УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНОЙ НАРАБОТКИ ДО ОТКАЗА Российский патент 2025 года по МПК G01R31/00 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения остаточной наработки до отказа технических объектов, для которых характерно возрастание или убывание интенсивности отказов на периоде приработки.

Одним из важных вопросов в процессе эксплуатации технических объектов (комплексов, систем, устройств и т.д.) является диагностирование их технического состояния. В рамках данного вопроса особое место занимает задача определения показателей надежности технических объектов в целом и остаточной наработки до отказа в частности. Под остаточной наработкой до отказа понимается, наработка технического объекта от текущего момента его эксплуатации до отказа.

Известно устройство (прототип) (смотри, например, патент на изобретение №2816823 «Способ прогнозирования остаточной наработки до отказа технических объектов с возрастающей интенсивностью отказов (ВИО) на периоде приработки») для определения остаточной наработки до отказа технических объектов с возрастающей интенсивностью отказов на периоде приработки (ПП), содержащее первый перемножитель, соединенный с первым делителем, который соединен с первым экспоненциатором, первый экспоненциатор соединен с первым вычитающим устройством, первое вычитающее устройство соединено с вторым перемножителем, второй перемножитель соединен с третьим перемножителем и вторым сумматором, третий перемножитель соединен со вторым делителем, второй делитель соединен со вторым вычитающим устройством, второе вычитающее устройство соединено со вторым экспоненциатором, который подключен к пятому перемножителю, пятый перемножитель соединен с интегратором и вторым сумматором, интегратор соединен с индикатором, к которому подключен определитель признака выработки ресурса, блок управления и ввода исходных данных соединен с первым сумматором, первый сумматор соединен с четвертым перемножителем, четвертый перемножитель соединен со вторым вычитающим устройством.

Структурная схема прототипа приведена на фигуре 1, где приняты следующие обозначения: П1 - первый перемножитель; С1 - первый сумматор; БУВИД - блок управления и ввода исходных данных; Д1 - первый делитель; ВУ1 - первое вычитающее устройство; П2 - второй перемножитель; П3 - третий перемножитель; Д2 - второй делитель 8; П4 - четвертый перемножитель; Э1 - первый экспоненциатор; ВУ2 - второе вычитающее устройство; Э2 - второй экспоненциатор; П5 - пятый перемножитель; Инт. - интегратор; Инд. - индикатор; ОПВР - определитель признака выработки ресурса; С2 - второй сумматор.

Принцип функционирования прототипа заключается в следующем. БУВИД управляет совместной работой его элементов, обеспечивает ввод переменной величины / и постоянных чисел: -5; 5; 1, а также через БУВИД обеспечивается ввод текущей наработки t₀ контролируемого технического объекта (КТО) и других внешних исходных данных, таких как: λ_min t_p,, Т_Пр, где λ_min - минимальное значение интенсивности отказов КТО,- максимальное значение возрастающей составляющей интенсивности отказов КТО, t_p - назначенный ресурс КТО, Т_Пр - длительность ПП КТО, t - переменная величина, область значений которой находится в пределах от нуля до назначенного ресурса КТО t_p (Под контролируемым техническим объектом в данном случае и далее понимается технический объект в отношении которого осуществляется определение остаточной наработки до отказа). Число «-5» поступает на П1. Число «5» поступает на Д8. Число «1» поступает на ВУ1. Переменная величина t поступает на П1 и П4. Величина λ_min поступает на С1 и С2. Величины t₀ и t_P поступают на интегратор. Величина поступает на С1 и П2. Величина Т_Пр поступает на Д1 и П3.

ОПВР определяет значение w_BP признака выработки ресурса в соответствии с выражением

Значение w_BP признака выработки ресурса поступает на индикатор. Если на индикатор поступает значение w_BP=1, то индикатор формирует и отображает информационное сообщение: «Назначенный ресурс КТО выработан», сигнализирующее о необходимости прекращения эксплуатации КТО, если w_BP=0, то индикатор отображает прогнозируемое значение остаточной наработки до отказа КТО, которое поступает с выхода интегратора и определяется следующим образом:

- П1 формирует первую ФН g₁ (t) в соответствии с выражением

Первая ФН g₁ (t) поступает на Д1. Д1 формирует вторую ФН g₂{t) в соответствии с выражением

Вторая ФН g₂(t) поступает на Э1. Э1 формирует третью ФН g₃ (/) в соответствии с выражением

Третья ФН g₃(t) поступает на ВУ1. ВУ1 формирует четвертую ФН g₄ (t) в соответствии с выражением

Четвертая ФН g₄ (t) поступает на П2. П2 формирует пятую ФН g₅ (t) в соответствии с выражением

Пятая ФН g₅ (t) поступает на П3. П3 формирования шестую ФН g₆ (t) в соответствии с выражением

Шестая ФН g₆ (t) поступает на Д2. Д2 формирует седьмую ФН g₇ (t) в соответствии с выражением

