- общекорабельные системы, механизмы и устройства и др.

Для каждой функционально однородной группы элементов (механизмов, устройств, систем и пр.) необходимо разработать соответствующие показатели их технической готовности. Эти показатели могут быть количественными и (или) качественными.

Показатели технической готовности представляются в виде совокупности частных оценок и уже практически используются на эмпирическом уровне и больше соответствуют показателям работоспособности в том смысле, который содержит ГОСТ 27.002-89.

Из определения технической готовности и создавшейся практики ее обеспечения следует, что готовность будет определяться не только работоспособностью КТС, но и способностью к ее поддержанию в течение определенного времени. Это означает, что уровень ТГ будет обусловлен надежностью технических средств и соответствующие показатели надежности (в первую очередь ГТЭУ) должны быть учтены при формировании показателей технической готовности.

Однако, как следует из теории надежности, существующие показатели надежности являются в основном функциями времени и изменяются с увеличением наработки или срока службы, а для обеспечения их нормативного уровня предусматриваются регламентные работы. Профилактические мероприятия (в частности ППО и ППР) направлены на предотвращение постепенных отказов, но не могут исключить появления внезапных отказов. Следовательно, технически готовая в определенный момент контроля ЭМБЧ с некоторой вероятностью может снизить уровень готовности из-за появления отказов.

На восстановление работоспособности технических средств после отказа требуется некоторое время, которое включает время на поиск отказа и время на его устранение. В общем случае это время будет случайной величиной, ограниченной сверху. Если время восстановления не превышает времени назначенной готовности ЭМБЧ или корабля, то правомочно говорить о том, что возникший отказ не снизил технической готовности. Следовательно, при оценке ТГ корабельных технических средств необходимо учитывать время восстановления работоспособности, что особенно важно при возникновении отказа и естественной проверки по состоянию готовности.

Сложившаяся на соединениях боевых надводных кораблей практика неформализованной оценки ТГ показывает, что обычно кроме информации о работоспособности КТС и наличии запасов расходного имущества и ГСМ командование дополнительно контролирует укомплектованность подразделений корабля л/с и уровень его профессиональной подготовки.

Последний обычно оценивают по результатам сдачи очередной курсовой задачи или, как минимум, по доле экипажа, допущенного к самостоятельному несению ходовой вахты.

2.1.2 Показатели, характеризующие эффективность использования кораблей с ГТЭУ

Инструментом исследовательской деятельности по обеспечению эффективного использования корабельных ГТЭУ является математическая модель количественной оценки показателей эффективности.

Основные показатели эффективности корабельных ГТЭУ вытекают из общих тактико-технических требований, предъявляемых к надводным кораблям и ГТЭУ (смотри рисунок 3).

На основе анализа этих требований, можно сделать выводы что такие требования как, требования к стандартизации и унификации, транспортабельности, к удобству технического обслуживания и ремонта, конструктивные требования,



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3 - Структура требований, предъявляемых к энергетическим установкам боевых НК ВМФ

требования к защите от коррозии и старения и к обеспечению скрытности и секретности разработки и производства реализуется, как правило, только на стадии проектирования установки. Остальные же требования кроме того, что реализуются на стадии проектирования и постройки корабля и ГТЭУ, весьма в значительной степени обеспечиваются в период использования корабля по прямому назначению. К ним относятся: требования к назначению, к надежности, к скрытности и маскировке, к живучести , к безопасности и требования по эргономике и технической эстетике. Перечисленные требования в совокупности определяют номенклатуру показателей эффективности использования ГТЭУ.

Основными показателями эффективности использования ГТЭУ, вытекающими из требований к назначению являются показатели маневренности и экономичности, т.к. энергетическая установка, прежде всего, должна обеспечивать кораблю потребную скорость хода и дальность плавания.

Основные показатели эффективности, вытекающие из требований к надежности являются такие показатели как безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость.

Кроме единичных показателей надежности могут использоваться комплексные показатели, характеризующие не менее двух свойств, составляющих надежность, например, безотказность и долговечность. К комплексным показателям надежности относят: коэффициент готовности (Кг), коэффициент оперативной готовности (Ког), коэффициент технического использования (Кти) и коэффициент сохранения эффективности (Кэ).

Окончательно номенклатура показателей эффективности использования корабельных ГТЭУ, вытекающая из общих тактико-технических требований к кораблям и их энергетическим установкам представлена в приложении 1.

2.1.3 Показатели, характеризующие эффективность технического обслуживания и ремонтов

Одной из основных задач интенсификации технической эксплуатации кораблей является увеличение их периода технического использования или снижение ремонтного периода. Решение этой задачи предопределяет необходимость оценки влияния основных факторов на ремонтный период, что позволит повысить точность разработки плановых заданий и прогнозов, обоснованность оперативных решений. Рассмотрим систему технической эксплуатации корабля в целом и ее составляющие.

Техническая эксплуатация - система являющаяся функциональной подсистемой эксплуатации корабля, обеспечивающая основную деятельность флота т.е. подсистемой, которая при выполнении свойственных задач кораблем в море должна обеспечить минимально возможную интенсивность изменения технического состояния кораблей.

На систему технической эксплуатации оказывает существенное влияние ряд факторов и ограничений. В результате анализа выявлены входные факторы влияния: технический уровень, надежность, условия эксплуатации и возраст кораблей, ограничения по ресурсам. К выходным показателям системы технической эксплуатации относятся ремонтный период и затраты на техническую эксплуатацию. Подсистема технического использования определяет потребность в техническом обслуживании и ремонте, она связана с подсистемой технического обслуживания и ремонта. Часть ремонтных работ, которые не могут быть выполнены в подсистеме ТО, передается в подсистему ремонта. В зависимости от организации, возможностей и особенностей подсистемы техническое обслуживание в состав объективных показателей подсистемы ТО включает:

- оснащение средствами выполнения работ по ТО; продолжительность плаваний и длительность стоянок; районы плавания;

- приспособленность корабля и его элементов к выполнению ТО;

- возраст корабля и основных технических средств (увеличение трудоемкости и материалоемкости работ).

