Моделирование процессов функционирования и расчёт показателей надёжности систем электрохимической регенерации воздуха судов

Современные технологии - транспорту

63

особых требований не предъявляется. Однако, как в традиционных электрических машинах, бортовая магнитная система возбуждения тягового линейного синхронного двигателя, выполненная на базе «массива Хальбаха», должна создавать в рабочем зазоре магнитное поле, изменяющееся по синусоидальному закону. Удлиненные «массивы Хальбаха» с М = 8 практически обеспечивают требуемую волну. Укороченный, более экономичный вариант «массива Хальбаха» с М = 4 эту задачу не выполняет (рис. 12). Поэтому волна магнитной индукции в рабочем зазоре содержит нечетные гармонические составляющие. Однако их амплитудные значения быстро уменьшаются с ростом рабочего зазора h (рис. 13).

На рис. 14 показано взаимное расположение узлов системы левитации и линейной тяги.

Заключение

Применение в системе магнитодинамической левитации «массивов Хальбаха» и

путевых плоских треков из литцы или ламината обеспечивает существенное снижение начальной скорости перехода транспортного средства в режим левитации. Это позволяет обеспечить перемещение транспортного средства в состоянии левитации в зоне остановочного пункта, двигаясь со скоростью пешехода. Такое техническое решение является особенно привлекательным для городского общественного транспорта, который характеризуется большим количеством остановок по маршруту следования.

Библиографический список

1. Особенности магнитолевитационной технологии для общественного транспорта / А. А. Зайцев, Ю. Ф. Антонов // Известия ПГУПС. - Вып. 3. - 2012. - С. 11-18.

2. General Atomics Low Speed Maglev Technology Development Program (Supplemental #3). Final Report. FTA-CA-26-7025.2005. May 2005.

УДК 51-74

Ю. М. Меркурьев

Военно-морская академия им. адмирала флота Советского Союза Н. П Кузнецова

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И РАСЧЁТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЁЖНОСТИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ РЕГЕНЕРАЦИИ ВОЗДУХА СУДОВ

Рассказывается о применении метода структурных схем для определения показателей надёжности разрабатываемой техники, условиях использования метода при расчёте безотказности систем электрохимической регенерации воздуха судов, теоретических и практических предпосылках допущений о правомочности использования экспоненциального закона распределения времени отказов применительно к системам электрохимической регенерации воздуха судов.

моделирование, надёжность, система электрохимической регенерации воздуха судов.

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2012/4

64

Современные технологии - транспорту

Введение

В научно-исследовательских организациях и конструкторских бюро для определения показателей надёжности разрабатываемой техники в настоящее время применяется метод структурных схем [1, 2].

Метод структурных схем заключается в постепенном преобразовании параллельных и последовательных участков структурной схемы надёжности эквивалентными блоками до сведения её к одному блоку. Основной принцип метода заключается в последовательной постановке вопроса, к какому событию в процессе работы изделия (его элементов) приводит отказ элемента следующего уровня структуры, т. е. в осуществлении анализа «снизу вверх» [3].

Количественные характеристики надёжности (в том числе безотказности) задаются в техническом задании на разработку образца, оцениваются и рассчитываются на различных стадиях проектирования, обеспечиваются в ходе изготовления (техническая надёжность) и реализуются (проявляются, поддерживаются) на всех фазах эксплуатации в конкретных условиях (эксплуатационная надёжность).

Моделирование процессов функционирования системы (объекта) заключается в том, что техническое средство или организационно-техническая система представляется в виде структурной схемы, состоящей из последовательно и (или) параллельно соединённых элементов в зависимости от влияния их отказов на работоспособность системы в целом.

Поскольку тип соединения элементов в структурной схеме определяется видом и характером отказов этих элементов, а также содержанием понятия «отказ системы», структурная схема для расчёта безотказности может не совпадать с технологической схемой.

Использование метода структурных схем при расчёте безотказности систем электрохимической регенерации воздуха считается возможным, если соблюдаются следующие условия:

1. Отказы элементов являются независимыми, а поток отказов ординарным (вероятность появления двух и более отказов одновременно стремится к нулю).

2. Поток отказов является стационарным (вероятность появления отказов системы зависит только от их числа и величины промежутка времени наблюдения, но не зависит от общего времени работы системы). Однако стационарность потока отказов может нарушаться при изменении условий эксплуатации (температура, влажность, вибрация, нагрузки, параметры обеспечивающих систем), хотя для конечных промежутков времени эксплуатации или при незначительных колебаниях условий эксплуатации предположение о стационарности может служить первым приближением.

3. Отсутствует последействие отказов (отказ одного элемента не влияет на безотказность другого). Для сложных систем отказ отдельных элементов может повлиять на надёжность других лишь при наличии постепенных отказов. При мгновенных отказах последействие менее ощутимо (хотя отказ одного элемента и не приводит к потере работоспособности системы в целом, это может привести к изменению режимов работы других элементов, что оказывает отрицательное влияние на безотказность всей системы). Поскольку при эксплуатации систем электрохимической регенерации воздуха преобладают мгновенные отказы и появление одного из них ведёт к отказу всей системы (аварийное отключение), отсутствие последействия отказов для данных систем справедливо.

