Система для определения и обеспечения показателей надёжности объекта военной техники

Изобретение относится к военной техники и может быть использовано для определения и обеспечения показателей надежности транспортных средств специального назначения, оснащенных кузовом - фургоном и имеющих сложную пространственную схему размещения оборудования и аппаратных средств.

Известна система для определения и обеспечения показателей надежности и бесперебойности сетей водоснабжения и водоотведения (см. патент RU №2560831, опубл. 27.03.15, Бюл. №9), принятая за прототип. Система для определения и обеспечения показателей надежности и бесперебойности сетей водоснабжения и водоотведения содержит блок первичной обработки, который выполнен в виде параллельно присоединенных к входу блока, по меньшей мере, ячеек ввода информации по количеству участков n, по длинам участков I_j, диаметрам участков D_j, расходам участков q_j сети, где 0<j≤n, продолжительности расчетного периода t, показателям надежности колодцев, показателям надежности труб или материалов труб, выходы которых соединены с выходом блока, система дополнительно снабжена блоком расчета показателей надежности элементов сети, выполненным в виде параллельно присоединенных к входу блока ячеек расчета показателей надежности труб, расчета интенсивностей отключения участков, расчета интенсивностей ремонта участков, расчета комплексных показателей ремонтопригодности участков, выходы которых присоединены к выходу блока, при этом выход ячейки расчета показателей надежности труб соединен с входом ячейки расчета интенсивностей отключения участков, а выходы ячейки расчета интенсивностей ремонта участков и ячейки расчета интенсивностей отключения участков соединены с входом ячейки расчета комплексных показателей ремонтопригодности участков, блоком определения вероятностных показателей надежности сети, выполненным в виде параллельно присоединенных к входу блока ячеек расчета вероятности нахождения j-го участка во время t в состоянии отказа, расчета вероятности нахождения сети во время t в работоспособном состоянии, расчета вероятности нахождения сети во время t в частично-работоспособном состоянии, выходы которых соединены с выходом блока, при этом выход блока первичной обработки информации соединен с входом блоков расчета показателей надежности элементов сети, выход блока расчета показателей надежности элементов сети присоединен к входу блока определения вероятностных показателей надежности сети.

Система для определения и обеспечения показателей надежности и бесперебойности сетей водоснабжения и водоотведения дополнительно снабжена блоком определения технологических показателей надежности сети водоотведения, выполненным в виде параллельно присоединенных к входу блока ячеек расчета объема аварийного сброса неочищенных сточных вод из-за аварий и засорений j-го участка, расчета объема воды, отводимого сетью за расчетный период эксплуатации t при нахождении ее в работоспособном состоянии, расчета объема воды, отводимого сетью за расчетный период эксплуатации t при нахождении ее в частично-работоспособном состоянии, расчета объема аварийного сброса неочищенных сточных вод из-за аварий и засорений за расчетный период эксплуатации t, выходы которых соединены с выходом блока, при этом выход блока первичной обработки информации соединен с входом блока определения технологических показателей надежности сети водоотведения, выход блока определения вероятностных показателей надежности сети присоединен к входу блока определения технологических показателей надежности сети водоотведения.

Недостатками системы, принятой за прототип, являются:

- ограниченная область применения расчетов;

- высокая степень погрешности;

- высокая сложность и большой объем методики расчетов показателей надежности.

