Устройство для расчета коэффициента технического использования радиоэлектронных изделий

ТИ
Полезная модель относится к устройствам контроля и может быть использована в научных исследованиях и технике, где требуется определять значения коэффициента технического использования (К) радиоэлектронных изделий (РЭИ) в зависимости от параметров программ их технического обслуживания (ТО) и режимов эксплуатации с учетом периодичности ТО и продолжительности профилактических и послеремонтных проверок функционирования РЭИ, эксплуатируемых в режиме ожидания (РО) применения.
Известны устройства с блоками расчета показателей технической готовности (ПТГ) РЭИ в зависимости от программ технического обслуживания изделий на основе моделей цикла ТО, позволяющих учесть среднюю продолжительность плановых сеансов контроля работоспособности, предупредительной профилактики и аварийно-восстановительных работ в процессе ТО [Патенты РФ №№2279712, 2310913, 2429543, 2342706].
ТИ
Недостатком данных устройств является использование неточных моделей цикла ТО, не учитывающих режим проверок функционирования изделий (ПФИ) и отсутствие возможности расчета К.
Известны устройства, позволяющие рассчитывать ПТГ РЭИ с учетом пребывания изделий в работоспособных и неработоспособных состояниях в РО, а также периодичности сеансов контроля и технического обслуживания изделий [Авт. св. СССР №№1059593, 1439644, 1580414, 1617453, 1661812, 1679512, 1837338, Патенты РФ №№2071118, 2228541].
ТИ
Недостатком данных устройств является использование приближенных моделей функционирования и эксплуатации изделий, не учитывающих ПФИ, и отсутствие возможности расчета К РЭИ.
ТИ
Известны устройства с функцией расчета К РЭИ [Патенты РФ №2604437, №2701484], позволяющие учесть в цикле ТО операцию проведения в режиме поддержания готовности (РПГ) испытаний изделия на функционирование после контроля (К) и плановой предупредительной профилактики (ППП) в процессе периодического технического обслуживания (ПТО) или аварийно-профилактического ремонта (АПР) перед переводом изделия в режим ожидания (РО).
ТИ
Недостатком данных устройств является сравнительно высокие сложность и объем вычислительных процедур расчета К.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является устройство для определения рациональной программы технического обслуживания и эксплуатации изделия [Патент РФ №2728955], содержащее генератор импульсов, реверсивный счетчик времени, счетчик с коэффициентом пересчета семь, устройство расчета, хранения и выдачи вероятности безотказной работы изделия, первое и второе устройство расчета, хранения и выдачи вероятности отказа изделия, дешифратор, блок расчета суммы бесконечно убывающей прогрессии, первый и второй накапливающий сумматор, первый, второй и третий сумматоры, первый, второй, третий, четвертый и пятый блоки умножения, блок сравнения, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой блоки деления, блок элементов ИЛИ, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой блоки элементов И, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой седьмой, восьмой, девятый, десятый и одиннадцатый регистры для записи исходных данных, выходной регистр, элемент ИЛИ.
ТИ
Недостатком данного устройства является высокая сложность устройства расчета К.
ТИ
И
Цель полезной модели - создание устройства, позволяющего проводить расчет К при заданных периоде обслуживания (интервал времени между очередными ТО) изделия τ и длительности ПФИ τ, при этом упростить устройство за счет применения более простого алгоритма расчета.
ТИ
И
Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее блок расчета К для пары τ и τ, введены блок расчета, хранения и выдачи вероятности сохранения работоспособного состояния изделия, блок расчета среднего времени сохранения работоспособного состояния изделия со своими связями, обеспечивающими работоспособность устройства.
ТИ
И
Техническим результатом настоящей полезной модели является упрощение устройства и повышение быстродействия. Дополнительно также обеспечивается расширение арсенала технических средств, предназначенных для расчета К по заданным параметрам τ и τ.
ТИ
Математическая модель, положенная в основу расчета К, базируется на следующих понятиях, определениях, частных моделях и математических соотношениях.
