Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

Настоящий проект содержит 108 страниц, 48 рисунков, 14 таблиц, 23 источников.

«Системный анализ и оценка надежности лидарного комплекса по результатам испытаний на этапе отработки опытного образца»

Целью данной работы является разработка системы анализа и оценки надежности лидарного комплекса по результатам испытаний на этапе отработки, разработка системы сбора фактической информации по отказам, числу испытаний, количеству доработок, анализу и классификации информации для ввода ее в программу автоматизированного расчета показателей надежности и оценку эффективности. В пояснительной записке изложены структура и принцип функционирования лидарного комплекса, дан анализ режимов работы и условий эксплуатации. Обоснована структурно-функциональная модель надежности исходя из анализа устройства, действия и технических характеристик мобильного лидарного комплекса для расчета показателей надежности и стратегии сбора информации по отказам. Проведен расчет вероятности безотказной работы и наработки на отказ с использованием «схемы подсистем». Построена диаграмма повышения вероятности безотказной работы для одного из режимов работы комплекса с использованием пакета программ автоматизированного расчета. Дан сравнительный анализ эффективности применения моделей надежности.

СОДЕРЖАНИЕ

РЕФЕРАТ

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

1. КОНСТРУКТОРСКО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ РАЗДЕЛ

1.1 Назначение, устройство и принцип функционирования ЛК

1.1.1 Общие сведения

1.1.2 Устройство ЛК

1.1.3 Тракт приемо-передающий

1.1.4 Сканирующий модуль

1.2 Принцип функционирования, режимы работы и условия эксплуатации

1.2.1 Принципиальная схема функционирования ЛК

1.2.2 Режимы работы комплекса

1.2.3 Внешние факторы воздействия

1.3 ЛК как объект надежности

1.4 Структурно-функциональная модель надежности ЛК

1.5 Анализ ЛК как объекта отработки на надежность

1.6 Анализ математических моделей для оценки надежности ЛК

1.6.1 Биномиальная классическая модель

1.6.2 Биномиальная рекуррентная модель

1.6.3 Биномиальная модель, дифференцированная по причинам отказов

1.6.4 Аппроксимационная модель

1.7 Методика оценки показателей надежности ЛК на этапе отработки

1.8 Расчет ВБР и наработки на отказ ЛК для режима анализа №2

1.9 Программа оценки надежности ЛК по результатам испытаний

1.10 Сравнительный анализ эффективности применения предложенных моделей оценки надежности

3. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

3.1 Расчет себестоимости автоматизированной системы оценки надежности

3.2 Расчет экономического эффекта повышения надежности МЛК

4. ОХРАНА ТРУДА И ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

4.1 Обеспечение требований ОТ и ОС при работе на ПЭВМ.

4.2 Пожарная профилактика помещения кузов-контейнера

4.3 Расчет освещенности

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АСОН - автоматизированная система оценки надежности

ВБР - вероятность безотказной работы

ДВ - длинноволновый

ДПР - дифференциальное поглощение и рассеяние

ЖК - жидко-кристаллический

ЗИП - запасные части, инструменты, принадлежности

ЗО - зависимый отказ

ИК - инфракрасный

КВ - коротковолновый

КД - конструкторская документация

КЕО - коэффициент естественной освещенности

КК - кузов-контейнер

КО - конструкционный отказ

ЛК -лидарный комплекс

НДГ - нижняя доверительная граница

НЗО - независимый отказ

НПО - неповторяющийся отказ

НТД - нормативно-техническая документация

НУО - неустранимый отказ

ПДУ - предельно допустимые уровни

ПН - показатели надежности

ПО - повторяющийся отказ

ПЭВМ - персональная электронно-вычислительная машина

ПЭУ - правила электроустановок

РМ - рабочее место

СЛСН - структурно-логическая схема надежности

СМ - сканирующий модуль

ССБТ - система стандартов безопасности труда

СТС - сложная техническая система

ТД - техническая документация

ТЗ - техническое задание

ТО - техническое обслуживание

ТПП - тракт приемо-передающий

ТТЗ - тактико-техническое задание

ТТЛ - твердотельный лазер

ТТХ - тактико-технические характеристики

ТУ - технические условия

УО - устранимый отказ

УФ - ультрафиолетовый

ФПУ - фотоприемное устройство

ЭД - эксплуатационная документация

ЭО - эксплуатационный отказ

ВВЕДЕНИЕ

Проблема оценки, анализа и обеспечения надежности на этапах отработки лидарного комплекса (ЛК) в процессе испытаний является одной из актуальнейших при их создании. Программа испытаний и их количество во многом определяют временные и стоимостные затраты на достижение требуемой надежности в соответствии с техническим заданием. Учитывая высокую стоимость испытаний ЛК необходимо наиболее рационально планировать задачи и объем испытаний. При натурных испытаниях комплекса проверяют: функционирование подсистем и самого комплекса в целом, принципы, заложенные в основу принятых технических решений, правильность их конструктивного воплощения, уровень надежности и характеристики испытываемых объектов, необходимые для оценки эффективности комплекса.

Решение этих задач сводится к организации и планированию натурных испытаний на опытном образце, от правильного порядка проведения работ для отработки надежности, сложности комплекса, применяемой аппаратуры и квалификации специалистов.

Необходимо иметь ввиду что при испытаниях опытного образца большая часть времени тратится на устранение неисправностей и обеспечения оптимального взаимодействия отдельных подсистем. Очень важно при этом правильно определить состав средств и аппаратуры для испытаний. Планирование и организация испытаний, особенно дорогих, должны предусмотреть минимальные затраты времени и средств.