Предлагаемым изобретением решается задача по повышению эффективности и точности расчетных методов определения показателей надежности при проектировании и эксплуатации транспортных средств специального назначения.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в формировании системы для определения и обеспечения показателей надежности объекта военной техники, который позволяет определить ожидаемый уровень надежности топопривязчика в соответствии с заданными показателями надежности при выбранном варианте схемно-конструкторского решения в заданных условиях и режимах эксплуатации, а также возможность перехода к следующей стадии разработки.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемой системе для определения и обеспечения показателей надежности объекта военной техники, содержащей блоки определения показателей надежности в соответствии со структурной схемой определения надежности, сведения об условиях и режимах эксплуатации разрабатываемого изделия, конструкторскую документацию, имеющуюся к данному моменту разработки изделия, информацию о режимах применения и надежности используемых сборочных единиц и комплектующих элементов, новым является то, что объектом определения ожидаемого уровня надежности является топопривязчик, в соответствии с выбранным схемно-конструкторским решением размещенный на базе шасси автомобиля повышенной проходимости с кузовом-фургоном, расчетные блоки определения показателей надежности сформированы в соответствии с двумя структурными схемами: структурной схемой надежности аппаратуры топопривязчика и структурной схемой надежности аппаратуры определения дифференциальных поправок, расчет показателей надежности топопривязчика состоит из следующих блоков: первого блока определения показателя безотказности - средней наработки на отказ согласно структурной схеме надежности аппаратуры топопривязчика Т_О1 и согласно структурной схеме надежности аппаратуры определения дифференциальных поправок Т_О2, второго блока определения показателя ремонтопригодности - среднего времени восстановления Т_В с учетом реализации автоматизированного контроля работоспособности и диагностики составных частей топопривязчика, третьего блока определения коэффициента готовности для аппаратуры топопривязчика К_Г1 и для аппаратуры определения дифференциальных поправок К_Г2, четвертого блока определения количественных показателей долговечности: гамма-процентного срока службы Т_{С СЛγ} и гамма-процентного ресурса работы Т_Рγ.

Формирование расчетных блоков определения показателей надежности в соответствии с двумя структурными схемами: структурной схемой надежности аппаратуры топопривязчика и структурной схемой надежности аппаратуры определения дифференциальных поправок, позволяет:

- наиболее достоверно оценить показатели надежности аппаратуры топопривязчика в целом;

- оценить показатели надежности аппаратуры топопривязчика при его работе в режиме контрольно-корректирующей станции, что на порядок повышает точность средств космической навигации, используемых всеми потребителями сигналов КНС ГЛОНАСС и GPS в позиционном районе путем формирования и выдачи им дифференциальных поправок.

Включение в расчет показателей надежности топопривязчика блока определения показателя безотказности - средней наработки на отказ согласно структурной схеме надежности аппаратуры топопривязчика Т_О1 и согласно структурной схеме надежности аппаратуры определения дифференциальных поправок Т_О2, позволяет:

- оценить полученные значения средней наработки на отказ с заданными значениями;

- принять при необходимости решения по корректировке конструкторской (технологической) документации.

Включение в расчет показателей надежности топопривязчика блока определения показателя ремонтопригодности - среднего времени восстановления Т_В позволяет:

- оценить временные затраты на восстановление работоспособности топопривязчика;

- оценить возможность автоматизированного контроля работоспособности и диагностики составных частей;

- оценить время на демонтаж, замену и установку составных частей топопривязчика.

Включение в расчет показателей надежности топопривязчика блока определения коэффициента готовности для аппаратуры топопривязчика К_Г1 и для аппаратуры определения дифференциальных поправок К_Г2 позволяет оценить готовность к работе топопривязчика.

Включение в расчет показателей надежности топопривязчика блока определения гамма-процентного срока службы Т_{С СЛγ} и гамма-процентного ресурса работы Т_Рγ позволяет:

- оценить количественные показатели долговечности;

- свести полученные результаты для составных частей в таблицу.

Технические решения с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, не известны и явным образом из уровня техники не следуют. Это позволяет считать, что заявляемое решение является новым и обладает изобретательским уровнем.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана структурная схема надежности аппаратуры топопривязчика; на фиг. 2 - структурная схема надежности аппаратуры определения дифференциальных поправок.

В данном случае объектом военной техники является топопривязчик, предназначенный для решения задач топогеодезической подготовки боевых действий ракетных войск и артиллерии Сухопутных Войск. Топогеодезическая подготовка войск включает:

- заблаговременную подготовку в топогеодезическом отношении района расположения элементов боевых порядков войск и их оперативной привязки;

- оперативную топогеодезическую привязку огневых и стартовых позиций ракетных войск и артиллерии Сухопутных войск, постов и пунктов наблюдения;

- вождение колонн войск ночью и в условиях местности, на которой мало контурных точек, а также по заранее заданному маршруту с использованием электронных топографических карт;

- рекогносцировка маршрутов движения и привязки недоступных точек;

- нанесения на карту дорог и условных знаков;

- контроль и уточнение топогеодезической привязки, выполненной другими средствами;

- развитие специальных геодезических сетей.

