Подходы к расчетам надежности

Различают два подхода к расчетам надежности: параметрический и непараметрический.
Параметрический подход основан на использовании моделей отказов нагрузка – прочность и параметр – поле допуска. Применение таких моделей возможно тогда, когда имеется информация о закономерностях распределений и процессов изменений прочности или определяющих параметров объектов, а также параметров нагрузок или допустимых значений параметров. Параметрический подход более точен, чем непараметрический, однако расчет при параметрическом подходе сложнее. Например, параметрический подход может быть использован при расчете вероятности отказа (обрыва) контактных проводов по износу. В этом случае степень износа контактного провода можно принять в качестве параметра, определяющего прочность. Допустимое значение износа, при котором провод обрывается, будет границей поля допуска.

При непараметрическом подходе используют информацию только о моментах отказов технических объектов. Понятно, что ограничение информации о состоянии объектов приводит к снижению точности расчетов. В настоящее время для значительной части устройств электроснабжения из-за недостатка знаний о закономерностях изменения их параметров расчет надежности может быть выполнен только таким способом.

Принято выделять три уровня исследований надежности.
Первый уровень – объект рассматривается как черный ящик, характеристика состояний которого – отказ и исправное. Для получения показателей надежности такого объекта всякий раз испытания необходимо проводить заново. Оценки показателей надежности при таком способе их определения наиболее достоверны, т. к. получены при испытании именно этого объекта. Если бы такой уровень исследований применялся при определении показателей надежности тяговой подстанции это потребовало бы больших затрат времени и материальных средств. Практически такой подход означал бы, что подстанцию нужно включить и в рабочем режиме продержать достаточно долго, чтобы проявились все закономерности отказов. В то же время полученные показатели надежности нельзя было бы распространить на другие подстанции из-за имеющихся различий в конструкции, сроках службы, параметрах нагрузок и т. д. Понятно, что такой подход применим только к недорогим и несложным объектам, не имеющим различий в конструкции и условиях функционирования.

Второй уровень – объект рассматривается как система, состоящая из отдельных элементов. Состояние каждого элемента может быть отказ или исправное. Надежность всего объекта (системы) рассчитывается на основании надежности отдельных элементов. Преимущества такого подхода заключаются в возможности расчета надежности нового объекта без проведения его испытаний. Например, вновь спроектировано и изготовлено устройство релейной защиты. Элементная база такого устройства содержит перечень типовых элементов (микросхем, транзисторов, диодов и т. д.). Показатели надежности таких элементов известны из справочной литературы. На основе известных показателей надежности всех элементов рассчитывается надежность устройства релейной защиты. При внесении в схему устройства каких – либо изменений расчет можно повторить и получить уточненные показатели надежности.

Третий уровень – у каждого элемента, входящего в объект, рассматриваются процессы изменений параметров, и на их основе находятся закономерности изменения параметров всего объекта. А уже по этим закономерностям рассчитываются показатели надежности объекта. Такой подход позволяет получить более точные оценки показателей надежности, так как он учитывает закономерности изменения параметров и нагрузок. Расчеты получаются достаточно сложными и требуют большой объем исходной информации об объекте. В настоящее время такой подход используется в расчетах надежности авиакосмической техники; для устройств электроснабжения транспорта он мало разработан.

Различают также два вида расчета надежности – структурный и функциональный. Структурный расчет надежности не учитывает степень влияния отказа на работоспособность объекта. Любой отказ объекта одинаково влияет на показатели надежности. Такой расчет проще, однако не отражает влияния надежности на потребительские качества объекта и на процесс коммерческой эксплуатации. Например, обрыв струны в цепной подвеске и падение опоры с подвеской одинаково квалифицируются как отказ контактной сети. Понятно, что если в первом случае возможен пропуск локомотивов с опущенным токоприемником, то во втором случае движение вообще невозможно.

Расчет функциональной надежности предполагает расчет надежности выполнения заданных функций объекта. Такой расчет наиболее полно показывает влияние надежности на потребительские качества объекта и учитывает не только полные, но и множество частичных отказов. Например, система электроснабжения должна обеспечивать уровень напряжения на шинах в пределах 2700 – 3850 В. Но из-за отказа системы регулирования напряжение колеблется в зависимости от нагрузки в пределах 2500 – 4000 В. Это приведет к ухудшению условий движения локомотивов, однако движение не прекратится. Система электроснабжения в этом случае будет выполнять свои функции с понижением показателей качества функционирования.