Поэтому основной задачей и целью квалификационной работы является:

1. анализ ЛК как объекта надежности;

2. анализ параметрических и отказов по функционированию;

3. сбор и первичная обработка информации о надежности по результатам испытаний ЛК;

4. проведение системного анализа работоспособности и надежности ЛК на этапах отработки с использование структурно-функциональной модели надежности;

5. анализ комплексной методики оценки показателей надежности ЛК на этапе отработки;

6. оценка показателей надежности с использованием программы автоматизированного расчета «Пакет программ оценки надежности лидарных комплексов по результатам испытаний»;

7. оценка эффективности использования программы автоматизированного расчета на этапе отработки

1. КОНСТРУКТОРСКО - ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ РАЗДЕЛ

1.1 Назначение, устройство и принцип функционирования ЛК

1.1.1 Общие сведения

лидарный комплекс предназначен для мониторинга экологической обстановки и анализа метеорологических параметров атмосферы и применяется в районах чрезвычайных ситуаций как природных, так и техногенных - пожары, взрывы, выбросы радиоактивных веществ на АЭС, аварии на химических предприятиях. С помощью комплекса осуществляется обнаружение загрязнений и обеспечивается информационная поддержка аварийно-спасательных служб. Также, благодаря большой дистанции зондирования комплекс может применяться в зонах боевых действий и при проведении антитеррористических операций.

1.1.2 Устройство ЛК

Оборудование ЛК размещено в кузов-контейнере (КК), установленном на автомобильное шасси. Дизель-генератор для электропитания размещен на автомобильном прицепе. Общий вид комплекса представлен на рисунке 1. Конструктивно КК разделен на три отсека внутренними перегородками. Общий вид КК представлен на рисунке 2.



Рисунок 1. Общий вид комплекса

Рисунок 2. Общий вид кузов-контейнера

Первый отсек (по ходу движения) предназначен для размещения основного оборудования МЛК:

Приемо-передающего тракта;

Сканирующего модуля;

Компьютерных стоек системы управления и сбора данных;

Системы жизнеобеспечения.

Первый отсек оборудован поворотно-сдвижным люком в крыше КК. Отверстие люка предназначено для подъема СМ при переходе МЛК из походного положения в рабочее. Дополнительно первый отсек КК оборудован боковыми откидными люками, размещенными по бортам КК для погрузки-разгрузки внутреннего оборудования и удобства технического обслуживания.

Второй отсек КК оборудован двумя местами операторов. Места операторов оснащены всем необходимым оборудованием и программным обеспечением для дистанционного управления режимами функционирования ЛК. Оборудование второго отсека:

· Столы с врезной клавиатурой;

· Стойки с мониторами;

· Пульт управления сканером;

· Щит управления электрооборудованием;

· Навигационное оборудование;

· Элементы системы жизнеобеспечения.

Третий отсек предназначен для размещения вспомогательного оборудования. Оборудование третьего отсека:

· Блоки охлаждения лазеров;

· Силовой щит электрооборудования;

· Блоки питания и управления системы горизонтирования;

· Комплект запасных частей, инструментов, принадлежностей (ЗИП);

1.1.3 Тракт приемо-передающий

Тракт приемо-передающий (ТПП) предназначен для формирования лазерного излучения на различных длинах волн, передачи этого излучения через сканирующий модуль на исследуемые объекты, приема полезных сигналов, содержащих информацию о веществе объектов, о его концентрации и о дальности до объекта. Чаще всего объектами являются облака дыма или пара, содержащие исследуемое вещество. Общий вид тракта приемо-передающего представлен на рисунке 3.

Рисунок 3. Тракт приемо-передающий

Структура ТПП:

Телескоп

Телескоп (см. рисунок 4) в комплексе ЛК установлен на плите оптической в вертикальном положении. Телескоп является общим для всех видов лидаров комплекса Телескоп построен по оптической схеме Мерсена, параллельный пучок входящих лучей преобразуется в параллельный пучок выходящих лучей, изменяется только расходимость лучей.

Рисунок 4. Телескоп

Видеоблок

Видеоблок предназначен для ориентации в пространстве и визуального поиска объектов и представляет собой объектив в корпусе установленный на пилонах над вторичным зеркалом телескопа. Объектив видеоблока принимает изображение через зеркало сканера. Полученный сигнал обрабатывается системой поворота изображения и выводится на монитор видеонаблюдения.

Длинноволновый канал

Длинноволновый (ДВ) канал приемо-передающего тракта предназначен для формирования и транспортировки излучения инфракрасного диапазона в телескоп и приема полезного сигнала. ДВ канал состоит из двух TEA CO2 лазеров и приемника ДВ канала.

Коротковолновый канал

Коротковолновый (КВ) канал приемо-передающего тракта предназначен для организации вывода излучения твердотельного лазера (ТТЛ) в атмосферу и приема полезного сигнала. КВ канал состоит из твердотельного лазера и приемников КВ и спектрального каналов. Общий вид ТТЛ на основании представлен на рисунке 5.

Рисунок 5. Общий вид твердотельного лазера

1.1.4 Сканирующий модуль

Сканирующий модуль (СМ) предназначен для ориентации оптической оси приемно-передающего тракта в заданном направлении, обеспечения требуемой скорости сканирования, обеспечения требуемой точности позиционирования. Общий вид СМ представлен на рисунке 6.



Рисунок 6. Сканирующий модуль

Сканер

Сканер (см. рисунок 7) предназначен для наведения зеркала сканера по углу места, обеспечения сканирования и визуализации области наблюдения.

Рисунок 7.1 Общий вид сканера

1.2 Принцип функционирования, режимы работы и условия эксплуатации ЛК

1.2.1 Принципиальная схема функционирования ЛК

Общая схема работы ЛК представлена на рисунке 8.

Рисунок 8. Схема работы комплекса ЛК

Сканирование окружающего пространства осуществляется единым для всех каналов многоволновым одно-зеркальным или двухзеркальным сканером, обеспечивающим непрерывное совмещение полей зрения всех лидарных каналов независимо от текущего направления зондирования.

1.2.2 Режимы работы комплекса

Для комплекса МЛК предусмотрены следующие режимы работы:

1. Режим развертывания комплекса;

2. Режим диагностирования комплекса;

3. Режим дежурного сканирования;

4. Режим анализа №1 (определение состава веществ методом флуоресцентного анализа);

5. Режим анализа №2 (определение состава веществ методом дифференциального поглощения);

6. Режим сворачивания комплекса.

Режим развертывания комплекса

Развертывание комплекса выполняется в автоматическом или полуавтоматическом режиме с установкой по умолчанию начальных параметров систем.