Показатели безотказности систем электрохимической регенерации воздуха определяются для периода нормальной работы (как наиболее продолжительного по сравнению с периодами приработки и интенсивного износа), в течение которого доминируют внезапные отказы (за счёт перегрузок, хрупкого разрушения, технологических дефектов и т. п.) с примерно постоянной интенсивностью потока отказов) Х(^) ~ const. Интенсивность отказов в этот период зависит от таких факторов, как качество материалов и изготовления, стабильность характеристик

2012/4

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

65

материалов во времени (прокладки, поглотители, изоляторы, нагревательные элементы, диафрагмы, мембраны и т д.), запасов прочности и деталей монтажа, квалификации и ответственности обслуживающего персонала, качества подготовки систем к использованию и мероприятий технического обслуживания.

Для периода нормальной работы и при условии выполнения приведённых выше допущений (независимости, ординарности, отсутствии последствий отказов) используется экспоненциальный закон распределения времени отказов.

Экспоненциальное распределение вероятности безотказной работы является частным случаем распределения Вейбулла, когда параметр формы 5 = 1. Это распределение однопараметрическое, т. е. для записи расчётного выражения достаточно одного параметра X = const. Для этого закона верно и обратное утверждение: если интенсивность отказов постоянна, то вероятность безотказной работы как функция времени подчиняется экспоненциальному закону:

P(t) = e-xt.

Среднее время безотказной работы при экспоненциальном законе распределения интервала безотказной работы выражается формулой:

да

T = j eXtdt

о

1 I.

Заменив в данном выражении величину X величиной обратной среднему времени безотказной работы 1/T получим:

t

P(t) = eTl.

Таким образом, зная среднее время безотказной работы Т1 (или постоянную интенсивность отказов), можно найти вероятность безотказной работы для интервала времени от момента включения объекта до любого заданного момента t.

Необходимо отметить, что вероятность безотказной работы на интервале, превышающем среднее время Т при экспоненциальном распределении будет менее 0,368 (см. рис.):

P(t) = e-1 = 0,368.

P

1

0,8 0,6 0,4 0,2

0 0,5 1 t/T1

Экспоненциальное распределение

Длительность периода нормальной эксплуатации до наступления старения может оказаться существенно меньше T т. е. интервал времени, на котором допустимо пользование экспоненциальной моделью, часто бывает меньше среднего времени безотказной работы, вычисленного для этой модели. Это легко обосновать, воспользовавшись дисперсией времени безотказной работы. Как известно [4, 5], если для случайной величины t задана плотность вероятности f(t) и определено среднее значение (математическое ожидание) T то дисперсия времени безотказной работы находится по выражению

да

Ц = D (T Н( < - T )2 f(t)dt

о

и для экспоненциального распределения она рассчитывается следующим образом:

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2012/4

66

Современные технологии - транспорту

да да

D (T) = - J (t - T1 )2 P'(t )dt = J (t - T1 )\e-xtdt. 0 0

После преобразования получим:

D (T ) = -£ = т2.

Таким образом, наиболее вероятные значения наработки, группирующиеся в окрестности Т1, лежат в диапазоне т =т ± т.

т. е. в диапазоне от t = 0 до t = 2T

Как видно, объект может отработать и малый отрезок времени, и время t = 2T сохранив X = const. Но вероятность безотказной работы на интервале 2Тг крайне низка:

P (2T1) = e^2Tl = exp

- — 2T1

. T \

= e ~2 = 0,135.

Заключение

Теоретические и практические предпосылки допущений о правомочности использования экспоненциального закона применительно к системам электрохимической регенерации воздуха следующие:

- в соответствии с нормативно-технической документацией периодичность мероприятий технического обслуживания находится в пределах 500-5000 ч, в то время как технический ресурс их - 50 000 ч;

- при техническом обслуживании выполняются регламентные и восстановительные работы, заменяются детали с малым ресурсом, что препятствует износу элементов выше допустимого значения, снижает вероятность появления износовых отказов;

- анализ опыта эксплуатации систем электрохимической регенерации воздуха показывает, что внезапные отказы их элементов являются доминирующими, износовые отказы практически отсутствуют.

Модель экспоненциального распределения часто используется для априорного анализа, так как позволяет не очень сложными расчётами получить простые соотношения для различных вариантов рассматриваемой системы. На стадии апостериорного анализа (опытных данных) должна проводиться проверка соответствия экспоненциальной модели результатам испытаний. В частности, если при обработке результатов испытании окажется, что T1 = ^D(T1) , то это является доказательством экспоненциаль-ности анализируемой зависимости.

Библиографический список

1. Надёжность машин и аппаратов химических производств / А. Ф. Зубова. - Л. : Машиностроение, 1971. - 184 с.

2. Основы теории надёжности / А. М. По-ловко. - М. : Наука, 1964. - 446 с.

3. Системный анализ и моделирование опасных процессов в техносфере : учеб. пособие для студентов высших учебных заведений / П. Г. Белов. - М. : Издательский центр «Академия», 2003. - 512 с.

4. Теория вероятностей и её инженерные приложения : учеб. пособие для студентов втузов / Е. С. Вентцель, Л. А. Овчаров. - 3-е изд., перераб. и доп. - М. : Издательский центр «Академия», 2003. - 464 с.

5. Теория надёжности : учебник для вузов / В. А. Острейковский. - М. : Высшая школа, 2003. - 463 с.

2012/4

Proceedings of Petersburg Transport University