Отличительной особенностью топопривязчика от мировых аналогов является возможность работы в режиме контрольно-корректирующей станции, что на порядок повышает точность средств космической навигации, используемых всеми потребителями сигналов КНС ГЛОНАСС и GPS в позиционном районе путем формирования и выдачи им дифференциальных поправок.

Аппаратура топопривязчика размещена в кузове-фургоне (К-Ф) 1 на базе шасси автомобиля повышенной проходимости. В состав топопривязчика входят аккумуляторные батареи (АКБ) 2, генератор (Г) 3, распределительное устройство (РУ) 4, контрольно-корректирующая станция (ККС) 5, аппаратура передачи данных (АПД) 6, радиостанция (PC) 7, механический датчик скорости (МДС) 8, доплеровский датчик скорости (ДДС) 9, система определения высоты (СОВ) 10, инерциальная навигационная система (ИНС) 11, программно-аппаратный комплекс (ПАК) 12, устройство документирования (УД) 13, аппаратура спутниковой навигации (АСН) 14.

Система для определения и обеспечения показателей надежности объекта военной техники реализуется следующим образом. Система для определения и обеспечения показателей надежности объекта военной техники служит для определения ожидаемого уровня надежности топопривязчика. Оцениваемыми показателями, характеризующими ожидаемый уровень надежности топопривязчика, являются:

- коэффициент готовности;

- средняя наработка на отказ топопривязчика (показатель безотказности), ч;

- среднее время восстановления работоспособного состояния топопривязчика (показатель ремонтопригодности), ч;

- назначенный ресурс топопривязчика (показатель долговечности), ч;

- назначенный срок службы (показатель долговечности), ч.

Исходными данными для определения ожидаемых показателей надежности являются:

- сведения об условиях и режимах эксплуатации разрабатываемого топопривязчика;

- конструкторская документация на топопривязчик, имеющаяся на данный момент разработки;

- информация о режимах применения и надежности используемых сборочных единиц и комплектующих элементов.

Далее составляется структурная схема надежности аппаратуры топопривязчика и структурная схема надежности аппаратуры определения дифференциальных поправок. При определении ожидаемых показателей надежности топопривязчика принимаются следующие допущения топопривязчика:

- закон распределения времени работы между отказами с учетом капитальных ремонтов - экспоненциальный;

- отказы сборочных единиц независимые, случайные;

- потоки отказов и восстановлений - простейшие;

- каждая сборочная единица (каждый комплектующий элемент) топопривязчика и топопривязчик в целом могут находиться в одном из двух возможных состояний: работоспособном или неработоспособном;

- нормативные значения показателей долговечности приравниваются к 90% показателям долговечности;

- минимальные или гарантийные значения ресурса, срока службы комплектующих элементов, невосстанавливаемых в условиях эксплуатации сборочных единиц, приравниваются к 99% гамма ресурсу, сроку службы;

- если отсутствуют данные о сроке службы комплектующих элементов, невосстанавливаемых в условиях эксплуатации сборочных единиц, тогда минимальное значение срока службы приравнивается к минимальному значению срока сохраняемости.

Выполнение требований к показателям надежности проверяется с помощью следующих соотношений:

,

,

,

,

,

где Т₀ - расчетное значение величины средней наработки на отказ топопривязчика, вычисленное по формулам (6) и (7), ч;

Т_0Н - нормативное значение средней наработки на отказ топопривязчика;

Т_В - расчетное значение величины среднего времени восстановления работоспособного состояния топопривязчика, полученное при реализации второго блока определения показателя ремонтопригодности, ч;

Т_ВН - нормативное значение среднего времени восстановления работоспособного состояния топопривязчика, ч;

Т_С.СЛ.γ - расчетное значение ресурса топопривязчика при γ=90%, вычисленное по формуле (10), ч;

Т_РН - нормативное значение ресурса топопривязчика, ч;

Т_С.СЛ.γ - расчетное значение величины срока службы топопривязчика при γ=90%, вычисленное по формуле (12), г;

Т_С.СЛ.Н - нормативное значение срока службы;

К_Г - расчетное значение коэффициента готовности, вычисленное по формуле (9);

К_ГН - нормативное значение коэффициента готовности.