К субъективным факторам относятся условия стоянки кораблей в базе, т.е. система базирования, организация проведения работ. Подсистема ТО должна обеспечивать выполнение в процессе эксплуатации свыше 50% общего объема (трудоемкости) работ по ТО и ремонту корабля.

Система судоремонта. Входные показатели и характеристики этой подсистемы также разделяются на объективные и субъективные.

Объективные: климатические условия (температура воздуха и воды, соленость воды, влажность воздуха); приспособленность корабля и его элементов к ремонту, возраст корабля (увеличение температуры, трудоемкости и материалоемкости работ).

Субъективные факторы: материально-техническая база ремонта; технологические процессы; порядок и сроки подготовки ремонтной документации; приспособленность предприятий к климатическим условия.

Подсистема призвана обеспечить максимальную продолжительность ремонтных работ. При этом ее эффективность применительно к бюджету ремонтного времени обусловливается фактической среднесуточной выработкой и затратами на ремонт. К выходным показателям подсистемы ремонта относятся затраты на ремонт и интенсивность выполнения ремонтных работ. Как составная часть подсистемы рассматривается этап подготовки кораблей к ремонту, который существенно влияет на продолжительность ремонта. Система технической эксплуатации характеризуется различными показателями, одним из них является КТГ - коэффициент технической готовности.

КТГ = ТТГ / (ТТГ + ТТО + ТР) (18)

Коэффициент технической готовности это доля времени нахождения корабля в состоянии технической готовности относительно рассматриваемого календарного времени. Выполняя важнейшую задачу - обеспечение поддержания установленного количества кораблей в составе сил постоянной готовности, в настоящее время увеличивают продолжительность технического использования корабля, без каких-то дополнительных мер, что приводит к преждевременному его износу. Одним из путей повышения коэффициента постоянной готовности остается сокращение времени проведения заводских ремонтов, которое зависит от ряда факторов.

2.2 Влияние надёжности элементов на уровень технической готовности ГТЭУ в период нахождения корабля в составе сил ПГ

Надежность - это сложное свойство объекта или системы сохранять в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих его (ее) способности выполнять свои функции в течение заданного времени, и включает в себя частные самостоятельные свойства, такие как безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость.

Предметом исследования теории надежности являются как простые технические элементы, так и сложные технические системы. Под элементом подразумевается часть системы, предназначенная для выполнения определенных функций и неделимая на основные части на данном уровне рассмотрения. Элемент системы, с точки зрения теории надежности, может находиться, как правило, в одном из двух состояний: работоспособном и неработоспособном.

Корабельная ГТЭУ, с точки зрения теории надежности, является типичным представителем сложных систем. Отличительной особенностью сложной системы является то, что она может сохранять работоспособность (частичную или даже полную) при отказе отдельных составляющих ее элементов. Выход из строя (переход в неработоспособное состояние) отдельных элементов может либо не влиять на работоспособность, либо частично снижать ее, либо полностью переводить систему в неработоспособное состояние.

В случае выхода из строя одного или нескольких главных двигателей произойдет снижение уровня работоспособности ГТЭУ, установка уже не сможет обеспечить кораблю полную боевую скорость, хотя будет способна выполнять свои функции до определенного диапазона скоростей.

В период использования корабля и ГТЭУ по прямому назначению (плавания корабля, несения боевой службы или боевых дежурств) инженер-механиков в первую очередь интересуют вопросы безотказности (как много отказов возникает в системе), долговечности (как долго можно использовать систему) и технической готовности (доля времени пребывания системы в работоспособном состоянии).

При нахождении корабля в ремонте или ППО и ППР ремонтопригодность является одним из важнейших свойств, составляющих надежность ГТЭУ, т.к. именно это свойство определяет объем, сроки и затраты, связанные с ремонтом.

При нахождении корабля в консервации, либо отдельных элементов ГТЭУ в длительном хранении при бездействии, корабельная ЭУ может подвергаться различным неблагоприятным воздействиям, например, колебаниям температур и влажности. В этом случае сохраняемость как способность ГТЭУ противостоять отрицательному влиянию неблагоприятных воздействий выступает приоритетным среди остальных свойств надежности.

Условия применения корабельных ГТЭУ, связанные с необходимостью длительного функционирования и возможностью изменения режимов работы в широких диапазонах, нахождения в состояниях, характеризующихся различной степенью готовности к использованию, выделяют безотказность как наиболее важное свойство, характеризующее надежность установки.

Под безотказностью ГТЭУ понимается ее свойство непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки.

Безотказность рассматривается как самостоятельное свойство ГТЭУ, отображающее случайные события, связанные с ее отказами при эксплуатации. Поскольку речь идет о случайных событиях, то основу численного определения показателей безотказности составляет такая наука, как теория вероятностей.

Основными понятиями теории вероятностей являются опыт, событие, а также вероятность события.

Под опытом понимают совокупность явлений, при которых может наблюдаться некоторый количественный или качественный результат, именуемый исходом.

Событие - ожидаемый исход наблюдаемого опыта.

При оценке безотказности в качестве события рассматривается отказ, т.е. такое событие, исходом которого является переход ГТЭУ в неработоспособное состояние.

Должен быть определен ряд условий, прежде чем идентифицировать отказ ГТЭУ. К таким условиям относятся:

условия работоспособности ГТЭУ, т.е. условия реализации системных функций составляющих элементов и всей установки в целом (взаимосвязи между элементами при обеспечении условий работоспособности системы) с учетом резервирования элементов;

уровни функционирования ГТЭУ (логические критерии функционирования), т.е. четко определить исследуемый режим, либо это обеспечение максимально возможного хода, либо конкретной скорости хода в диапазоне от минимальной до максимальной, либо бесперебойное обеспечение электрическим питанием всех потребителей и т.д.