ТИ
Коэффициент технического использования К, в соответствии с [ГОСТ Р 27.002-2009. Надежность в технике. Термины и определения] представляет собой (в области надежности в технике) долю времени нахождения изделия в работоспособном состоянии относительно общей продолжительности эксплуатации в заданном интервале времени, включая все виды технического обслуживания.
И
И
И
Модели цикла ТО представляют собой математические соотношения для определения средней продолжительности цикла обслуживания, включающие период обслуживания (интервал времени между очередными ТО) изделия τ, среднее время проведения контроля работоспособности (), среднее время проведения плановой предупредительной профилактики (), среднее время осуществления аварийно-восстановительных (аварийно-профилактических) работ (), длительность τ ПФИ, вероятность Р(τ) сохранения работоспособного состояния изделия за время τ и вероятность Р(τ) безотказного прохождения ПФИ в течение времени τ.
Между сеансами обслуживания изделие может сохранять работоспособное состояние в течение среднего времени , или переходить в неработоспособное состояние и оставаться в нем среднее время  до начала контроля, при этом ,
где: P(t) - вероятность сохранения в РО работоспособного состояния изделия за время t (0 ≤ t ≤ τ).
ТИ
Необходимо определение К РЭИ на основе использования модели цикла ТО, учитывающей основные состояния изделия в РО, при ПТО и ПФИ.
Во время проведения операций ТО (К, ПТО, АПР) РЭИ не готово к немедленному применению по целевому назначению.
К состояниям готовности РЭИ относятся:
1) режим поддержания РЭИ во включенном состоянии, включая ПФИ, в готовности к целевому использованию, обозначенный как РПГ;
2) пребывание РЭИ в работоспособном состоянии в режиме ожидания, т.е. в РО, при этом изделие находится в полностью выключенном состоянии.
Применение РЭИ возможно:
1) из РПГ (ПФИ) по команде;
2) из РО с переводом по команде в РПГ, поддержанием в течение определенного периода времени готовности в этом режиме и выполнением по команде изделием целевых задач из РПГ;
3) из РО с переводом РЭИ по команде в РПГ и немедленным выполнением целевых задач после перевода в РПГ.
В первом режиме, т.е. в РПГ, при возникновении отказа изделия возможно его немедленное выявление и поступление РЭИ на восстановление.
Во втором режиме, т.е. в РО, возникающие в РО отказы устраняются только при наступлении очередного сеанса контроля К при периодическом ТО. При этом возможно в промежутке между ТО состояние необнаруженного отказа РЭИ.
Структурная модель состояний и переходов РЭИ представлена на рисунке (Фиг. 1).
Основным режимом эксплуатации периодически контролируемого РЭИ является режим ожидания применения. В режиме ожидания изделие находится в выключенном состоянии. За время τ между очередными проверками изделие среднее время  может находиться в работоспособном состоянии (в готовности к применению), либо отказать и среднее время  находиться в неработоспособном состоянии.
По истечении времени т изделие переводится в режим контроля работоспособности, который осуществляется в среднем за время . По результатам контроля работоспособное изделие переводится в режим периодического технического обслуживания. Вероятность осуществления данного перехода равна Р(τ).
Неработоспособное (отказавшее за время пребывания в РО) изделие поступает в аварийно-восстановительный (профилактический) ремонт. Вероятность осуществления данного перехода по результатам контроля равна Q(τ) = 1-Р(τ),
где: Q(τ) - вероятность отказа изделия за время τ.
Работоспособное изделие в режиме ПТО находится среднее время . По окончании ПТО осуществляется проверка функционирования изделия.
После проведения АПР в течение среднего времени , завершаемого восстановлением работоспособного состояния изделия и проведением необходимых профилактических операций, РЭИ переводится в режим РПГ (ПФИ).
И
пфи
РО
Из РПГ при успешном проведении ПФИ за время τ с вероятностью  изделие переводится в режим ожидания. В состоянии ПФИ изделие испытывается в рабочем режиме, в некоторых случаях - с максимальной нагрузкой, поэтому интенсивность отказов РЭИ в этом режиме (λ) значительно больше, чем интенсивность отказов при пребывании РЭИ в режиме хранения в состоянии РО (λ).
