателя, четыре элемента задержки, четыре элемента памяти, два интегратора и делитель.
Целью заявляемого технического решения является расширение области применения устройства и повышение точности определения значений искомых величин. Цель достигается путем реализации математической модели, позволяющей учитывать зависимость функции отказов от времени и от режима использования изделия. Критерием оптимизации периода технического обслуживания изделия является максимум коэффициента готовности.
Процесс применения значительного числа различных типов изделий имеет циклический характер. Каждый цикл включает в себя работу изделия в номинальном режиме и нахождение в режиме отдыха. На рисунке 1 представлена диаграмма процесса эксплуатации изделия, включающая в себя:
τ - длительность цикла применения изделия (например, одни сутки);
1
И
И
И
1
t=τK - длительность применения изделия в номинальном режиме, K - коэффициент использования изделия по назначению, 0<K<1. При этом интенсивность отказов изделия имеет значение λ;
2
1
2
1
t=τ-t - продолжительность отдыха после применения (например, технические средства предприятий, работающих в одну или две смены, транспортные средства и многое другое). На этом интервале времени интенсивность отказов имеет значение 0<λ<λ [1].
обс
к1
в
к2
к1
к2
1
2
Для поддержания изделия в работоспособном состоянии периодически проводится его техническое обслуживание и затрачивается время τ. При этом выполняется углубленный контроль состояния в течение времени τ, проведение регламентных работ и восстановление работоспособности изделия в случае обнаружения отказа, на что расходуется время τ, а по окончании этих работ проводится контрольная проверка состояния изделия в течение времени τ. Отметим, что контроль технического состояния выполняется в условиях номинального режима работы изделия. Поэтому на интервалах времени τ и τ интенсивность отказов будет равной λ. Для проведения ремонтно-восстановительных работ изделие переводится в режим отдыха, что соответствует интенсивности отказов λ. В связи с изложенным, общая продолжительность технического обслуживания выражается так:
к1
к2
в
где Р(T), Р(τ+τ), Р(τ) - вероятность безотказной работы изделия на соответствующем интервале времени.
<mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1</mn><mo>,</mo><mi>n</mi></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
Длительность периода обслуживания T (рис. 1) включает в себя множество
циклов применения длительностью τ каждый, то есть
ц
Продолжительность T цикла обслуживания изделия составляет
Вероятность безотказной работы изделия на интервале времени T выражается так:
Важным параметром безотказности является интенсивность отказов. Теория и практика эксплуатации широкого класса обслуживаемых изделий показывает, что старение изделий сопровождается увеличением этой интенсивности. Для определения времени безотказной работы таких изделий применим закон распределения Рэлея. При этом интенсивность отказов λ(t) и вероятность безотказной работы изделия P(t) определяются так [2]:
где σ - параметр распределения Рэлея.
В связи с этим имеет место следующее:
ф
Время работоспособного состояния изделия T на интервале времени определяется по формуле
Комплексным показателем качества функционирования является коэффициент готовности, выражаемый следующим соотношением:
Г
Проведенные исследования показывают, что существует период обслуживания, при котором K(T) имеет глобальный экстремум. В связи с этим, задача определения оптимального периода управления техническим состоянием изделия выражается в следующем виде:
Предложенная математическая модель может быть реализована аппаратурно с помощью устройства, схема которого показана на рисунке 2.
Устройство содержит: первый 1, второй 3, третий 20, четвертый 22 и пятый 25 блоки деления, первый 2, второй 4, третий 21 и четвертый 26 блоки нелинейностей, первый 5, второй 6, третий 7, четвертый 9, пятый 19, шестой 24, седьмой 29, восьмой 30 и девятый 31 блоки умножения, первый 8 и второй 11 интеграторы, первый 10 и второй 33 вычитатели, датчик времени (генератор ступенчатого напряжения) 12, первый 13, второй 23, третий 27, четвертый 28 и пятый 32 сумматоры, мультивибратор 14, первый 15, второй 34, третий 37, четвертый 40 и пятый 45 элементы задержки, схему ИЛИ 16, компаратор 17, триггер 18, первый 35, второй 38, третий 41 и четвертый 43 элементы памяти, первый 36, второй 39, третий 42 и четвертый 44 вентили.
Схемы используемых функциональных блоков устройства представления в [9], в частности элементы памяти могут быть построены по схеме 4-5-1, а блоки нелинейностей по схеме 3-4-2.
1
1
2
1
1
2
ф
Г
обс
Процесс решения задачи (13) имеет итерационный характер. В первом цикле работы (i=1) устройства T=τ, T=τ, T=τ-τ, а в каждом последующем цикле происходит увеличение параметров T, T, T согласно (2) и (3). Соответственно этому изменяются значения величин Р(T), T(T), K(T), τ(T).