Последовательность развертывания комплекса:

1. Выбор позиции;

2. Подключение электропитания;

3. Горизонтирование (по выбору осуществляется установка комплекса на опоры как в автоматическом режиме, так и в ручном);

4. Открытие крышки люка;

5. Подъем сканера (процедура подъема осуществляется автоматически с контролем и выводом на экран основных стадий подъема);

6. Прогрев лазеров (автоматический режим перевода лазеров и устройств в состояние для прогрева);

7. Определение координат комплекса и привязка к карте местности;

8. Определение зоны ответственности комплекса и отображение на карте границ зоны видимости.

Режим диагностирования комплекса

Основное назначение режима - это непрерывное проведение программных тестов с целью выявления отказавших в системе устройств (блоков) и выводом информации на экран рабочего места №1 (РМ-1). Программная диагностика комплекса осуществляться в фоновом режиме.

Режим дежурного сканирования

Режим предназначен для автоматического (полуавтоматического) обнаружения аномальных паровых или аэрозольных образований в зоне видимости лидара, и определения координат центра облака, для последующего анализа в данной точке пространства, а также для слежения за динамикой распространения облака. Используется лазер ТТЛ Nd-YAG. Длина волны - 1064 нм, либо 532 нм. Частота следования импульсов - 25 Гц.

Оператор РМ-1 определяет вид сканирования и задает число импульсов в одну точку (число накопленных импульсов). Предусмотрены два режима дежурного перемещения сканера: двухкоординатное и секторное сканирование. Двухкоординатное сканирование: оператор может корректировать координаты точек начала и конца сканирования по азимуту и углу места, шаг сканирования, количество импульсов накопления в каждой точке сканирования. Данные передаются на рабочее место №2 (РМ-2) обрабатываются и накладываются на карту местности. Секторное сканирование: оператор может корректировать координаты точек начала и конца сканирования по азимуту, угол места, шаг сканирования, количество импульсов накопления в каждой точке сканирования. Данные передаются на РМ-2, обрабатываются и накладываются на карту местности.

По результатам наложения сигналов на карте в полуавтоматическом режиме определяются либо координаты центра облака, либо координаты выбранного оператором рабочего места №2 сектора для проведения дальнейшего анализа. С РМ-2 на РМ-1 передаются углы (характеризующие точку пространства или сектор) и дистанция.

Режим анализа №1 (определение состава веществ методом флуоресцентного анализа)

Предназначен для идентификации вещества методом флуоресцентного анализа. Измеряется спектр флуоресценции в диапазоне 300…450 нм. Полученный спектр аналитически сопоставляется с целью идентификации вещества с базой данных. Используется лазер ТТЛ Nd-YAG. Длина волны - 266 нм. Частота следования импульсов - 25 Гц. Оператор РМ-1 при получении координат точки или сектора с РМ-2, начинает подготовку комплекса. Автоматически происходит перестройка лазера на длину волны 266 нм. Спектральный прибор инициализируется, устанавливаются времена сбора данных в соответствии с полученными целеуказаниями дежурного сканирования. У оператора РМ-1 предусмотрена возможность установки количества повторений измерений в одну точку. При сканировании сектора спектр анализируется в каждой точке сканирования. Результаты выдаются на экран РМ-1 в виде названия вещества (при положительной идентификации) или в виде спектра флуоресценции при обнаружении вещества неизвестного состава.

Режим анализа №2 (определение состава веществ методом дифференциального поглощения)

Предназначен для определения веществ методом дифференциального поглощения или методом спектрального анализа в диапазоне генерации СО2 лазера. Предусматриваются два варианта сканирования по полученным с помощью дежурного режима целеуказаниям (исследование точки пространства или уточненный сектор). Процедуры определения проходят в автоматическом режиме с возможностью выбора оператором структуры задач. Каждая задача представляет собой последовательность длин волн отранжированных по приоритету определяемых веществ. В процессе выполнения выбранной из набора задачи все настройки комплекса (перестройка лазеров и т.д.) осуществляются в автоматическом режиме.

Режим сворачивания комплекса

В программном обеспечении рабочего места №1 и №2 предусмотрен режим автоматического сворачивания комплекса. При этом происходит корректное завершение работы подсистем комплекса. Опускание сканера. Подъем гидроопор.

1.2.3 Внешние факторы воздействия

Основными внешними факторами, влияющими на работоспособность МЛК, являются:

1. Температура окружающей среды;

2. Влажность и осадки;

3. Механические воздействия при транспортировке;

При воздействии внешних факторов потеря работоспособности может носить характер сбоя, при котором через некоторое время после воздействия, МЛК становится неработоспособным. Можно предположить, что внезапное воздействие возможно лишь эпизодически, поэтому можно допустить потерю работоспособности МЛК как в виде сбоя, так и в виде отказа, при условии, что время восстановления работоспособности не превысит требуемой величины. Для быстрого восстановления работоспособности МЛК необходим ЗИП, укомплектованный легкосъемными составными частями. Укладки ЗИП и место его хранения должны обеспечивать защиту нестойких запасных частей от воздействия ионизирующих излучений и электромагнитного импульса. Должна быть также обеспечена возможность быстрого пополнения одиночного ЗИП.

1.3 МЛК как объект надежности

В соответствии с современной теорией надежности МЛК будем рассматривать как сложную техническую систему (СТС) многоразового применения, обслуживаемую и восстанавливаемую. Отказом комплекса будем считать не только немедленное прекращение его функционирования в результате проявления того или иного повреждения, но и недопустимое понижение технических характеристик, снижающих эффективность выполнения основных задач по его назначению.

Основными режимами, характеризующими эксплуатацию МЛК считают:

1. Рабочие режимы, включающие в себя дежурное сканирование, режимы анализа №1 и режим анализа №2, режим развертывания и сворачивания комплекса;

2. Транспортировку;

3. Хранение;

4. Ремонт и техническое обслуживание.