И
При возникновении с вероятностью  отказа РЭИ за время испытаний τ изделие переходит в состояние ремонта с последующим возвращением в состояние ПФИ до успешного прохождения и завершения испытаний.
Состояниями готовности к применению РЭИ в цикле ТО являются сохранение изделием работоспособного состояния в режиме ожидания в течение времени  и его функционирование с сохранением работоспособного состояния в режиме ПФИ (РПГ).
Эти две составляющие цикла ТО относятся к времени полезного использования изделия.
Из состояний контроля К, проведения ПТО и осуществления АПР изделие не планируется к использованию по назначению (применению), поэтому временные составляющие , ,  не учитываются во времени полезного использования РЭИ.
Средняя продолжительность цикла обслуживания определяется следующим образом [Патент РФ №2728955]. Уравнение цикла ТО представляется в виде:
где: τ - период контроля (время между очередными периодическими обслуживаниями);
- средняя продолжительность контроля;
- средняя продолжительность предупредительной профилактики;
Р(τ) - вероятность сохранения работоспособного состояния РЭИ за время τ;
- средняя продолжительность АПР;
И
И
F(τ) - функция, зависящая от времени τ ПФИ.
И
Функция F(τ) с учетом возможных циклических переходов РЭИ из состояния ПФИ в состояние АПР и обратно с точностью до трех циклов представляется следующим уравнением:
где:
И
- среднее время сохранения для РЭИ работоспособного состояния при испытаниях в режиме ПФИ в течение времени τ.
Величина  равняется:
И
С учетом группирования членов выражения (2) относительно τ,  и  получаем:
И
И
И
И
где: А(τ), В(τ), С(τ) - функции τ.
И
Функция А(τ) имеет вид
И
Функция В(τ) представляется в виде:
И
Функция С(τ) имеет следующий вид:
Последовательность величин , ,  в выражениях (5), (6), (7) образует убывающую геометрическую прогрессию со знаменателем .
Оценка для суммы S бесконечно убывающей прогрессии , ,  представляется в виде:
И
С учетом (8) получаем выражение для F(τ):
Преобразуя выражение (1) с учетом соотношения (9), получим уравнение цикла ТО в виде:
ТИ
И
Уравнение для оценки К за цикл ТО при величинах , τ и , засчитываемых как полезное время функционирования (нахождения в работоспособном состоянии) РЭИ, имеет вид:
где:
Функции P(t), , могут быть заданы аналитически или в виде гистограмм с любой требуемой точностью квантования функций.
Пример гистограммы для задания функции P(t) приведен на рисунке (Фиг. 2).
Теоретическая зависимость P(t) в общем случае подчиняется следующим условиям.
Значение функции P(t) при t=0 равно P(t=0)=l. При t→∞ функция P(t) стремится к нулю, т.е. P(t→∞)→0.
i
Гистограммой функция P(t), исходя из требуемой точности ее определения, задается при t > 0 для моментов времени τ (, где N - число значений P(t) через интервалы времени Δτ).
Величина N переменная, может принимать значения 1, 2, 3 и т.д., при этом каждый определенный период τ включает в себя целое число N интервалов времени Δτ, т.е. τ=NΔτ.
Функция  в виде гистограммы задается аналогично и подчиняется тем же граничным условиям.
И
Аналогично P(t) функция  задается при t > 0 для моментов времени , где  - число значений  через интервалы времени τ).
И
И
Точно так же, как и N, величина  переменная, может принимать значения 1, 2, 3 и т.д., при этом каждый определенный интервал времени τ включает в себя целое число N интервалов времени Δτ, т.е. .
ТИ
Для систем военного назначения целесообразно использовать оценку К снизу в целях обеспечения гарантированного значения коэффициента технического использования.
ТИ
В оценку величины К по формуле (11) входят величины  и , которые должны определяться интегрированием по выражениям (3), (12) или суммированием с учетом возможности задания функций  и P(t) гистограммами.
ТИ
Для оценки снизу К при задании функции  гистограммой выражение (3) преобразуется следующим образом.
Выражение  заменяется уравнением
ТИ
Для оценки снизу К при задании функции P(t) в виде гистограммы выражения (11), (12) преобразуются следующим образом.