<mrow><mn>2</mn><msubsup><mi>σ</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow>
<mrow><mn>2</mn><msubsup><mi>σ</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow>
И
в
к1
к2
Перед началом работы устройства исходные данные:
,
, K, τ, τ, τ подаются соответственно на 1, 2, 3, 5, 6, 7 его входы.
i
i
i-1
И
И
1
1
1
2
2
2
2
1
1
2
2
<mrow><msubsup><mi>t</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow>
<mrow><mn>2</mn><msubsup><mi>σ</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow>
<mrow><mrow><mrow><msubsup><mi>t</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow><mo>/</mo><mrow><mn>2</mn><msubsup><mi>σ</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow></mrow></mrow>
<mrow><msubsup><mi>t</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow>
<mrow><mn>2</mn><msubsup><mi>σ</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow>
Работа начинается с приходом на четвертый вход устройства сигнала «Пуск». Этот сигнал поступает на первый вход триггера 18, переводя его в нулевое состояние. В то же время, сигнал «Пуск», пройдя через схему ИЛИ 16, инициирует генерацию ждущим мультивибратором 14 управляющего воздействия, по которому за время Δt приводятся в исходное состояние (обнуляются) первый 2, второй 4, третий 21 и четвертый 26 блоки нелинейностей, а также первый 8 и второй 11 интеграторы. Кроме того, сигнал «Пуск», задержанный первым элементом задержки 15 на время Δt, запускает датчик времени 12. Этот датчик с шагом τ задает в порядке нарастания последовательность возможных значений τ периода технического обслуживания изделия τ=τ+τ, где i=1, 2, 3 …. Начальный сигнал T=τ с выхода датчика времени 12 передается через третий элемент задержки 37 во второй элемент памяти 38, на первые входы третьего сумматора 27 и первого вычитателя 10, а также на второй вход четвертого блока умножения 9. С третьего входа устройства на первый вход блока 9 поступает значение коэффициента использования изделия по назначению K. Результат перемножения K·τ=t с выхода блока 9 передается на вторые входы первого интегратора 8 и первого вычитателя 10, а также на оба входа первого блока умножения 5. Сигнал, соответствующий величине
из блока 5 передается на второй вход первого блока деления 1, на первый вход которого с первого входа устройства поступает сигнал
. Этот сигнал поступает и на первый вход пятого блока деления 25. Выходной сигнал
блока деления 1 передается на первый вход первого блока нелинейности 2, в котором формируется и передается на первые входы третьего блока умножения 7 и первого интегратора 8 значение величины P(t). Выходной сигнал t=τ-t первого вычитателя 10 передается на первый вход второго интегратора 11, а также на оба входа второго блока умножения 6. Результат перемножения
из блока умножения 6 передается на второй вход второго блока деления 3, на первый вход которого, как и на первый вход третьего блока деления 20, со второго входа устройства поступает значение сигнала
. Выходной сигнал второго блока деления 3 передается на первый вход второго блока нелинейности 4, с выхода которого значение величины P(t) передается на вторые входы третьего блока умножения 7 и второго интегратора 11. В блоке умножения 7 формируется сигнал, соответствующий произведению Р(t)·Р(t), и передается на второй вход девятого блока умножения 31. Выходной сигнал второго интегратора 11 передается на второй вход, а выходной сигнал первого интегратора 8 - на первый вход первого сумматора 13. В сумматоре 13 реализуется соотношение (11) и его выходной сигнал передается через второй элемент задержки 34 в первый элемент памяти 35, а также в четвертый блок деления 22 через его первый вход.