Каждый из указанных режимов, как правило, имеет значительное число разновидностей, зависящих от назначения и устройства МЛК, от организации и конкретных условий его эксплуатации. В рабочем режиме МЛК, как правило, используется по прямому назначению и подвергается действию различных по величине вибраций, тепловых нагрузок, химических, электрических, радиационных и т.д. Рабочий режим МЛК, как правило, осуществляется не непрерывно, а отдельными включениями в работу. Длительность рабочего режима принято измерять количеством циклов работы и временем работы на каждом цикле. Характерной особенностью режима транспортировки является наличие вибрационных и ударных нагрузок. О состоянии МЛК в режиме транспортировки узнают обычно во время технического осмотра или технического обслуживания.

К режиму хранения относят свободные перерывы в работе, а именно: кратковременное хранение (до одного года) в условиях повседневной эксплуатации МЛК и длительное хранение (более одного года). Во время хранения периодически проводится контроль за техническим состоянием МЛК. Для режима хранения характерно воздействие таких климатических факторов, как температура, влажность, запыленность среды и т.п.

В качестве обобщенных показателей надежности МЛК примем соотношения:

где , и - обобщенные показатели надежности МЛК для рабочего режима и режимов транспортировки и хранения;

и - показатели технического использования МЛК в рабочем режиме и режиме транспортировки для заданного периода эксплуатации. Они представляют собой вероятности нахождения МЛК в момент поступления заявки на использование или транспортировку в необходимом положении технической готовности;

и - вероятности безотказной работы МЛК при подготовке к сканированию и транспортировке за соответствующее число подготовок и для заданного периода эксплуатации ;

, - вероятность безотказной работы МЛК при сканировании, слежении за объектом и транспортировке;

- вероятность сохранения работоспособности МЛК за время хранения;

n, l, и - наработка МЛК соответственно в циклах, километрах пробега и единицах времени ( - при слежении за мишенью, - при хранении МЛК).

Данные определения обобщенных показателей надежности позволяют считать МЛК неотказавшим на рабочем режиме (режиме транспортировки), т.е. выполнившим возложенные на него функции, если МЛК в момент поступления заявки на сканирование (транспортировку) находился в установленном для него исходном положении (положении готовности), своевременно прошел период подготовки и не потерял работоспособности во время функционирования (транспортировки). Составляющие показатели , , , , , и назовем основными показателями надежности МЛК. Коэффициенты технического использования и в соответствии с ГОСТ 27002-83 и исходя из анализа МЛК как объекта надежности определим отношением математических ожиданий и соответственно времени пребывания МЛК в работоспособном состоянии к продолжительности и рассматриваемого периода эксплуатации с учетом времени , отводимого на плановое обслуживание, т.е.

При этом считается, что МЛК не готов к сканированию (транспортировке), если в момент времени поступления заявки приходится на период планового () или непланового () технического обслуживания и ремонта, т.е. или . На периоде подготовки МЛК важен сам факт своевременной подготовки комплекса к началу сканирования (транспортировке) без учета того исходного положения готовности, с которого начинается процесс подготовки. Поэтому вероятность своевременного прохождения подготовки МЛК к началу сканирования (транспортировке) будем оценивать согласно зависимости:

где - фактическое время подготовки МЛК к функционированию и сканированию (транспортировке) с момента поступления заявки;

- установленное время подготовки орудия;

- вероятность того, что за время не возникнут или будут устранены отказы тех агрегатов, которые либо функционируют, либо подвержены проверкам при подготовке. (Обычно в теории надежности последние называют контролируемыми);

- вероятность того, что в момент неконтролируемые в период подготовки агрегаты комплекса находятся в технически исправном состоянии;

- вероятность того, что за время не возникнут отказы этих же агрегатов, приводящие к отказу МЛК.

Вероятность безотказной работы при функционировании МЛК будем рассматривать как вероятность того, что подготовленное своевременно к применению МЛК будет безотказно функционировать, т.е.

где N - число циклов от момента начала функционирования до отказа;

n - заданная наработка МЛК в циклах.

Соответствующим образом определены вероятности безотказной работы МЛК при транспортировке, а именно:

где L - количество километров пробега МЛК от момента начала транспортировки до отказа; l - заданная наработка МЛК в единицах времени и длины пробега. Для режима хранения обобщенный показатель надежности МЛК будем рассматривать как вероятность того, что время хранения МЛК до отказа больше, чем заданное время хранения , т.е.

К рассмотренным показателям надежности в зависимости от решаемых МЛК задач могут быть добавлены показатели надежности, определяемые ГОСТом, а именно: Наработку на отказ Т; Гамма - процентный ресурс ; Гарантированный период безотказной работы ; Интенсивность отказов ; Коэффициент готовности ; Коэффициент оперативной готовности ; Среднее время восстановления Тв; Средний срок сохраняемости Коэффициент сохранения эффективности

Важнейшая особенность рассматриваемых МЛК, во многом определяющая стоимостные и временные затраты, связана с обеспечением параметрической надежности, особенно на этапах проектирования и испытаниях МЛК. Эта доля затрат может достигать 30-40% от стоимости создания комплекса. Параметрическая надежность, как принято в теории надежности, определяется вероятностью выполнения условий работоспособности по основным выходным параметрам для заданной совокупности режимов работы и условий эксплуатации в зависимости от наработки и времени. Анализируя возможные параметрические отказы МЛК и его подсистем при расчете параметрической надежности ограничимся тремя схемами отказов (см. рисунок 9):

I схема (схема внезапных отказов)

Условие работоспособного состояния:

,

где: - значение i-го выходного параметра, и - соответственно минимальное и максимальное предельные значения i-го выходного параметра. Числовые характеристики, определяющие закон распределения значений -го выходного параметра, и допустимые значения и принимаются постоянными и независящими от характера и объёма воздействия на периоде эксплуатации МЛК. К отказам, описываемым данной схемой, отнесем отказы, обусловленные, в основном, неточностью исполнения того или иного выходного параметра комплектующего или сборки.