Выражение  заменяется уравнением
ТИ
И
Для сокращения вычислений при оценке величин  и , входящих в выражение (11), для расчета К, в зависимости от управляемых параметров τ и τ соответственно могут быть, в качестве исходных данных, определены функции  и .
При наличии точных функциональных зависимостей P(t),  зависимости  и  могут быть определены путем интегрирования с использованием выражений (3), (12).
При задании функций P(t),  гистограммами могут быть получены ступенчатые функции  и .
ТИ
И
РСИ
ТИ
Наличие исходных зависимостей  и  позволит исключить при оценке К операции интегрирования или суммирования при оценке величин  и  для любого заданного значения τ и τ соответственно. Данная модель реализована в предлагаемом устройстве. Устройство для расчета коэффициента технического использования радиоэлектронных изделий (Фиг. 3) содержит блок расчета, хранения и выдачи вероятности  безотказной работы в режиме ПФИ изделия 1, блок расчета вероятности  отказа изделия в режиме ПФИ 2, первый и второй блок деления 3, 5, первый, второй и третий сумматоры 4, 8, 15, блок расчета, хранения и выдачи среднего времени  сохранения работоспособного состояния изделия в режиме ожидания 6, первый, второй, третий и четвертый блоки умножения 7, 10, 16, 18, блок расчета, хранения и выдачи вероятности Р(τ) сохранения работоспособного состояния изделия в режиме ожидания 9, блок расчета среднего времени τ сохранения работоспособного состояния изделия в режиме ПФИ 11, первый, второй и третий регистры для записи исходных данных 12, 13, 14, блок расчета вероятности Q(τ) отказа изделия в режиме ожидания 17. На схеме показаны первый 19 и второй 20 информационные входы устройства расчета К и информационный выход 21.
ТИ
Первый информационный вход 19 подключен к входам блока расчета, хранения и выдачи вероятности безотказной работы изделия 1, к входам блока расчета среднего времени сохранения работоспособного состояния 11 и к входам первого и второго сумматора 4, 8, выходы блока расчета, хранения и выдачи вероятности безотказной работы изделия 1 подключены к входам блока расчета вероятности отказа изделия 2 и входам делителя первого блока деления 3, выходы блока расчета вероятности отказа изделия 2 соединены с входами делимого первого блока деления 3, выходы которого подключены к входам первого и третьего блоков умножения 7, 16, второй информационный вход 20 подключен к входам блока расчета, хранения и выдачи среднего времени сохранения в режиме ожидания работоспособного состояния изделия 6, к входам блока расчета, хранения и выдачи вероятности сохранения в режиме ожидания работоспособного состояния изделия 9 и к входам второго сумматора 8, выходы блока расчета, хранения и выдачи среднего времени сохранения в режиме ожидания работоспособного состояния изделия 6 соединены с входами первого сумматора 4, выходы блока расчета, хранения и выдачи вероятности сохранения в режиме ожидания работоспособного состояния изделия 9 соединены с входами блока расчета вероятности отказа изделия в режиме ожидания 17 и с входами второго блока умножения 10, выходы которого соединены с входами второго сумматора 8, выходы блока расчета среднего времени сохранения работоспособного состояния изделия в режиме испытаний 11 подключены к входам третьего сумматора 15 и входам первого блока умножения 7, выходы которого соединены с входами первого сумматора 4, выходы которого подключены к входу делимого второго блока деления 5, выходы третьего сумматора 15 соединены с входами третьего блока умножения 16, выходы которого соединены с входами второго сумматора 8, выходы первого регистра для записи исходных данных 12 соединены с входами второго блока умножения 10, выходы второго регистра для записи исходных данных 13 соединены с входами третьего сумматора 15 и с входами четвертого блока умножения 18, выходы которого подключены к входам второго сумматора 8, выходы блока расчета вероятности отказа изделия в режиме ожидания 17 соединены с входами четвертого блока умножения 18, выходы третьего регистра для записи исходных данных 14 соединены с входами второго сумматора 8, выходы которого подключены к входам делителя второго блока деления 5, выходы которого являются выходами 21 блока расчета К.
