3.3. Розрахункові методи визначення безвідмовності та функційної безпечності

Показники функційної безпечності й безвідмовності визначають розрахунковим методом на підставі довідкових даних надійності комплектувальних виробів, що належать до складу об’єкта, і відповідних розрахункових формул. Вимоги безвідмовності і функційної безпечності визначають за Технічним завданням на розроблення технічних засобів з урахуванням ДСТУ 4178 [2].

Для розрахунку необхідно визначити працездатний, непрацездатний, захисний, безпечний і небезпечний стан, а також захисну та небезпечну відмову заданого об’єкта. Наприклад, захисний стан – неможливість увімкнення електродвигуна залізничної стрілки при необхідності її переведення, поява заборонного сигналу на світлофорі замість дозвільного; небезпечний стан - несанкціоноване увімкнення електродвигуна залізничної стрілки; поява зеленого або жовтого вогню на світлофорі замість червоного.

Розрахунок проводиться на базі принципової або структурної схеми об’єкта, специфікації його елементів. Для розрахунків використовують показники експлуатаційної надійності і функційної безпечності елементів об’єкта. Розрахунок зазначених показників виконують за такими етапами:

а) визначення або одержання від підприємств-виробників (замовника) значень інтенсивностей захисних і небезпечних відмов елементів, що входять до об’єкта;

б) визначення умов експлуатації та режимів функціонування елементів об’єкта;

в) розрахунок експлуатаційних інтенсивностей захисних і небезпечних відмов елементів об’єкта.

Значення інтенсивностей відмов елементів об’єкта одержують від підприємств-виробників або визначають за довідниками надійності комплектувальних виробів, наприклад, за довідником [5]. Значення інтенсивностей небезпечних відмов елементів також одержують шляхом проведення спеціальних статистичних випробувань або за результатами їхньої експлуатації. Якщо достовірних даних із розподілу небезпечних і захисних відмов в елементах об’єкта немає, тоді інтенсивності небезпечних відмов приймають рівними інтенсивностям відмов, наведеним у технічній документації або довідниках із надійності комплектувальних елементів.

З урахуванням реальних умов експлуатації та електричних навантажень експлуатаційну інтенсивність відмов елементів визначають так:

(3.1)

де _о – інтенсивність відмов елементів, що відповідає температурі навколишнього середовища 25⁰С і номінальному електричному навантаженню;

N – число чинників, які впливають на експлуатаційну надійність елемента;

К_i – поправочні коефіцієнти, які враховують вплив різних чинників на експлуатаційну надійність елемента.

Інтенсивності відмов i–елементів _оі та поправочні коефіцієнти К_i, які наведені нижче, визначають за довідником [5], або іншими довідковими даними.

Інтенсивність відмов інтегральних мікросхем визначають за формулою

_е = _оi К_е К_н , (3.2)

де _оi – інтенсивність відмов i – мікросхеми при температурі 25⁰С та номінальному електричному навантаженні;

К_е – коефіцієнт, який враховує умови експлуатації (для об’єктів, які експлуатуються на рухомому складі залізниць К_е = 2,5; для інших умов експлуатації на залізничному транспорті К_е = 2,0);

К_н – коефіцієнт навантаження.

Коефіцієнт навантаження для мікросхем дорівнює

де n – кількість навантажених на мікросхему входів;

К_вих – коефіцієнт розгалуження по виходу мікросхеми, що навантажується.

Інтенсивність відмов інтегральних мікросхем, для яких відсутні дані з їх надійності, визначають за формулою

_е = _ос.г К_сл К_е , (3.3)

де _ос.г – інтенсивність відмов групи мікросхем;

К_е – коефіцієнт, який враховує умови експлуатації (для об’єктів, які експлуатуються на рухомому складі залізниць К_е = 2,5; для інших умов експлуатації на залізничному транспорті К_е = 2,0);

К_сл – коефіцієнт складності інтегральних мікросхем, який враховує кількість в них елементів.