II схема (схема внезапных отказов)

Условие работоспособного состояния:

,

где: - максимальное значение i-го выходного параметра в процессе функционирования (цикла, заданной наработки); - предельное значение (несущая способность) по i-му выходному параметру для рассматриваемого момента времени. К характерным отказам, описываемым этой схемой, отнесем отказы, обусловленные выбросами значений параметров, характеризующих, например, частотно-амплитудное состояние, за допустимые пределы. Предельное значение параметра для данной схемы, в общем случае, принимается зависящим от режимов нагружения, условий и времени эксплуатации. В то же время числовые характеристики и вид распределения на отдельных длительных периодах эксплуатации принимаются не зависящими от наработки.

III схема (схема постепенных отказов)

Условие работоспособного состояния:

,

где: - значение i-го выходного параметра в зависимости от времени эксплуатации; - предельное значение i-го выходного параметра. По этой схеме рассматривается в общем случае как случайная функция. Применение этой схемы целесообразно в том случае, когда выходной параметр является монотонно убывающим (возрастающим) вследствие старения и усталостных процессов. Кроме того, примем допущение об ограничении трехпараметрической связи между выходными параметрами МЛК. Такое допущение обычно принимается для подавляющего большинства сложных технических устройств в общем и специальном машиностроении и оправдывает себя в инженерной практике при оценке параметрической надежности этих систем.

Рисунок 9. Схемы отказов

В качестве обобщенных выходных параметров, характеризующих работоспособное состояние лазерного комплекса в рабочем режиме, примем: E - энергия лазерных импульсов; л - длина волны лазерного излучения; и - угол расходимости пучка лазерного излучения; Трасп. - время распознавания вещества; r0 - вектор направленности лазерного излучения в пространстве. В качестве обобщенных параметров подвижного (мобильного) лазерного комплекса на периоде транспортировки примем параметры, характеризующие комплекс как носитель, а именно - характеристики подвижности и проходимости (скорость передвижения, поворотливость, величину клиренса, удельное давление и т.п.). Обозначим их как Vтр , Rn , , Rуд. Исходя из изложенного, принципиальную блок-схему, характеризующую степень ответственности подсистем МЛК за выполнение требований к обобщенным параметрам, приведена на рисунке 10.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 10. Принципиальная обобщенная блок-схема ответственности отдельных подсистем за выполнение требований к выходным параметрам мобильного лидарного комплекса

В качестве выходных параметров работоспособности отдельных подсистем и агрегатов лазерного комплекса будем принимать параметры, которые позволяют непосредственно судить о качестве функционирования самого агрегата и операций им выполняемых, на которые накладываются определенные ограничения. При этом взаимосвязь выходных параметров удобно описывать с помощью элементарных динамических операторов. Обобщенные и основные показатели надежности могут и должны использоваться при решении практических задач, связанных с нормированием технических характеристик МЛК, организацией его эксплуатации и принятием конструктивно-технических решений в процессе проектирования и отработки МЛК.

Имеющийся опыт проектирования и создания МЛК показывает, что к основным стадиям разработки, в соответствии с которыми следует производить оценку и анализ надежности, следует отнести анализ технического задания, разработку технических предложений, разработку эскизного проекта, разработку технического проекта и разработку, изготовление и испытание опытного образца, в основу которых предлагается положить структурно-функциональную модель надежности комплекса.

1.4 Структурно-функциональная модель надежности МЛК

Для системного анализа работоспособности и надежности МЛК необходимо построить структурно-функциональную модель надежности, позволяющую провести целенаправленный анализ и поиск рациональных решений, связанных с обоснованием принципиальных конструктивно-схемных решений, структурной и функциональной оптимизацией конструктивных решений и при отработке конструкций при проведении стендовых и натурных испытаний лазерного комплекса и отдельных его подсистем. Структурно-функциональная модель надежности должна отображать основные конструктивные и функциональные особенности лазерного комплекса, режимы его работы, причины и характер возникающих отказов. Исходя из опыта проектирования лазерных комплексов, анализа их как объектов надежности и анализа отказов, структурно - функциональную модель надежности лазерного комплекса определим в виде:

Роб = 1[i(n, , tр, tхр); Zj (n, , tр, tхр); XK (n, , tр, tхр);

[i];[Zj];[XK];R1;; ; ;]2 [1 (n, , tр, tхр, hр, hтр);

2 (n, , tр, tхр, hр, hтр); 3 (n, , tр, tхр, hр, hтр); r ];

3 [4 (n, , tр, tхр, hр, hтр);]4 [tТО, n ТО, tпр, nпр, tустр, m , t3, n3,]

где Роб () - обобщенный показатель надежности лазерного комплекса за рассматриваемое время эксплуатации ();

1[i(n, , tр, tхр); Zj (n, , tр, tхр); XK (n, , tр, tхр); [i] ; [Zj] ; [XK] ; R1; ; ; ;] - оператор, учитывающий изменение и влияние рассеивания значений:i - выходных обобщенных параметров лазерного комплекса, Zj - выходных параметров отдельных подсистем (совокупность нескольких агрегатов) и XK - выходных параметров отдельных агрегатов как неделимых элементов лазерного комплекса. Количество выходных параметров i; Zj , XK в соотношении определяется существом решаемой задачи, объектом исследования и этапом жизненного цикла. Между параметрами возможно наличие корреляционной связи; [i] , [Zj] и [XK] - диапазоны допустимых значений выходных параметров, зависящие в общем случае от времени и условий эксплуатации; R1 - множество вещественных чисел, которому принадлежат все возможные и допустимые значения ; n, tр , tхр - наработка комплекса в циклах - для рабочего периода; километрах пробега - для периода транспортировки; времени - для периода хранения; , , - количество соответственно i, Zj, XK выходных параметров, характеризующих работоспособность лазерного комплекса;

2 [1 (n, , tр, tхр, hр, hтр); 2 (n, , tр, tхр, hр, hтр); 3 (n, , tр, tхр, hр, hтр); r] - оператор характеризующий влияние на надежность лазерного комплекса мелких конструктивных и технологических дефектов не учитываемых оператором 1, а также влияние качества ремонтов и технических обслуживаний. 1 ; 2 ; 3 - соответственно интенсивности отказов - го агрегата лазерного комплекса, обусловленные мелкими конструктивными, технологическими и ремонтными дефектами, в периоды работы; r- количество -х агрегатов, на которое условно разбит МЛК для оценки показателей надежности; hстр, hтр - количество подготовок к работе и транспортировке за рассматриваемое время эксплуатации ();