Работает устройство для расчета коэффициента технического использования радиоэлектронных изделий следующим образом.
В исходном состоянии в регистры 12, 13, 14 записываются соответственно средняя продолжительность предупредительной профилактики , средняя продолжительность АПР  и средняя продолжительность контроля .
И
И
Работа устройства начинается с подачи на входы 19, 20 устройства пары параметров τ и τ. При поступлении на информационные входы 19, 20 значений τ и проводится расчет коэффициента технического использования следующим образом.
И
Значение τ с входа 19 поступает на входы блока расчета, хранения и выдачи вероятности безотказной работы изделия 1, на входы блока расчета среднего времени  безотказного функционирования 11 и на входы первого и второго сумматоров 4, 8.
Блок расчета, хранения и выдачи вероятности безотказной работы изделия 1 в зависимости от исходных данных работает в различных режимах. Например, если заданы вероятности безотказной работы изделия в виде гистограммы статистических данных, то данное устройство выполнено в виде блока памяти, в котором записаны данные по вероятностям безотказной работы изделия. При подаче на вход текущего времени на выходе будет вероятность безотказной работы изделия, соответствующая данному времени. Если вероятность безотказной работы изделия задана в виде зависимости от времени, то, исходя из поступившего кода времени, проводится расчет вероятности безотказной работы изделия за заданное время.
И
С выхода устройства расчета, хранения и выдачи вероятности безотказной работы изделия 1 вероятность безотказной работы изделия поступит на вход блока расчета вероятности отказа Q(τ) 2 и вход делителя  блока деления 3, на вход делимого которого поступает значение вероятности отказа из блока 2.
Одновременно значение τ с входа 20 поступает на входы блока расчета, хранения и выдачи вероятности сохранения работоспособного состояния изделия 9, на входы блока расчета среднего времени сохранение работоспособного состояния 6 и на входы второго сумматора 8. Среднее время сохранения работоспособного состояния  из блока 6 поступает на вход первого сумматора 4. С выхода блока 9 вероятность сохранения работоспособного состояния изделия Р(τ) поступит на вход второго блока умножения 10 и вход блока расчета вероятности отказа Q(τ) 17.
С выхода блока 11 среднее время безотказного функционирования  поступит на вход блока умножения 7 и на вход третьего сумматора 15. На второй вход второго блока умножения 10 поступает значение  из регистра 12. В результате на выходе блока умножения 10 будет значение , которое поступает во второй сумматор 8. Значение  из регистра 13 поступает на вход третьего сумматора 15 и вход четвертого блока умножения 18. Значение  из регистра 14 поступает на вход второго сумматора 8. С выхода третьего сумматора 15 значение  поступит на вход третьего блока умножения 16, на второй вход которого поступает значение , где . С выхода третьего блока умножения 16 значение  поступает во второй сумматор 8. Значение S поступает также на вход первого блока умножения 7, с выхода которого результат  поступит на первый сумматор. С выхода первого сумматора значение  поступит на вход делимого второго блока деления 5, на вход делителя которого поступит течение .
ТИ
ТИ
И
В результате деления на выходе блока деления 5 будет значение К, которое поступит на выход 21 устройства. На этом работа устройства будет закончена. В результате на выходе 21 будет К для пары параметров τ и τ.
ТИ
И
Таким образом, поставленная цель полезной модели - упрощение устройства и повышение быстродействия за счет применения более простого метода расчета К для сочетания величин τ и τ - достигнута.
Сущность предложенной полезной модели как технического решения выражается в совокупности существенных признаков, достаточной для решения указанной проблемы и получения обеспечиваемого полезной моделью технического результата.
Приведенные признаки полезной модели относятся к существенным, т.к. они влияют на возможность решения указанной технической проблемы и получения технического результата, то есть находятся в причинно-следственной связи с указанным результатом.
Техническим результатом настоящей полезной модели является упрощение устройства и повышение быстродействия. Дополнительно также обеспечивается расширение арсенала технических средств, предназначенных для расчета коэффициента технического использования радиоэлектронных изделий.