Інтенсивність відмов випрямних, універсальних та імпульсних діодів, діодних зборок визначають за такою формулою

_е = _оi К_р К_ф К_д._н К_з1 К_е , (3.4)

де К_р – коефіцієнт режиму, який залежить від електричного навантаження й температури;

К_ф – коефіцієнт, який враховує функціональний режим приладу (лінійний, перемикальний, випрямний та ін.);

Кд.н – коефіцієнт, який залежить від величини максимально допустимого за технічними умовами (ТУ) навантаження по потужності розсіювання (струму);

К_з1 – коефіцієнт, який залежить від величини відношення робочої напруги до максимально допустимої напруги за ТУ;

К_е – коефіцієнт, який залежить від умов експлуатації.

Інтенсивність відмов стабілітронів і діодів надвисокочастотних визначають за такою формулою

_е = _оi К_р К_е . (3.5)

Інтенсивність відмов транзисторів біполярних, транзисторних зборок (крім потужних та надвисокочастотних) дорівнює

_е = _оi К_р К_д.н К_з1 К_е. (3.6)

Інтенсивність відмов польових транзисторів і тиристорів визначають відповідно за такими формулами:

_е = _оi К_р К_ф К_е; (3.7)

_е = _оi К_р К_д.н К_е. (3.8)

Значення коефіцієнтів режиму К_р визначають за таблицями довідкових даних у залежності від температури й коефіцієнта електричного навантаження К_ел.

Для діодів і діодних зборок

де I_{пр.ср.роб} – робочий прямий середній струм;

I_{пр.ср.мах} – максимально допустимий за ТУ прямий середній струм.

Для стабілітронів

де I_ст.роб і I_ст.мах – робочий та максимально допустимий струми стабілізації

а бо

де Р_роб і Р_мах – робоча і максимально допустима потужності розсіювання.

Для тиристорів

де I_{ср. роб} і I_ср.max. – робочий та максимально допустимий за ТУ середні струми.

Інтенсивності відмов випромінювальних діодів, оптронів і оптоелектронних мікросхем визначають за такою формулою:

_е = _оi К_р К_е, (3.9)

де К_р – коефіцієнт режиму, який залежить від коефіцієнта електричного навантаження К_ел і температури;

К_е – коефіцієнт, який залежить від умов експлуатації.

Коефіцієнт електричного навантаження визначають так, як і для діодів.

Інтенсивність відмов конденсаторів визначають за формулою

_е = _оi К_с К_р К_е , (3.10)

де К_с – коефіцієнт, який залежить від величини номінальної ємності.

К оефіцієнт режиму К_р визначають у залежності від температури і коефіцієнта навантаження К_н, який обчислюють за

таким виразом:

де U_роб і U_н – робоча та номінальна напруги на конденсаторі.

Інтенсивність відмов резисторів визначають за такою формулою:

_е = _оi К_r К_m К_р К_е, (3.11)

де К_r – коефіцієнт, який залежить від величини номінального опору;

К_m – коефіцієнт, який залежить від величини номінальної потужності для металодіелектричних резисторів (для інших К_m = 1,0).

Коефіцієнт режиму К_р визначають у залежності від температури й коефіцієнта електричного навантаження К_н, який обчислюють у такий спосіб:

де Р і Р_н – робоча й номінальна потужності резистора.

Коефіцієнт К_m = 0,7 при потужності резисторів 0,062 – 0,5 Вт; К_m = 1 при потужності 1,0 – 2,0 Вт.

Інтенсивність відмов перемикачів і тумблерів визначають за формулою

_е = _оi К_р К_кк К_е , (3.12)

де К_кк – коефіцієнт, який залежить від кількості задіяних контактів.

К оефіцієнт режиму К_р визначають у залежності від коефіцієнта електричного навантаження К_ел, який дорівнює

де I та I_н– робочий та максимально допустимий струми за ТУ.

Інтенсивність відмов запобіжників визначають за формулою

_е = _оi К_t К_е (3.13)

де К_t – коефіцієнт режиму, який залежить від температури навколишнього середовища.

Інтенсивність відмов трансформаторів і дроселів визначають за такою формулою:

де К_t і К_t.ср – коефіцієнти режиму, які відповідають температурі навколишнього середовища і середній температурі експлуатації трансформаторів 50⁰ С.

Показники безвідмовності та функційної безпечності елементів є основою для розрахунку відповідних показників для пристроїв та систем, які визначаються двома основними методами [7]:

1. за розрахунково–логічними схемами безвідмовності та функційної безпечності;

2. за графами станів об’єктів.