3 [4 (n, , tр, tхр, hр, hтр);] - оператор, учитывающий влияние нарушений правил эксплуатации лазерного комплекса на его надежность;

4(n); 4 ();4 (tр); 4 (tхр); 4 (hр); 4 (hтр) - интенсивности нарушения -го правила эксплуатации лазерного комплекса для характерных периодов эксплуатации в зависимости от времени (циклов) работы, километров пробега, времени хранения и числа подготовок к работе и транспортировке; - количество правил эксплуатации, рекомендуемых к выполнению;

4 [tТО, n ТО, tпр, nпр, tустр, m , t3, n3,] - оператор, характеризующий совместное влияние текущих отказов и принятой планово-предупредительной системы обслуживания и ремонтов лазерного комплекса на его боевую и техническую готовность; tТО; tпр ; tустр - средняя продолжительность ТО, среднее время плановых ремонтов лазерного комплекса и среднее временя на устранение отказов; m; n ТО ; nпр - ожидаемое количество отказов, ТО, и плановых ремонтов за заданное время эксплуатации лазерного комплекса; t3 - время поступления заявки; n3 - ожидаемое количество заявок на работу.

Оператор 1(i( ); Zj( ); XK ( );…) по существу определяет вероятность Pn выполнения системы условий работоспособности:

Pn ={1 [1] ; 2 [2] ;…… i [i] ;…… Zj [ Zj];…… XKj [ XK]}

для заданных условий эксплуатации и режимов работы лазерного комплекса в зависимости от наработки и времени эксплуатации.

Для учета влияния на надежность лазерного комплекса качества ремонта и проведения технических обслуживаний, мелких конструктивных и производственных дефектов с помощью операторов 2 [1 (n, , tр, tхр, hр, hтр); 2 (n, , tр, tхр, hр, hтр); 3 (n, , tр, tхр, hр, hтр); r] , а также нарушений правил эксплуатации с помощью оператора 3 [4 (n, , tр, tхр, hр, hтр);] предлагается использовать теорему о повторении опытов. Согласно этой теореме, в основу расчета вероятности безотказного функционирования Pn за n - циклов-распознаваний положим зависимости:

; ;

где Pi - вероятность безотказной работы лазерного комплекса при i-м распознавании; 1i , 2i , 3i и 4i - интенсивности отказов лазерного комплекса при i-м распознавании, обусловленные соответственно мелкими конструктивными дефектами, дефектами производства, некачественным проведением ТО и ремонта, и нарушением правил эксплуатации, N - количество циклов работы лазерного комплекса за рассматриваемый период эксплуатации.

При оценке 1i, 2i , 3i , 4i комплекс можно рассматривать как сложную систему с последовательным соединением элементов, отказы которых независимы, т.е.

,

где i - вероятности отказов µ-х элементов при i-м распознавании, обусловленные влиянием указанных выше причин; r - количество агрегатов, на которые условно разбивается лазерный комплекс при оценке 1i, 2i, 3i. При расчете 4i под понимается количество правил эксплуатации, предписанных к выполнению при распознавании лазерным комплексом. Аналогично можно учитывать влияние дефектов и нарушений правил эксплуатации по вероятности безотказной работы лазерного комплекса при транспортировке, рабочих режимах, хранении и подготовке лазерного комплекса к работе и транспортировке.

Оператор 4 [tТО, n ТО, tпр, nпр, tустр, m , t3, n3,], по существу, представляет собой коэффициент технического использования лазерного комплекса. Полагая процесс отказов стационарным, коэффициент технического использования лазерного комплекса на рассматриваемом периоде эксплуатации , определим соотношениями:

Кт.и. раб ;

Кт.и. тр ;

где ТУпто раб ; ТУнто тр - суммарное время планового и непланового технических обслуживаний комплекса в рабочем режиме и в режиме транспортировки; ТУраб, ТУтр - суммарное время пребывания лазерного комплекса в работоспособном состоянии в рабочем режиме и режиме транспортировки. Число отказов и средние затраты времени на ремонт и обслуживание рекомендуется определять по статистическому материалу.

Таким образом, предлагаемая структурно-функциональная модель надежности может быть положена в основу оценки анализа и надежности МЛК на всех этапах проектирования, испытаний и доработок, а также в процессе эксплуатации. При этом обеспечивается единый подход к анализу надежности со стороны конструктора, технолога, испытателя, заказчика, что позволяет построить универсальную базу данных для прогнозирования надежности.

Оценка и анализ надежности МЛК проводится для каждого из вышеуказанных режимов работы в соответствии с циклограммами функционирования:

1.	Режим развертывания комплекса
	мин.	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
1		2
2				2
3						2
4								1
5									1
6										2
7												5
8												5
9												5

Развертывание комплекса выполняется в автоматическом или полуавтоматическом режиме с установкой по умолчанию начальных параметров систем.

1. Выбор позиции

2. Подключение электропитания

3. Горизонтирование

4. Включение компьютеров и блоков управления

5. Открытие крышки люка

6. Подъем сканера

7. Прогрев лазеров

8. Определение координат комплекса и привязка к карте местности

9. Определение зоны ответственности комплекса и отображение на карте границ зоны видимости

2.	Режим дежурного сканирования
	мин.	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
1		2
2				1
3					2
4							2-….

Режим предназначен для автоматического (полуавтоматического) обнаружения аномальных паровых или аэрозольных образований в зоне видимости лидара, и определения координат центра облака, для последующего анализа в данной точке пространства, а также для слежения за динамикой распространения облака. Используется лазер - ТТЛ Nd-YAG. Длина волны 1064 нм.

1. Оператор рабочего места №1 (РМ-1) определяет вид сканирования, задает координаты и число импульсов в одну точку (число накопленных импульсов) и секторное сканирование.

2. Запуск режима дежурного сканирования (включение ТТЛ лазера и запуск перемещения сканера в пределах заданных координат).