Количественная оценка безотказности ГТЭУ без учета указанных условий невозможна.

Уровни функционирования ГТЭУ, как правило, задаются исследователем. Это могут быть либо градации по развиваемой мощности установки, либо по скорости хода корабля, либо какие-нибудь другие функции ГТЭУ как, например, бесперебойное обеспечение потребителей корабля электроэнергией или холодом.

В примерах, рассмотренных ниже, ограничиваемся четырьмя уровнями функционирования ГТЭУ, соответствующими эффективной мощности развиваемой ГЭУ соответственно: 25% от номинальной, что соответствует скорости хода корабля до 8 узлов, 50% (до 14 узл), 75% (до 23 узл) и 100% (до 29 узл).

Описать условия работоспособности корабельной ГТЭУ, т.е. условия, при которых она может выполнять стоящую перед ней задачу, можно разными способами:

а) словесным описанием;

б) графически (с помощью структурной схемы системы);

в) аналитически (с помощью функций алгебры логики -ФАЛ).

Словесное описание условий работоспособности является наиболее распространенным и простым, но, как правило, очень громоздким и недостаточно четким.

Графическое описание с использованием структурной схемы системы является очень наглядным, но, как правило, неполным и неоднозначным.

Аналитическое (формализованное) описание условий работоспособности является наиболее четким, полным, однозначным, но пока еще мало распространенным и непростым.

При исследовании безотказности сложных систем целесообразно использовать все способы описания условий работоспособности, компенсируя их взаимные недостатки и дополняя одно описание другим.

На сегодняшний день, к сожалению, следует признать тот факт, что задаваемые заказывающими органами ВМФ количественные требования по надежности корабельных ГТЭУ не подтверждаются практикой эксплуатации. Это свидетельствует о том, что существующая система оценки количественных показателей по надежности и методики их расчета не всегда адекватно отражает фактические ее показатели или же не учитывает влияние всех факторов.

Ярким примером данного утверждения может служить тот факт, что при проектировании ЭУ БПК пр. 1155, выполнение требований ОТТ по безотказности, действоваших на тот период, обеспечивалось по принципу - вероятность безотказной работы (ВБР) отдельных комплектующих изделий установки на период наработки 5000 часов, должна быть не ниже требований ОТТ для всей установки в целом (0,96) на тот-же период. Практика эксплуатации впоследствии показала, что даже если отдельные комплектующие и удовлетворяют этому требованию, то безотказность всей установки оказалась значительно заниженной.

Безотказность системы нормируется величиной их безотказного функционирования (ВБФ) и периодом непрерывной работы, т.е. суммарной наработкой указанных систем в процессе непрерывного использования корабля по прямому назначению. Тем самым для турбинной установки ОТТ определены следующие показатели:

- ВБФ за период 5000 часов работы должна быть не ниже 0,96;

- период непрерывной работы одного ГТД -216 часов.

На сегодняшний день для оценки надежности корабельных ГТЭУ требуются методики учитывающие: режимы ее работы, состав работающих механизмов, наработку основных механизмов и, по-возможности, влияние деятельности обслуживающего персонала на основные ее составляющие.

Ниже рассмотрены основы теории и методологии одного из относительно новых современных направлений системного анализа, связанного с комплексной автоматизацией процессов построения расчетных вероятностных моделей систем, имеющих логически сложную структурную организацию.

В принятой модели функционирования ГТЭУ для расчета безотказности за основу взяты логические связи между элементами системы.

С первого взгляда может показаться, что функциональные связи предпочтительнее по многим причинам. Во-первых, они вскрывают физику процесса, протекающего в системе; во-вторых, в отдельных случаях эти функциональные зависимости иногда известны и хорошо изучены (но только не для корабельных ГТЭУ); в-третьих, они казалось бы не требуют привлечения аппарата случайных функций; в-четвертых, они позволяют оценить влияние на надежность конкретных параметров элементов и внешних воздействий. Тем не менее, для такой сложной системы, как ГТЭУ, ни одно из указанных преимуществ реализовать невозможно даже при условии использования современных ЭВМ.

Широкие возможности для построения моделей и оценки безотказности может дать аппарат алгебры логики, с помощью которого довольно просто можно описать множество состояний системы и разбить это множество на два непересекающихся подмножества, определяющих работоспособное и неработоспособное состояние системы.

Основные понятия, используемые при формализации условий работоспособности структурно-сложных систем на языке алгебры логики

Структурная схема системы - графическое изображение совокупности ее структурных элементов и функционально-логических связей между ними, предназначенное для формализации условий работоспособности. На структурной схеме все элементы системы равноценны, и это подчеркивается их одинаковым графическим изображением (в виде кружка) и одинаковым обозначением. Способ соединения элементов в функциональной схеме раскрывает структуру системы.

Структурный элемент системы - условный эквивалентный элемент, обладающий количественными характеристиками надежности некоторой совокупности соединенных (в функциональном смысле) реальных элементов системы.

С точки зрения надежности, система с разветвленной структурой может находиться только в двух характерных состояниях: в состоянии полной работоспособности (YГТЭУ = 1) и в состоянии полного отказа (YГТЭУ = 0). При этом предполагается, что работоспособность системы детерминированно зависит от работоспособности составляющих ее элементов, т.е. YГТЭУ является функцией х1, х2, х3..., хn, которые в свою очередь могут находиться также только в двух несовместных состояниях: либо в состоянии полной работоспособности (хi = 1), либо в состоянии полного отказа (хi = 0). В целом это предположение является до некоторой степени условным. Однако оно обладает тем бесспорным достоинством, что приводит к модели, которая имеет строгое аналитическое решение и является достаточно реальной.

