CC BY
227
Оценка надежности в концепции Интернета вещей
Лушпа И.В. Национальный исследовательский университет «Высшая
школа экономики» illushpa@hse.ru
Аннотация
В работе представлены методики прогнозирования надежности составных частей устройств концепции Интернет вещей. Для примера анализа взят класс электродвигателей.
1 Введение
Начиная с 1999, когда была сформулирована концепция Интернета вещей, промышленность и технологии сделали громадный скачок в развитии. Концепция Интернета вещей проникает во все сферы жизни человека, начиная с простых устройств как будильник или чайник и заканчивая системами домашней охраны. Причем имеются значительные перспективы развития в будущем [1].
Такое развитие несет за собой и высокие требования, в частности по надежности, которые необходимо учитывать [2]. Проблема такого учета заключается в том, что в состав исполнительных элементов входят как электронные компоненты, так и механические и электромеханические элементы [3]. И необходимо спрогнозировать каждый из них.
Целью исследования является анализ методик расчета надежности электродвигателей и разработке рекомендаций по их применению.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
1. Определение основных методик расчета.
2. Изучение математических моделей, применяемых в методиках.
3. Поиск области применения.
4. Разработка рекомендаций
2 Методики расчета интенсивностей отказов
В качестве примера будет рассмотрен анализ надежности электродвигателя. На рис. 1 представлен простейший сервопривод.
Рис. 1. Сервопривод
С точки зрения надежности, электродвигатели обладают следующими особенностями:
1. Так как электродвигатель является сложным изделием, то необходимо учитывать разные его составляющие.
2. Так как электродвигатель состоит как из электронной составляющей, так и из механической, то при расчете это необходимо учитывать.
Сейчас существует большое количество справочной литературы и научно-технической документации, позволяющей с той или иной точностью оценить показатели надежности электронных средств [4, 5]. Эти методики в силу их преимущественной востребованности основаны на оценке надежности электронных средств по характеристикам надежности электрорадиоизде-лий [6, 7].
Для информационной поддержки данных по актуальным характеристикам надежности электрорадиоизделий издаются и периодически обновляются справочник «Надежность ЭРИ» [8] и военный стандарт «М1Ь-НББК-217Б» [9]. Значительно меньшее внимание уделено механическим элементам. Несмотря на это в этих изданиях представлены методики расчета электродвигателей.
Вместе с тем существуют справочники, в которых основное внимание уделено расче-
Новые информационные технологии в автоматизированных системах - 2016
там надежности по характеристикам механических элементов. К ним относятся стандарты РМ 25 446 [10] и ШШС-11 [11].
Каждая из этих методик имеет свой подход к моделированию интенсивностей отказов. Коэффициенты моделей стандарта РМ 25 446 [10] основаны на чисто статистических данных, в то время как коэффициенты моделей КЭШС-П [11] представляют собой функции конструкционных характеристик и физико-химических свойств материалов. В стандарте РМ 25 446 [10] модель интенсивности отказов электродвигателя в явном виде отсутствует, только ряд составных частей, в отличие от модели в КЭШС-11 [11].
3 Математические модели интенсивности отказов электродвигателей
Математическая модель, представленная в справочнике «Надежность ЭРИ» [8], имеет вид:
A = (A.
' KT.nt ) ' K Э
(1)
где: Хб. с.г.эл. - базовая среднегрупповая интенсивность электрических отказов для температуры окружающей среды 1 = 25 °С на время минимальной наработки Тн.м.; К -коэффициент влияния температуры нагрева изоляции; Хб.с.г.м. - базовая среднегрупповая интенсивность механических отказов на время наработки при температуре окружающей среды 1 = 25 °С; Кт.п.1. - коэффициент влияния времени наработки, частоты вращения и температуры окружающей среды на интенсивность механических отказов; КЭ - коэффициент жесткости условий эксплуатации.
Математическая модель, представленная в стандарте «М1Ь-НБВК-217Р» [9] имеет вид:
л
1 =
tг
1
a
a
w
(2)
где: 1 - время работы двигателя, ав и аш -параметры распределения Вейбулла для подшипника и обмотки.
Значения параметров распределения Вейбулла имеют вид:
a =
10
(2.534
2357 TA +273
+ -
10
(20-
TA +273
+ 300
a = 10
2357
ta +273
-1.83
где: Ta - температура окружающей среды.
Математическая модель, представленная в стандарте «NSWC-11» [11] имеет вид:
Лм = (1м,в ' Csf ) + лет +1bs + (3)
+ Ast + Aas + Лве + Agr + Лс
где: ^m,b - базовая интенсивность отказов электродвигателя; Csf - коэффициент влияния нагрузки; XWI - интенсивность отказов обмотки; XBS - интенсивность отказов щёток; ^st - интенсивность отказов корпуса статора; Xas - интенсивность отказов вала; XBE интенсивность отказов подшипника; XGR - интенсивность отказов зубчатых передач; Хс - интенсивность отказов конденсатора.