3. Данные передаются на рабочее место №2 (РМ-2) обрабатываются и накладываются на карту местности.

4. По результатам наложения сигналов на карте в полуавтоматическом режиме определяются либо координаты центра облака, либо координаты выбранного оператором рабочего места №2 сектора для проведения дальнейшего анализа. С РМ-2 на РМ-1 передаются углы (характеризующие точку пространства или сектор) и дистанция.

3.	Режим анализа №1
	сек.	5	10	15	20	25	30	35	40	45	50	55	60	65	70	75
1		30
2								30

Предназначен для идентификации вещества методом флуоресцентного анализа. Измеряется спектр флуоресценции в диапазоне 300…450 нм. Полученный спектр аналитически сопоставляется с базой данных, с целью идентификации вещества.

Используется лазер ТТЛ Nd-YAG.

Длина волны 266 нм.

1. Оператор РМ-1 при получении координат точки или сектора с РМ-2, начинает подготовку комплекса. Автоматически происходит перестройка лазера на длину волны 266 нм. Спектральный прибор инициализируется, устанавливается времена сбора данных в соответствии с полученными целеуказаниями дежурного сканирования.

Происходит автоматическое включение лазера. У оператора РМ-1 предусмотрена возможность установки количества повторений измерений в одну точку.

2. Происходит сканировании сектора, анализируется спектр. Результаты выдаются на экран РМ-1 в виде названия вещества (при положительной идентификации) или в виде спектра флуоресценции при обнаружении вещества неизвестного состава.

4.	Режим анализа №2
	сек.	5	10	15	20	25	30	35	40	45	50	55	60	65	70	75
1		30
2								30

Предназначен для определения веществ методом дифференциального поглощения или методом спектрального анализа в диапазоне генерации СО2 лазера в диапазоне 9-10 мкм. (60 линий). Предусматриваются два варианта сканирования по полученным с помощью дежурного режима целеуказаниям (исследование точки пространства или уточненный сектор). Длины волн устанавливаются предварительно в базовых настройках.

Используется два TEA CO2 лазера.

Диапазон длин волн 9-10 мкм.

1. При получении координат точки или сектора с РМ-2 опреатору РМ-1, происходит автоматический запуск 2-х СО2 лазеров с автоматической быстрой перестройкой по длинам волн (30 - один канал и 30 - другой). Лазеры работают синхронно с частотой 30 Гц., 2-й лазер генерит с задержкой.

2. Происходит сканировании сектора, анализируется спектр. Результаты выдаются на экран РМ-1 в виде названия вещества (при положительной идентификации) или в виде спектра.

5.	Режим сворачивания комплекса
	мин.	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
1		1
2		1
3			3
4			3
5						2
6						2
7						2
8								2
9										2

1. Остановка режима дежурного сканирования

2. Подача команды на РМ-1 сворачивание комплекса

3. Корректное завершение работы подсистем комплекса

4. Опускание сканера

5. Подъем гидроопор

6. Выключение компьютеров и блоков управления

7. Закрытие крышки люка

8. Отключение электропитания

9. Перевод МЛК в транспортное положение (готовность покинуть позицию)

1.5 Анализ МЛК как объекта отработки на надежность в процессе испытаний

На этапах проектирования МЛК, наполненных экспериментальными исследованиями, при отработке конструкции создаваемого МЛК на стендах, макетах и опытных образцах, ведущим элементом процесса создания становятся испытания МЛК, проводимые с целью отработки конструкции и подтверждения достигнутого с требуемой гарантией качества комплекса. Поэтому вводят коррективы в представление моделей работоспособности и отказа, согласовав их как с оцениваемым объектом, так и с особенностями входной информации, используемой для оценки надёжности, и обосновывают методы, обеспечивающие проведение эффективной оценки показателей надежности (ПН) МЛК в изменившихся информационных условиях, согласно схеме на рисунке 11.



Рисунок 11. Структурно-логическая схема процесса отработки МЛК

Задачи анализа и оценки ПН МЛК на завершающих проектных этапах, когда основными составляющими процесса создания становятся отработка конструкции и испытания, решаются с помощью информационных и методических средств, отражающих изменившиеся условия проектирования. При этом, поскольку принципиальное изменение состоит в «натурализации» объекта оценки ПН, прежде всего, необходимо перевести теоретико-множественное представление структуры надёжности проектируемого МЛК, данное в виде множества работоспособного состояния и декомпозиции функциональной и конструктивной схем МЛК в виде структурно-логической схемы надежности (СЛСН) в плоскость наблюдаемых и контролируемых данных. «Натурализация» объекта оценки ПН заключается в появлении с определённого проектного момента в создании МЛК не только образа в виде математической модели и чертежа, но и конструкции в физическом воплощении (образец изделия, подсистема, агрегат, механизм, деталь). С этого момента осуществляется одновременное параллельное движение в создании конструкторской документации - рабочих чертежей МЛК и физического образца конструкции МЛК (стендового, макетного, полигонного, опытного). Соответственно теоретическая модель работоспособности R перестраивается на новые информационные возможности, связанные с появлением данных наблюдений поведения конструкции МЛК в опытах, испытаниях. При этом «практическое видение» в испытаниях отличается от сугубо теоретических представлений о создаваемом образце МЛК. Вместо только теоретических распределений параметров моделей появляются фактические статистические наблюдения тех же параметров и суждения об исходах испытаний. Нужно отметить, что за произошедшие информационные изменения приходится «расплачиваться» определёнными информационными потерями. Это связано с ограниченностью практического видения по отношению к теоретическому анализу. Так, многие параметры работоспособности, составляющие теоретически построенное множество R, непосредственно в опытах наблюдаться не могут и поэтому определяются по наблюдаемым явлениям и эффектам лишь косвенно характеризующим интересующие величины. Некоторые информационные потери связаны и с необходимостью обращения к экспертизе в процессе испытаний конструкции МЛК. Экспертиза необходима при классификации исходов опытов (успешный, неуспешный), состояний изделия (работоспособное, исправное, неисправное, неработоспособное), изменений в конструкции (отказ, повреждение). Определяемые по результатам статистического моделирования условия или в задачах испытаний конструкции МЛК (за исключением ситуации, когда ведутся измерения значений параметров работоспособности МЛК) требуют неформального анализа результатов наблюдений, полученных в виде данных о накапливаемых отступлениях от требований конструкторской документации (КД). Такие отступления идентифицируются как отказ или неисправность конструкции. Для обеспечения достоверной идентификации исходов испытаний разработчик должен в регламентирующей документации (чертёж, технические условия (ТУ) на сборку, ТУ на приёмку, ТУ на эксплуатацию и пр.) установить для каждой функциональной подсистемы МЛК (механизма, узла, агрегата) значения таких изменений «выходных параметров», при которых подсистема считается неисправной или отказавшей. Для каждой детали (элемента) конструкции установить предельные изменения геометрических параметров, физико-механических характеристик и т.п., при которых деталь (элемент) считается неисправной или отказавшей.