Считая, что каждый элемент системы может находиться в двух несовместимых состояниях, состояние самой системы будет характеризоваться n-мерным вектором

Hn = {x1, x2,..., xn} (19)

который называется вектором состояния системы.

Таким образом, если каждый элемент может находиться только в двух состояниях, а всего в системе имеется n элементов, то общее число возможных состояний системы равно 2n.

Из (12) видно, что каждая координата вектора состояний системы Hn характеризует состояние ее конкретных элементов в данный момент, откуда следует, что вектор состояний системы является случайной величиной функции времени Hn(t).

Функцию алгебры логики, связывающую состояние элементов с состоянием системы

YГТЭУ(x1,..., xn) = Y (x) (20)

называют функцией работоспособности системы (ФРС) или условиями работоспособности системы (УРС).

Всякая ФАЛ, записанная через конъюнкцию или дизъюнкцию (без отрицания), задает некоторую монотонную функцию. Для монотонных структур функцию работоспособности системы можно записать с помощью так называемых кратчайших путей успешного функционирования и минимальных сечений отказов.

Таким образом, условия работоспособности реальной системы можно представить в виде условий работоспособности некоторой эквивалентной (в смысле надежности) системы, структура которой представляет параллельное соединение кратчайших путей успешного функционирования, или другой эквивалентной системы, структура которой представляет собой последовательное соединение отрицаний минимальных сечений.

Применение логико-вероятностных методов для оценки безотказности корабельных ГТЭУ

Логико-вероятностными называют методы системного анализа, в которых математический аппарат алгебры логики используется для первичного структурного и промежуточного аналитического описания знаний о правилах и условиях функционирования элементов в исследуемой системе, а методы теории вероятностей применяются для количественной оценки различных связей системы. Сказанное означает, что в рамках теории надежности математическая сущность логико-вероятностных методов (ЛВМ) заключается в использовании функций алгебры логики для аналитической записи условий работоспособности системы и в разработке строгих способов перехода от указанных логических функций к вероятностным функциям, выражающим безотказность системы.

Методология использования ЛВМ для оценки безотказности систем предусматривает 4 этапа, рассмотренные ниже на примере простейшей ГТЭУ.

Этап-1 Формализованная постановка задачи структурно-логического моделирования. Этап выполняется вручную и предусматривает:

1. Разработку формализованной структурной модели (схемы) исследуемой системы, по возможности, с дополнительными описаниями особенностей ее работы.

2. Задания исследуемого режима работы (уровня функционирования корабельной ГТЭУ или критерия функционирования) или нескольких режимов (уровней, критериев).

3. Определение числовых значений исходных вероятностных параметров структурных элементов (решение проблемы исходных данных).

В рамках ЛВМ выполнение 1-го этапа представляет собой:

а) Построение структурной модели или как ее называют иначе схемы функциональной целостности (СФЦ) (смотри Приложение 2.).

СФЦ простейшей ГТЭУ представлена на рисунке 3.

Здесь 1 , 2 . . . и т.д. обозначены простые бинарные события, состоящие в том, что элемент 1 или 2 и т.д. проработает безотказно в течение интересующе го нас времени и называются функциональными элементами СФЦ.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3 - СФЦ простейшей ГТЭУ.

С помощью ребер (дуг) y1, y2 и т.д. обозначены условия реализации соответствующими элементами своих функций. Например, для реализации функции 1-го элемента (y1) ничего не надо, кроме его собственной работоспособности. Четвертый элемент реализует свою функцию (y4),когда он обеспечивается 2-м элементам и сам находится в работоспособном состоянии.

Главное в событийно-логическом подходе и методике построения СФЦ - это четкое разделение понятий простого бинарного события 1 , 2 и т.п. - реализации собственной функции элемента и функционального сложного события y1, y2 и т.д. - реализации системной функции данным элементом.

Цифра 9 (вне кружочков) обозначает фиктивную вершину, служащую дополнительным изобразительным средством обозначения реализации системных функций несколькими элементами. В отличие от функциональных вершин, собственные события обозначенные фиктивными вершинами,всегда достоверны (Р=1), т.е. не требуют реализации функции собственной работоспособности элементом, т.к. элемент в данном случае отсутствует (вершина фиктивная).

Прежде всего, следует осознать, что СФЦ это своеобразная знаковая система, язык записи формализованных знаний о составе и условиях функционирования элементов в исследуемой системе. С одной стороны этот язык должен быть относительно простым и удобным для разработчика модели. С другой стороны, аппарат СФЦ должен позволять достаточно строго и точно представлять в структурной модели все существующие связи, отношения и зависимости, обеспечивающие ее адекватность исследуемой системе в целом.

По построению СФЦ, обычно не конкретная, частная, а некоторая обобщенная событийно-логическая модель системы. Она может представлять, как правило, не один конкретный режим работы системы, а условия функционирования элементов в системе, т.е. знания о реализованной организации работы всех кампонент системы.

В математическом смысле СФЦ - это графическая форма системы логических уравнений, где частные решения определяются после задания начальных условий, критериев функционирования системы и параметров элементов. Поэтому, чаще всего на основе СФЦ может (и должно) решаться множество задач моделирования и анализа системы, в которых представляется построение разных частных моделей и расчет ее характеристик при заданных значениях параметров элементов.

Физический смысл СФЦ - строго формализованно представить знания о функционировании элементов, т.е. при каких условиях реализует функцию каждый элемент.

б) Определение (задание) критерия функционирования системы (закона функционирования) или как его называют иначе логического критерия функционирования (ЛКФ).

В данном случае определен (задан) один критерий функционирования:

Y1 = y7 * y8 - развитие ГТЭУ мощности 100% номинальной;

ЛКФ - формализованные знания о работе элементов системы плюс условия ее функционирования (требования к системе).

в) Определение собственных вероятностных параметров элементов системы: Р1,Р2,Р3,Р4,Р5,Р6,Р7 и Р8. Определение этих параметров справедливо называют "проблемой исходных данных", которая должна решаться отдельно в различных областях системных исследований.