в
в
k1
k2
k1
k2
k1
k2
k1
k2
в
k2
в
k2
в
в
k2
в
в
k2
в
k2
в
k1
k2
k1
в
k2
обс
Ц
Г
Г
i
Г
i-1
Г
i
Г
i-1
Г
i
Г
i-1
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mi>в</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow>
<mrow><mrow><mrow><msubsup><mi>t</mi><mi>в</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow><mo>/</mo><mrow><mn>2</mn><msubsup><mi>σ</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow></mrow></mrow>
<mrow><mrow><mrow><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>k</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>k</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mo>/</mo><mrow><mn>2</mn><msubsup><mi>σ</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow></mrow></mrow>
2
В то же время с пятого входа устройства на первые входы четвертого 28 и пятого 32 сумматоров, а также на первый и второй входы пятого блока умножения 19 поступает значение величины τ. Результат перемножения
из блока умножения 19 передается в третий блок деления 20, где формируется и передается на второй вход третьего блока нелинейности 21 величина
. Сигнал, соответствующий величине Р(τ), с выхода третьего блока нелинейности 21 передается на второй вход седьмого блока умножения 29. На первый вход второго сумматора 23 с шестого входа устройства поступает значение величины τ. С седьмого входа устройства на вторые входы четвертого 28 и второго 23 сумматоров передается значение величины τ. Суммарный сигнал τ+τ с выхода сумматора 23 поступает на оба входа шестого блока умножения 24 и на второй вход пятого сумматора 32. Результат перемножения (τ+τ) с выхода шестого блока умножения 24 передается на второй вход пятого блока деления 25. Выходной сигнал
с выхода блока деления 25 поступает на второй вход четвертого блока нелинейности 26, с выхода которого значение величины P(τ+τ) передается на второй вход восьмого блока умножения 30. Сигнал, соответствующий сумме τ+τ, с выхода четвертого сумматора 28 поступает на первый вход седьмого блока умножения 29, выходной сигнал которого (τ+τ)·Р(τ) передается на первый вход восьмого блока умножения 30. В блоке умножения 30 формируется сигнал, соответствующий величине (τ+τ)·Р(τ)·Р(τ+τ), который передается на первый вход девятого блока умножения 31. Выходной сигнал (τ+τ)·Р(T)·Р(τ)·Р(τ+τ) блока умножения 31 поступает на второй вход второго вычитателя 33, на первый вход которого с выхода пятого сумматора 32 приходит сигнал, соответствующий сумме τ+τ+τ. В результате во втором вычитателе 33 формируется согласно (1) значение величины τ, которое передается непосредственно на второй вход третьего сумматора 27 и через пятый элемент задержки 45 на информационный вход четвертого элемента памяти 43. В третьем сумматоре 27 осуществляется вычисление согласно (4) значения времени T, которое передается на второй вход четвертого блока деления 22. В блоке 22 осуществляется вычисление текущего значения K(T) согласно (12), оно передается непосредственно на первый вход компаратора 17, а через четвертый элемент задержки 40 на информационный вход третьего элемента памяти 41 и на второй вход компаратора 17. В компараторе 17 происходит сравнение значений K(T) и K(T). В первом цикле работы устройства выполнится условие K(T)>K(T). Поэтому управляющий сигнал компаратора 17 появится на его первом выходе и через схему ИЛИ 16 поступит непосредственно на вход мультивибратора 14, а через первый элемент задержки 15 - на вход датчика времени 12. При этом на выходе датчика времени 12 будет действовать сигнал, соответствующий величине T=2τ, и процесс вычисления значений искомых величин, т.е. работы устройства, повторится. Так будет продолжаться пока K(T) будет больше либо равным K(T).
Г
i
Г
i-1
ф
Г
обс
Как только при некотором значении T=nτ, n=2,3, … в результате сравнения в компараторе 17 окажется, что K(T)<K(T) управляющий сигнал появится на втором выходе компаратора 17. Этот сигнал переведет триггер 18 в единичное состояние. Его выходной сигнал обеспечит считывание содержимого первого 35, второго 38, третьего 41 и четвертого 43 элементов памяти, откроет вентили 36, 39, 42 и 44, а также переведет датчик времени 12 в исходное (нулевое) состояние. В результате этого вычисленные значения величин T, τ, K, T поступят соответственно на первый, второй, третий и четвертый выходы устройства. На этом работа устройства заканчивается.
Возрастание интенсивности отказов изделия влечет за собой смещение оптимального периода управления техническим состоянием изделия в сторону меньших значений. Поэтому каждое очередное оптимальное значение периода необходимо находить с учетом изменения интенсивности отказов.
Положительный эффект, который дает предлагаемое техническое решение, состоит в том, что устройство позволяет определять значения периодов управления техническим состоянием изделия, обеспечивающие максимально возможную готовность изделия к применению, с учетом увеличения интенсивности отказов изделия в процессе его эксплуатации, а также различия значений этой интенсивности при нахождении изделия в рабочем режиме и в режиме отдыха после применения.
Источники информации
1. Седякин Н.М. Об одном физическом принципе теории надежности. - Известия АН СССР, ОТН, Техническая кибернетика, 1966, №3.
2. Половко A.M. Основы теории надежности. М.: наука, 1964.
3. Гришин В.Д., Зиновьев С.В., Соколов Б.В., Майданович О.В. Патент RU № 2452027. МПК G07C 3/08, 2012.
4. Соколов Б.В., Стародубов В.А., Гришин В.Д., Цивирко Е.Г. Патент RU № 2476935, МПК G07C 3/08, 2013.
5. Гришин В.Д., Павлов А.Н., Михайлов Е.П. Патент RU № 2343544, МПК G07C 3/08, 2009.
6. Гришин В.Д., Кудряшов А.Н., Тимошенко Д.В. Патент RU № 2347272, МПК G07C 3/08, 2009.
7. Соколов Б.В., Гришин В.Д., Зеленцов В.А., Цивирко Е.Г. Патент RU № 2479041, МПК G07C 3/08, 2013.
8. Соколов Б.В., Гришин В.Д., Зеленцов В.А., Майданович О.В. Патент RU № 2476934, МПК G07C 3/08, 2013.
9. Тетельбаум И.М., Шнейдер Ю.Р. 400 схем для АВМ, - М.: Энергия, 1978.