Первый блок определения показателя безотказности - средней наработки на отказ (показателя безотказности)

Величина средней наработки на отказ согласно структурной схеме надежности аппаратуры топопривязчика, приведенной на фиг. 1, определяется по формуле:

,

где P₁^'(t) и Р₂^'(t) - вероятности безотказной работы с учетом резервирования;

P_K(t), P_PУ(t), Р_ПАК(t), Р_АПД(t), P_PC(t), P_УД(t) - вероятности безотказной работы К-Ф 1, РУ 4, ПАК 12, АПД 6, PC 7 и УД 13 соответственно.

Величина средней наработки на отказ согласно структурной схеме надежности аппаратуры определения дифференциальных поправок, приведенной на фиг. 2, определяется по формуле:

где Р^''(t) - вероятности безотказной работы с учетом резервирования;

P_K(t), P_PУ(t), Р_ККС(t), Р_АПД(t), P_PC(t) - вероятности безотказной работы К-Ф 1, РУ 4, ККС 5, АПД 6 и PC 7 соответственно.

При расчете P'(t) и P''(t) использовалась формула соединения двух составных частей, работающих параллельно и имеющих интенсивность отказов λ₁ и λ₂.

Состав и интенсивности отказов сборочных единиц аппаратуры топопривязчика сводятся в таблицу 1.*

В результате проведенного расчета получен следующий показатель безотказности аппаратуры топопривязчика

- средняя наработка на отказ изделия, ч:

Т₀₁=1136

Состав и интенсивности отказов сборочных единиц аппаратуры определения дифференциальных поправок приведены в таблице 2.^*1

В результате проведенного расчета получен следующий показатель безотказности аппаратуры определения дифференциальных поправок:

- средняя наработка на отказ изделия, ч

Т₀₂=811.

Второй блок определения показателя ремонтопригодности - среднего времени восстановления

Величина среднего времени восстановления Т_В характеризует восстанавливаемость и ремонтопригодность изделия в зависимости от методов контроля работоспособности, диагностики отказов, временных затрат на восстановление работоспособности.

Временные затраты на доставку ЗИП, ожидание очереди на ремонт (восстановление) не учитываются при оценке Т_В, так как характеризуют организацию эксплуатации изделия.

В топопривязчике предусматривается автоматизированный контроль работоспособности и диагностики составных частей до определенной глубины поиска (до субблока).

Временные затраты на восстановление работоспособности будут определяться, в основном, временными затратами на демонтаж, замену отказавших составных частей, а также контроль работоспособности изделия после восстановительных работ.

Сравнительный анализ восстанавливаемости изделия-аналога, имеющего подобный приборный состав, методология контроля и диагностики изделия позволяет сделать вывод, что ожидаемое Т_В проектируемого изделия составит Т_В≈0,5 ч.

Данная оценка является ориентировочной и уточняется по результатам испытаний и эксплуатации топопривязчика.

Третий блок определения коэффициента готовности

Величина коэффициента готовности топопривязчика определяется по формуле:

где Т_О - расчетное значение величины средней наработки на отказ топопривязчика, вычисленное по формулам (6) и (7);

Т_В - расчетное значение величины среднего времени восстановления работоспособного состояния изделия, полученное при реализации второго блока определения показателя ремонтопригодности.

В результате проведенного расчета получены следующие значения коэффициента готовности:

- К_Г1=0,9996 - для аппаратуры топопривязчика;

- К_Г2=0,9994 - для аппаратуры определения дифференциальных поправок.

Четвертый блок определения количественных показателей долговечности

Количественные показатели долговечности определяются через гамма-процентные величины. В соответствии с допущениями заданные показатели долговечности определяются с γ=90%.

Гамма-процентный ресурс работы T_Pγ=90% топопривязчика определяется по формуле:

1≤I≤N

где T_Рγ=90% - значение гамма-процентного ресурса топопривязчика при γ=90%, ч;

minT_IPγ=90% - значение гамма-процентного ресурса 1-й сборочной единицы при γ=90%, ч;

i=1, …, N - количество сборочных единиц в составе изделия, в соответствии с таблицей 1, шт.