Предположим, что значения исходных вероятностных характеристик заранее известны и составляют соответственно: Р1=Р2=Р3=Р4=0,9; Р5=Р6= Р7 Р8=0,95

Следует иметь ввиду что построение такой модели выполняется только профессиональными специалистами в соответствующей предметной области исследований и что первичная модель еще не является вычислительной, т.е. на ее основе нельзя рассчитать значения характеристик надежности.

Этап 2. Построение логической функции работоспособности (ФРС). Это правила и условия функционирования элементов исследуемой системы. ФРС точно и однозначно определяет все состояния, в которых и только в которых реализуется данный логический критерий функционирования.

Вероятностный смысл ФРС - точное определение сложного случайного события, состоящего из простых, вероятность которых мы пытаемся найти. В нашем случае ФРС представлена в виде кратчайших путей успешного функционирования системы для каждого критерия в отдельности.

Для критерия Y1:

.

В тех случаях, когда структурная система велика, а критерии сложные, логические функции не могут быть построены вручную из-за высокой трудоемкости и большой размерности задачи, прибегают к автоматизированному структурно-логическому моделированию с использованием ЭВМ.

Этап 3. Построение вероятностной функции работоспособности системы. Это задача перехода от логических функций работоспособности по законам алгебры логики к расчетным арифметическим вероятностным функциям, выражающим безотказность сложных систем, или, другими словами, алгоритм вычисления сложного случайного события.

В нашем случае:

- для 100% мощности;

Этап 4. Выполнение расчетов системных вероятностных характеристик. Это завершающий этап логико-вероятностного анализа систем. Он основывается на использовании полученных, на предыдущем этапе вероятностных функций путем подставления в них вместо переменных значений исходных вероятностных характеристик безотказности элементов.

Ргтэу1 = 0,9•0.9•0,9•0,9•0,95•0,95•0,95•0,95=0,534 - для 100% мощности;

Оценка безотказности реальных ГТЭУ

Из практики эксплуатации 2-х вальных ГТЭУ известны множество возможных варианты их использования. Необходимость использования того или иного варианта в реальной обстановке диктуется различными обстоятельствами. Такими обстоятельствами могут быть:

- отказ отдельных элементов ГТЭУ при наличии необходимости развития кораблем хода.

- сознательным выводом из действия части элементов ГТЭУ с целью уменьшения расхода их ресурса и экономии топлива;

- желанием ЛПР разрешить компромисс путем выбора такого оптимального состава работающих механизмов, который обеспечил бы высокие показатели надежности ГТЭУ при сохранении приемлемых показателей экономичности и т.п.

С проблемой выбора оптимального состава работающих механизмов, скорости хода корабля при переходе в район и в районе плавания, чаще всего приходится сталкиваться ЛПР при планировании. Изменение состава работающих механизмов и режимов их использования (скорости хода) изменяют основные показатели эффективности ГТЭУ и корабля в целом, такие как надежность, живучесть, экономичность, скрытность, маневренность и безопасность.

ЛПР чтобы принять тот или иной состав механизмов необходимо определить перечисленные показатели количественно. Кроме того, желательно было бы также оценить значимость и вклад элементов ГТЭУ в безотказность установки для принятия дополнительных мер диагностики или других видов контроля по недопущению срыва ее работы. При плавании корабля в тропических условиях, с учетом того, что микроклимат в энергетических отсеках сильно ухудшается и значительно снижает надежность деятельности обслуживающего персонала, желательно было бы также оценить значимость и вклад вахтенных в безотказность установки и принять решение по сокращению времени несения вахты, если есть такая необходимость. Применение ЛВМ позволяет полностью решить поставленные вопросы.

Руководствуясь методологией, изложенной выше, на примере двухвальной ГТЭУ кораблей пр. 1155 (рисунок 4), произведем количественную оценку основных показателей ее безотказности, для наиболее характерного варианта использования установки:



Рисунок 4 - Принципиальная схема наиболее часто используемого варианта ГТЭУ.

Этап 1

а) Построение структурных моделей (схем функциональной целостности). Построение схем функциональной целостности производится для каждого варианта использования ГТЭУ в отдельности. Результат построения СФЦ для рассматриваемого варианта показан в приложении 2.

б) Определение (задание) критериев функционирования системы (ЛКФ)

Критерии функционирования системы (логические критерии функционирования) определены исходя из условий реализации установкой основной системной функции - обеспечение скорости хода корабля, соответствующей четырем уровням мощности, развиваемой установкой: до 25%, до 50%, до 75% и до 100% от номинальной. Это наиболее удобно, т.к. предполагает одновременную работу соответственно: 4-х, 3-х, 2-х и 1-го ГТД. Безусловно, для различных вариантов использования ГТЭУ эти критерии будут реализованы поразному, т.е. разным набором работающих механизмов и с различной вероятностью.

в) Определение собственных вероятностных показателей безотказности элементов, входящих в состав ГТЭУ

Определение вероятностных параметров элементов ГТЭУ справедливо называют "проблемой исходных данных", которая должна решаться отдельно в других областях системных исследований.

В качестве основной причины многих отказов ГТЭУ считают недостаточную подготовленность личного состава.

В аспекте определимости проблема исходных данных ЛВМ ничем не отличается от аналогичных проблем в любых других областях системного анализа и подобные утверждения звучат неубедительно.

Произведена обработка статистической информации по отказам основных элементов корабельных ГТЭУ. Результатми сбора и обработки статистической информации по безотказности элементов ГТЭУ являются функции распределения времени безотказной работы (P(t)) и интенсивности отказов (t).

Этапы 2 и 3.