Помимо рассмотренных особенностей анализа структуры надёжности МЛК, необходимо учитывать также проявление в процессе отработки и испытаний МЛК свойства восстанавливаемости конструкции. В связи с этим в состав объекта отработки и испытаний входят не только собственно конструкция МЛК, но и стратегия обслуживания и восстановления МЛК и ЗИП. Поэтому объектом отработки являются, наряду с КД и технической документацией (ТД), также и эксплуатационная документация (ЭД). Цели испытаний многообразны, вследствие чего испытываемый образец МЛК оказывается объектом переменной структуры.

В процессе отработки и испытаний конструкции МЛК информацией, используемой для оценки ПН, являются данные наблюдений за текущим состоянием изделия в опытах: замеры параметров, произошедшие повреждения и неисправности, сведения о задействованных в опыте «конфигурациях» конструкции, данные о наработках, режимах и условиях испытаний. При этом комплексная направленность отработки, разнообразие режимов и условий испытаний, отсутствие в штатной программе специальных испытаний на надёжность не препятствуют использованию результатов для оценки ПН. Поэтому они могут быть интерпретированы как успешные или неуспешные, возможен учёт наработки на отказ, могут быть выявлены и классифицированы причины отказов.

Для оценки ПН МЛК информация о поведении образца в процессе испытаний представляется либо в индикаторном (да-нет, успех-отказ) либо в параметрическом (замеры параметров) виде. В качестве индикаторной информации фиксируются отказы по факту свершения (их формирование, как правило, не наблюдается). Потоки индикаторной (данные об отказах в функции наработки) и параметрической (данные о значениях измеряемых параметров в функции наработки) информации «пересекаются» в случае, когда измеряемые параметры идентифицируются как параметры работоспособности и в опыте наблюдается факт выхода параметра за допусковую область: .

Анализ наблюдаемых отказов - узловой вопрос, поскольку по данным об отказах решают основные задачи испытаний и отработки: разрабатывают комплекс конструкторско-технологических мероприятий, направленных на совершенствование конструкции образца и его производства, количественно оценивают достигнутый уровень надёжности образца и отработанности документации.

Из классификационных признаков отказов, определяющими выбор метода оценки ПН и формирование исходных данных для оценки, являются признаки, идентифицирующие причины отказов, систематичность отказов, устранимость причин отказов.

Наряду с данными об отказах, исходную информацию для оценки ПН в процессе испытаний и отработки МЛК составляют сведения о доработках конструкции. Доработки, устраняя причины отказов и неисправностей, улучшают конструкцию, видоизменяют её. В связи с этим, учёт данных о доработках при оценке ПН имеет принципиальный характер, так как видоизменяемость объекта испытаний «искажает» однородность исходной информации и обязывает применять математические модели критичные к указанным обстоятельствам. Относительно доработок, направленных на изменение надёжности объекта испытаний, могут быть выдвинуты следующие гипотезы: доработка устранила i-ю причину отказа; уменьшила вероятность отказа по i-й причине; не увеличила вероятность отказа по i-й причине; не уменьшила вероятность отказа по i-й причине; изменила вероятность отказа по i-й причине. Доработки, вносимые в конструкцию разрабатываемого МЛК, обусловливают «скачки» значений ПН. Величина «скачков» определяется содержанием доработок, т.е. характером устраняемых отказов, количеством устраняемых причин отказов.

Существенным свойством доработки для устранения причин отказа является управляемость моментом её проведения относительно отказа. В общем случае доработка следует за отказом. После проявления отказа, в результате анализа его причин, принимается решение о доработке для устранения этих причин. Наряду с этим, в процессе испытаний фиксируют текущие значения контролируемых параметров, на основании анализа изменения (дрейфа) которых возможно принятие решения о проведении доработки до факта выхода параметра за установленные пределы.

Таким образом, конструкция МЛК на завершающих проектных этапах с точки зрения анализа надёжности представляет собой развивающуюся систему, подверженную со стороны разработчиков постоянным воздействиям - доработкам. Кроме того, конструкция МЛК как объект испытаний оказывается сложной системой, включающей в себя подсистемы, обеспечивающие проведение испытаний, обслуживание и восстановление; системой, видоизменяющей свою структуру в зависимости от целей испытаний, вследствие чего отдельные части конструкции характеризуются различными наработками в различных условиях и режимах испытаний. Указанные особенности прежде всего подлежат учёту при моделировании процесса отработки МЛК, обосновании методики оценки ПН отрабатываемого и испытываемого изделия.

Характер реальных траекторий результатов отработки МЛК на завершающих этапах их создания предопределяет невозможность использования традиционной биномиальной схемы обработки данных для оценки ПН. Траектория отработки представляет собой график зависимости количества отказов от наработки в виде ступенчатой функции с единичными скачками в точках, соответствующих порядковым номерам испытаний, в которых наблюдались отказы. Траектория отработки позволяет выявить степень однородности данных и установить, насколько правомерно использование традиционной биномиальной схемы обработки данных (опыты-циклы независимые, вероятность исхода опыта одинаковая в каждом опыте) для оценки ПН испытываемых МЛК. На рисунке 12 приведена типичная траектории результатов испытаний образца.