Как видно из формул (1) - (3) наиболее подробной является математическая модель, представленная в стандарте NSWC-11 [11]. В ней рассматривается как электрическая, так и механическая составляющая. Причем, механическая часть представлено наиболее детально.
Несмотря на вышесказанное, ни одна из моделей не является полной, так как не представлены все коэффициенты отказов.
4 Пример расчета интенсивностей отказов электродвигателей
Для расчета взят двигатель, состав компонентов которого представлен в табл. 1.
Как видно из табл. 1, формулы (1) - (3) не учитывают такие отказы пропитки, стержней, колец, корпуса и др. Поэтому для получения уточненной оценки надежности необходимо модифицировать расчетную формулу (3), и тогда она будет иметь вид:
Лмм =Л +Ase +Ag +Ak ,
(4)
где: Хм - интенсивность отказов электродвигателя (3); Хэб - интенсивность отказов прокладки; Ха - интенсивность отказов сварных соединений; ХК - интенсивность отказов электрических кабелей.
-1
1
- k t + a
Таблица 1. Состав электродвигателя
№ п/п Наименование Количество
1 2 3
1 Статор 1
2 Пакет статора 1
3 Обмоточный провод 1
4 Пропитка-компаунд 1
5 Выводные провода 5
6 Корпус (сварные соединения) 7
7 Ротор 1
Окончание таблицы 1.
1 2 3
8 Подшипник 1
9 Пакет ротора 1
10 Медные стержни 5
11 Кольца короткозамыкающие 2
12 Вал 1
Таблица 2. Значение интенсивностей отказов
№ п/п Методика Значение интенсивности отказов, 1/ч
1 2 3
1 Надежность ЭРИ 2,291 *10-6
2 MIL-HDBK-217F 4,733*10-6
3 NSWC-11 3,427*10-6
4 Уточненная модель 1,02*10-5
Значения интенсивностей отказов, рассчитанных по каждой из методик, приведены в табл. 2.
Таким образом, результат, полученный при использовании уточненной формулы, является самым низким.
5 Заключение
В работе рассмотрены основные методики расчета надежности электродвигателей. Из чего был сделаны выводы, что наиболее широко коэффициенты отказов представлены в методике стандарта «NSWC-11» [11], но при этом для получения более точного значения интенсивности отказов, формулу необходимо дополнить.
Таким образом, можно сделать выводы, что для получения приближенной оценки можно использовать формулы (1) - (3), но для более точной оценки, лучше использовать формулу (4).
Благодарности
Статья написана в рамках научного проекта (№ 15-05-0029), выполненного при
поддержке Программы «Научный фонд
НИУ ВШЭ» в 2015/16 гг.
Список литературы
[1] Росляков А.В., Ваняшин С.В., Гребешков А.Ю. Интернет вещей. / Под ред. А.В. Рослякова. - Самара: ПГУТИ, ООО «Издательство Ас Гард», 2014. - 340 с.
[2] Жаднов В.В., Кулыгин В.Н., Лушпа И. Л., Полесский С.Н. Надежность технических средств. Учебно-методическое пособие (практикум). - М.: РадиоСофт, 2015. - 181 с.
[3] Жаднов В.В. Прогнозирование надежности электронных средств с механическими элементами. - Екатеринбург: Форт Диалог-Исеть, 2014. - 172 с.
[4] Жаднов В.В. Методы и средства оценки показателей надежности механических и электромеханических элементов приборов и систем. / Датчики и системы. - 2013. - № 4. -с. 15-20.
[5] Zhadnov V. Methods and means of the estimation of indicators of reliability of mechanical and electromechanical elements of devices and systems. / Reliability: Theory & Applications. -2011. - Vol. 2, No 4. - р. 94-102.
[6] Жаднов В.В., Лушпа И.Л. Прогнозирование показателей безотказности механических элементов электронных средств при проектировании. / Информационные технологии в проектировании и производстве. - 2014. - № 4. - с. 17-23.
[7] Лушпа И. Л., Жаднов В.В. Модели интенсивности отказов виброизоляторов для электронных средств. / Надежность и качество сложных систем. - 2014. - № 1. - с. 50-57.
[8] Надежность ЭРИ: Справочник. - М.: МО РФ,
2006.
[9] MIL -HDBK -217. Reliability prediction of electronic equipment. - USA: DoD, 1991.
[10] РМ 25 446-87. Изделия приборостроения. Методика расчета показателей безотказности. Рекомендуемый материал.
[11] NSWC-11. Handbook of reliability prediction procedures for mechanical equipment. - USA: CARDEROCDIV, 2011. - 522 p.