На втором и третьем этапах при использовании ЛВМ предполагается построение логической функции работоспособности системы (ЛФРС) и, на ее основе, строгий переход к вероятностной функции (ВФ), количественно выражающей безотказность ГТЭУ. Учитывая сложность построения ЛФРС и ВФ из-за их большой размерности, эти задачи решаются автоматически на ЭВМ.

Этап 4

Выполнение расчетов вероятностных характеристик безотказности ГТЭУ.

Выполнение расчетов также производится автоматически на ПЭВМ путем подстановки значений исходных вероятностных показателей безотказности элементов вместо аргументов вероятностной функции.

С использованием вышеизложенной методики и программного обеспечения адаптированного на ПЭВМ, получены следующие системные показатели безотказности корабельных ГТЭУ:

а) Функция распределения времени безотказной работы

Представленная функция характеризует изменение вероятности безотказной работы ГТЭУ (РГТЭУ) в зависимости от времени ее непрерывной работы или наработки Т, для обозначенных четырех уровней (критериев) функционирования - уровней мощности, развиваемой установкой соответственно до 25%, до 50%, до 75% и до 100% от номинальной (смотри рисунок 5).

Рисунок 5 - Функция распределения времени безотказной работы ГТЭУ.

Из анализа полученных зависимостей можно сделать выводы:

1. С ужесточением уровня функционирования (увеличением потребной скорости хода корабля или эффективной мощности, развиваемой ГТЭУ) кривые более резко, по нисходящей, устремляются вниз, что вполне естественно, т.к. уменьшается кратность резервирования элементов ГТЭУ, обеспечивающих

3. Безотказность ГТЭУ современных НК ВМФ не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к надводным кораблям и их системам. Согласно последних, нормирована вероятность безотказного функционирования (ВБФ) корабельных ГТЭУ, которая за период 5000 ч непрерывной работы или наработки должна быть не ниже ВБФ 0,96.

Учитывая выражение для ВБФ:

ВБФГТЭУ = КГ • RГТЭУ (21)

где КГ - коэффициент готовности ГТЭУ, RГТЭУ - вероятность безотказной работы ГТЭУ, а также то обстоятельство, что КГ не может быть большим единицы, на основании данных по вероятности безотказной работы, можно подтвердить вышеизложенное утверждение.

Следует иметь в виду, что кривые (рисунок 5) построены для абсолютно нового, вышедшего с завода корабля. Учитывая, что интенсивность отказов у большинства составляющих элементов ГТЭУ не остается постоянной, то характер изменения этих кривых с увеличением наработки основных механизмов будет меняться. Об этом свидетельствуют нижеуказанные характеристики безотказности.

б) Изменение вероятности безотказной работы ГТЭУ в зависимости от наработки основных составляющих ее элементов.

Характерной особенностью при вычислении вероятности безотказной работы ГТЭУ с учетом наработки основных ее элементов является то, что в качестве исходных данных по безотказности элементов установки, подставляются не безусловные вероятности Ri(t), а условные вероятности Ri(/t). Условная вероятность Ri(/t) безотказной работы i-го элемента на временном промежутке t вычисляется исходя из того, что на момент прогноза элемент уже проработал часов. Сказанное может быть прокомментировано графически (смотри рисунок 6) Исходя из вышесказанного следует, что если известна функция распределения времени безотказной работы i-го элемента, то вероятность его безотказной работы на временном промежутке t при условии, что элемент уже проработал безотказно часов, может быть вычислена по формуле:

Р(t/) = Р(,t) /Рi(t) (22)

При построении графиков (на рисунке 5) за основу была взята наработка главных двигателей, наработка остальных механизмов учитывалась,

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Р() - вероятность безотказной работы изделия на временном промежутке ;

Р(t/) - условная вероятность безотказной работы изделия на временном промежутке t при условии, что проработало безотказно на временном промежутке ;

Р(,t) - совместная вероятность безотказной работы на временном промежутке +t.

Рисунок 6 - Графическая иллюстрация определения условной вероятности.

сообразуясь с вышеуказанной на основе статистической модели эксплуатации корабельных ГТЭУ.

Из представленных зависимостей следует, что с увеличением срока службы корабля и ГТЭУ происходит снижение вероятности безотказной работы установки на одном и том же временном промежутке. Это важное обстоятельство необходимо учитывать заместителям командиров соединений (объединений) по ЭМЧ при планировании использования кораблей с данным типом энергетики.

в) Средняя наработка на отказ ГТЭУ (между отказами).

Учитывая, что корабельная ГТЭУ является восстанавливаемым объектом (после отказа происходит восстановление работоспособности, и объект вновь может работать до отказа), к ней целесообразно применять показатель средней наработки на отказ (между отказами), а не показатель средней наработки до отказа, который характеризует безотказность невосстанавливаемых объектов.

Средняя наработка на отказ, вычисляется как интегральная функция вероятности безотказной работы

(23)

В соответствии с выражением (23) и на основании зависимостей, представленных на рис. 1, получены следующие значения среднего времени наработки на отказ для принятых уровней функционирования (смотри таблицу 1).

Таблица 1 - Средняя наработка на отказ корабельных ГТЭУ пр.1155

Уровень функционирования установки (скорость хода в узл не более)	Средняя наработка на отказ ГТЭУ, Т(час)
	Для ГТЭУ 1155
Ne, 25% Nном (до 8 узл)	4780
Ne , 50% Nном (до 14 узл)	4108
Ne , 75% Nном (до 23 узл)	3257
Ne , Nном(до 29 узл)	2937

Из таблицы 1 следует, что средняя наработка на отказ современных кораблей с ГТЭУ отличается, как в зависимости от требуемого уровня функционирования установки, так и от типа основного оборудования ГТЭУ.