где Т_JPγ=90% - значения гамма-процентного ресурса J-го комплектующего элемента при γ=90%, ч.

Гамма-процентный срок службы Т_{С.СЛ.γ=90%} определяется по формуле:

1≤I≤N

где minT _{lс.сл.γ=90%}, - значение гамма-процентного срока службы JI-й сборочной единицы при y=90%,

где minТ_{lс.сл.γ=90%} - значение гамма-процентного срока службы J-й сборочной единицы при y=90%, г.

Значения гамма-процентных ресурса и срока службы комплектующих элементов, сборочных единиц выбирают из соответствующих технических документов (справочников по надежности, технических условий и других информационных источников) с заданной вероятностью γ. Если значение у в технической документации отсутствует, тогда значение у принимается в соответствии с допущениями.

Для приведения значений гамма-процентного ресурса заданного в технической документации к расчетному используются соотношения (4):

- для изделий электронной техники (постоянных резисторов, конденсаторов, полупроводниковых приборов, трансформаторов и т.д., а также для невосстанавливаемых сборочных единиц из этих элементов)

- для переключающих устройств, релейно-контактных элементов, сельсинов, вращающихся трансформаторов, разъемов, двигателей и т.д., а также для невосстанавливаемых сборочных единиц из этих элементов

где Т_Ру2 - значение гамма-процентного ресурса соответствующее γ₂, ч;

T_Рγ1 - значение гамма-процентного ресурса, заданного в технической документации, соответствующее γ₁, ч;

γ₂ - значение γ, при котором оценивается значение гамма-процентного ресурса;

γ₁ значение γ, при котором заданы (приняты) значения ресурса в технической документации;

b - параметр распределения Вейбулла (b=2).

Для приведения значений гамма-процентного срока службы, заданного в технической документации, к расчетному используется соотношение:

где Т_С.СЛ.γ2 - расчетное значение гамма-процентного срока службы, соответствующее γ₂, г.;

Т _С.СЛ.γ1 - значение гамма-процентного срока службы, заданное в технической документации, соответствующее γ₁, г.;

γ₂ - значение γ, при котором оценивается значения гамма-процентного срока службы;

γ₁ - значение γ, при котором заданы (приняты) значения срока службы в технической документации;

U_γ2, U_γ1 - соответственно квантили нормального распределения уровней γ₂, γ₂;

V - коэффициент вариации распределения срока службы, срока сохраняемости (V=0,3).

Расчетные значения гамма-процентного ресурса топопривязчика, с учетом допущений приведены в таблице 3.

Расчетные значения гамма-процентного срока службы топопривязчика, с учетом допущений приведены в таблице 4.

В результате проведенного расчета получены следующие значения количественных показателей надежности топопривязчика:

- значение средней наработки на отказ аппаратуры топопривязчика, ч

Т_О1=1136 (заданное значение Т_О=1000);

- значение средней наработки на отказ аппаратуры определения дифпоправок, ч

Т_О2=811 (заданное значение Т_О=1000);

- значение среднего времени восстановления, ч

Т_В ≈ 0,5 (заданное значение Т_В≤0,5);

- значение назначенного ресурса, ч

T_Рγ=4700 (заданное значение Т_Р=15000);

- значение назначенного срока службы, лет

Т_С.СЛ.γ=4(заданное значение Т_{с сл}=20);

- значение коэффициента готовности аппаратуры топопривязчика

К_г1=0,9996 (заданное значение К_г=0,99);

- значение коэффициента готовности аппаратуры определения дифпоправок

К_Г2=0,9994 (заданное значение К_Г=0,99).

Таким образом, в предлагаемом изобретении решена задача по достижению технического результата, заключающегося в создании системы для определения и обеспечения показателей надежности объекта военной техники, который позволяет определить ожидаемый уровень надежности топопривязчика в соответствии с заданными показателями надежности при выбранном варианте схемно-конструкторского решения в заданных условиях и режимах эксплуатации, а также возможность перехода к следующей стадии разработки.