г) Интенсивность отказов ГТЭУ

Интенсивность отказов (t) - это условная плотность вероятности отказа системы к моменту времении t при условии, что до момента времени t отказ не произошел

(t) = f(t) / P(t) (24)

Интенсивность отказов корабельной ГТЭУ может быть рассчитана на основе полученных функций распределения времени безотказной работы по формуле:

(25)

C использованием выражения (25) могут быть получены зависимости интенсивности отказов ГТЭУ от времени ее непрерывной работы или наработки для различных уровней функционирования установки (рисунок 7)



Рисунок 7 - Изменение интенсивности отказов ГТЭУ в зависимости от времени ее непрерывной работы или наработки.

Из представленных зависимостей следует, что интенсивность отказов реальных ГТЭУ, вопреки утверждениям отдельных проектных организаций и ЦНИИ ВМФ, не является постоянной величиной, а монотонно возрастает. Это очень важное обстоятельство, не позволяющее функцию надежности ГТЭУ (РГТЭУ(t)) относить к экспоненциальному закону ((t) = const), что существенно упрощало бы оценку и прогнозирование ее надежности. Следует иметь в виду, что с увеличением срока службы корабля личному составу ЭМБЧ следует ожидать увеличения проблем, связанных с обеспечением надежности установки из-за роста интенсивности отказов.

Опыт службы на надводных кораблях ВМФ с ГТЭУ подтверждает вышеизложенные утверждения.

Таким образом, на основе рассмотренной выше методологии, могут быть получены следующие основные количественные показатели эффективности использования ГТЭУ по критерию безотказности: вероятность безотказной работы (РГТЭУ), средняя наработка на отказ (Тср) и интенсивность отказов ГТЭУ ().

Под долговечностью ГТЭУ следует понимать ее свойство сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

Долговечность ГТЭУ зависит от долговечности ее элементов, которая определяется их ресурсом и сроком службы. Указанные показатели долговечности, как правило, нормируются, т.е. устанавливаются в нормативно-технической и конструкторской (проектной) документации (см. таблицу 2).

Таблица 2 - Нормированные значения долговечности элементов ГТЭУ

Значения показателей	Наименование показателей
	Ресурс до заводского ремонта,ч	Полный ресурс, ч	Полный срок службы, лет
МД	10 тыс	20 тыс	20-25
ФД	5 тыс	10 тыс	20-25
МР	10 тыс	20 тыс	20-25
ФР	5 тыс	20 тыс	20-25
МРП	25 тыс	25 тыс	20-25

Опыт эксплуатации показывает, что показатели долговечности таких элементов как ГТЗА, ТГ, ХМ, ОУ, и др. в существенно меньшей степени подвержены влиянию эксплуатационных факторов, ограничивающих их долговечность. В связи с этим долговечность ГТЭУ как сложной технической системы можно оценивать по долговечности наименее надежного элемента.

Показатели долговечности турбин зависят от их наработки, режимов использования, а также условий хранения в бездействующем состоянии. Существующие методы количественной оценки долговечности ориентированы только на учет часовой наработки, без учета режимов их работы и условий хранения, что является существенным недостатком. Это не позволяет личному составу вести объективный учет расхода ресурса.

Особенностью корабельных газовых турбин является то, что исчерпание их долговечности происходит как при работе, так и при его бездействии. При этом скорости протекания коррозии в обоих случаях соизмеримы. По этой причине не вполне корректным представляется проведение оценки долговечности по показателю ресурса. Более представительным показателем в этом случае является срок службы проточной части и лопаток, учитывающий снижение надежности турбины при ее работе и бездействии.

При использовании ГТЭУ по прямому назначению наиболее полной характеристикой надежности выступают комплексные ее показатели, которые учитывают несколько частных свойств, например, безотказности и ремонтопригодности. Действительно, если установка за определенный временной интервал будет иметь много отказов отдельных элементов, то это еще не является свидетельством ее низкой надежности. В случае если возникающие отказы будут быстро устраняться личным составом, что является свидетельством высокой ремонтопригодности отказавших элементов, то подавляющее большинство времени из рассматриваемого интервала установка будет находиться в работоспособном состоянии и способна выполнять свои функции.

Комплексными показателями надежности, наиболее полно характе ризующими ГТЭУ в период ее непосредственного использования, выступают коэффициент готовности Кг, коэффициент оперативной готовности Ког и коэффициент технического использования Кти.

Коэффициент готовности ГТЭУ КгГТЭУ представляет собой вероятность того, что система окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, когда использование ГТЭУ по назначению не предусматривается.

Коэффициент готовности определяется из выражения:

КгГТЭУ = Тср/ (Тср + Тв) (26)

где Тср - средняя наработка на отказ ГТЭУ;

Тв - среднее время восстановления ГТЭУ.

Учитывая, что Тср = 1/ , где - интенсивность отказов ГТЭУ, а

Тв = 1/,

где - интенсивность восстановлений ГТЭУ, выражение для расчета коэффициента готовности может быть записано по другому:

КгГТЭУ =(1/ )/(1/+1/)=/(+) (27)

Среднее время восстановления определяется либо как интегральная функция вероятности восстановления ГТЭУ

(28)

где Рв(t) - вероятность восстановления ГТЭУ, либо статистически

(29)

где n - количество отказов системы за исследуемый промежуток времени; Твi - время восстановления ГТЭУ после i-го отказа.

Следует иметь в виду, что расчет коэффициента готовности ГТЭУ с использованием выражений (26, 27), несмотря на возможность расчета Тср, затруднителен из-за сложности количественной оценки Тв.

Вопервых, использование выражения (27) не представляется возможным из-за недостаточности исследований в области ремонтопригодности ГТЭУ в целом как сложной системы, т.е. требуется получить статистически устойчивые характеристики функций распределения времени восстановления ГТЭУ. А это мероприятие сопряжено со многими проблемами, связанными со сбором и обработкой статистической информации.

Во-вторых, даже при наличии статистических данных по времени восстановления ГТЭУ появляются многие трудности. Дело в том, что, как указывалось выше, не всякий отказ элементов приводит к отказу ГТЭУ. Отказы отдельных элементов могут снижать уровень функционирования установки (скорость хода), отказы других - вообще не влиять на уровень функционирования ГТЭУ. Другими словами, из-за сложности определения состояния "отказ" для всей энергетической установки весьма проблематично определить начало и конец ее (ГТЭУ) восстановления, хотя может иметь место множество отказов элементов ГТЭУ, и личный состав постоянно прилагает усилия по их восстановлению. В то же время вероятностный смысл коэффициента готовности позволяет нам представить готовность всей системы как вектор состояния готовности составляющих ее элементов с учетом функциональных связей между ними.

КгГТЭУ = { Кг1, Кг2,..., Кгn } (28) (23)

где Кг1, Кг2, Кгn - коэффициенты готовности 1-го, 2-го и n-го элементов ГТЭУ соответственно.

Учитывая вышеизложенное, по аналогии с оценкой безотказности, для оценки коэффициента готовности ГТЭУ могут применяться логико-вероятностные методы с использованием одних и тех же ФРС и ВФ, но с той лишь разницей, что вместо исходных вероятностных характеристик безотказности составляющих элементов ГТЭУ Рi в выражение вероятностной функции подставляются значения коэффициентов готовности Кгi этих же элементов.

Коэффициенты готовности основных составляющих элементов ГТЭУ рассчитываются по аналогичному выражению

(29) (24)

где Тсрi - средняя наработка на отказ i-го элемента ГТЭУ, которая рассчитывается на основании полученных в функций распределения времени безотказной работы элементов ГТЭУпо выражению

(30) (25)

Твi - среднее время восстановления i-го элемента ГТЭУ; i - интенсивность отказов i-го элементов; i - интенсивность восстановления i-го элемента.

Твi, i рассчитываются, исходя из опыта службы на надводных кораблях с ГТЭУ, на основе информации по отказам элементов ГТЭУ, восстанавливаемых в корабельных условиях, с использованием выражений:

i = 1/Твi (31) (26)

(32) (27)

где m -количество потенциально возможных видов отказов i-го элемента ГТЭУ, восстанавливаемых в корабельных условиях; Твj - среднее время восстановления j-го отказа i-го элемента ГТЭУ.

Коэффициент готовности ГТЭУ, рассчитанный с использованием выражений (26), (27) и (28), представляет собой нестационарный (мгновенный) коэффициент готовности на момент времени t. Его значение изменяется с увеличением наработки основных механизмов установки из-за того, что интенсивность отказов большинства из них имеет тенденцию к росту. В том случае, если бы интенсивности отказов элементов ГТЭУ не изменялись с течением времени: что свидетельствовало бы от экспоненциальном законе функций распределения времени их безотказной работы (i= const), то можно было бы вести речь о стационарном (установившемся) коэффициенте готовности ГТЭУ, не зависящем от времени ее нахождения в эксплуатации или старения элементов.

С увеличением наработки основных механизмов, из-за роста интенсивности отказов элементов ГТЭУ, коэффициент готовности, как правило, уменьшается, а характер снижения коэффициента готовности ГТЭУ зависит от уровня функционирования установки и от типа основного комплектующего оборудования ГТЭУ. Коэффициент оперативной готовности ГТЭУ представляет собой вероятность того, что система окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени tо, кроме планируемых периодов, в течение которых применение объекта по назначению не предусматривается, и, начиная с этого момента, будет работать безотказно в течение заданного интервала времени t1.

Из определения следует, что коэффициент оперативной готовности совпадает с вероятностью безотказного функционирования.

Коэффициент оперативной готовности определяется из выражений:

(33) (28)

где РГТЭУ(t1) - вероятность безотказной работы ГТЭУ на временном интервале t1; КгГТЭУ- коэффициент готовности ГТЭУ; t1- заданный временной интервал. Неизвестные величины КгГТЭУ и РГТЭУ(t1) в выражении (33) определяются с использованием логико-вероятностных методов, содержательная часть которых изложена выше.

Коэффициент оперативной готовности зависит, прежде всего, от длительности временного интервала, t1, на котором прогнозируется работа ГТЭУ, потребного уровня функционирования установки и наработки основных элементов установки.

Рисунок 8 - Изменение коэффицента оперативной готовности ГТЭУ в зависимости от времени ее наработки.

Коэффициент технического использования представляет собой математическое ожидание суммарного времени пребывания ГТЭУ в работоспособном состоянии за некоторый период эксплуатации к математическому ожиданию суммарного времени пребывания объекта в работоспособном состоянии и простоев, обусловленных техническим обслуживанием и ремонтом за тот же период. Или, по другому, коэффициент технического использования представляет собой коэффициент готовности ГТЭУ при условии, что время нахождения установки в неработоспособном состоянии складывается из времени восстановления Тв, времени планового технического обслуживания То и времени ожидания восстановления (простоев) Тож, если таковые имеют место.

Коэффициент технического использования определяется из выражения:

Кти = Тср/( Тср + Тв + То + Тож) (34) (29)

Методология определения неизвестных Тср и Тв, входящих в выражение (34), изложена выше, при оценке коэффициента готовности ГТЭУ.

Характер изменения коэффициента использования ГТЭУ, аналогично изменению коэффициента готовности, определяется тремя величинами: потребным уровнем функционирования ГТЭУ, составом основного оборудования и временем нахождения ГТЭУ в эксплуатации (наработки основных технических средств).

Время технического обслуживания основных элементов ГТЭУ Тоi определяется на основании инструкции по ППО и ППР технических средств корабля и опыта службы на НК ВМФ.

При оценке времени ожидания восстановления технических средств Тожi следует исходить из того, что в период использования корабля по прямому назначению любые отказы элементов ГТЭУ должны устраняться без промедления, т.е. считать Тож = 0. В период заводских или других ремонтов возможны ситуации, когда время ожидания может отличаться от нуля и весьма значительно.