Седьмая ФН g₇ (t) поступает на ВУ2;

- С1 определяет максимальное значение интенсивности отказов λ_max в соответствии с выражением с выражением

Значение λ_max поступает на П4. П4 формирует восьмую ФН g_g (t) в соответствии с выражением

Восьмая ФН g_s (t) поступает на ВУ2;

- ВУ2 формирует девятую ФН g₉ (t) в соответствии с выражением

Девятая ФН g₉ (t) поступает на Э2. Э2 формирует десятую ФН g₁₀ (t) в соответствии с выражением

Десятая ФН g₁₀ (t) поступает на П5;

- С2 формирует одиннадцатую ФН g₁₁ (t) в соответствии с выражением

Одиннадцатая ФН g₁₁ (t) поступает на П5;

- П5 формирует двенадцатую ФН g₁₂ (t) в соответствии с выражением

Двенадцатая ФН g₁₂ (t) поступает на интегратор. Интегратор определяет прогнозируемое значение остаточной наработки до отказа в соответствии с выражением

Двенадцатая ФН g₁₂(t) представляет собой распределение плотности вероятности отказа q(t), является базовой функцией прогнозирования и имеет вид

Функция g₁₂(t) обеспечивает плавное возрастание интенсивности отказов на ПП и постоянное значение интенсивности отказов на нормальном периоде эксплуатации.

Известна группа технических объектов (см., например, Контроль и испытания в проектировании и производстве радиоэлектронных средств/ В.К. Федоров, Н.П. Сергеев, А.А. Кондрашин. - Москва. - Техносфера, 2005. - 504 с. С. 194), для которых характерны относительно короткий период приработки, на котором интенсивность отказов либо убывает, либо возрастает, и основной период нормальной эксплуатации, в течение которого интенсивность отказов не зависит от наработки и остается постоянной вплоть до выработки назначенного ресурса. Обозначим объекты, относящиеся к данной группе, как технические объекты с возрастающей или убывающей интенсивностью отказов на периоде приработки (ПП).

Одним из недостатков прототипа является то, что он обеспечивает определение остаточной на работки до отказа только применительно к техническим объектам с ВИО на ПП и не может быть использован для определения остаточной на работки до отказа технических объектов с убывающей интенсивностью отказов (УИО) на 1111.

Техническим результатом изобретения является расширение арсенала средств, обеспечивающих определение остаточной наработки до отказа технических объектов с возрастающей или убывающей интенсивностью отказов на периоде приработки.

Предлагаемое устройство отличается от прототипа тем, что блок управления и ввода исходных данных дополнительно соединен с переключателем режимов, с третьим экспоненциатором, с третьим и четвертым сумматорами, с шестым, седьмым, восьмым и девятым перемножителями, пятый перемножитель соединен с переключателем режимов, который соединен с интегратором, первый экспоненциатор дополнительно соединен с шестым перемножителем, который соединен с третьим сумматором, третий сумматор соединен с седьмым перемножителем, который соединен с переключателем режимов, девятый перемножитель соединен с четвертым сумматором, который соединен с восьмым перемножителем, восьмой перемножитель соединен с третьим экспоненциатором, который соединен с седьмым перемножителем.

Сущность изобретения заключается в том, что в предлагаемом устройстве за счет ввода вышеприведенных дополнительных элементов и соответствующих связей обеспечивается определение остаточной наработки до отказа как для технических объектов с ВИО на ПП, так и для технических объектов с УИО на ПП в пределах всего времени эксплуатации. При этом в качестве базовой функции определения остаточной наработки до отказа в предлагаемом устройстве выступает функция плотности вероятности отказов, обеспечивающая плавное возрастание или убывание интенсивности отказов на ПП в зависимости от выбранного режима работы и постоянное значение интенсивности отказов на основном периоде нормальной эксплуатации. Это позволяет, в отличие от прототипа, определять остаточную наработку до отказа как для технических объектов с ВИО на ПП в пределах всего времени эксплуатации, так и для технических объектов с УИО на ПП.

Структурная схема предлагаемого устройства приведена на фигуре 2, где приняты следующие обозначения: П1 - первый перемножитель; П2 - второй перемножитель; П3 - третий перемножитель; П4 - четвертый перемножитель; П5 - пятый перемножитель; П6 - шестой перемножитель; П7 - седьмой перемножитель; П8 - восьмой перемножитель; П9 - девятый перемножитель; С1 - первый сумматор; С2 - второй сумматор; С3-третий сумматор; С4 - четвертый сумматор; БУВИД - блок управления и ввода исходных данных; Д1 - первый делитель; Д2 - второй делитель; ВУ1 - первое вычитающее устройство; ВУ2 - второе вычитающее устройство; Э1 - первый экспоненциатор; Э2 - второй экспоненциатор; Э3 - третий экспоненциатор; Инт. - интегратор; Инд. - индикатор; ОПВР - определитель признака выработки ресурса; ПР - переключатель режимов.

Принцип функционирования предлагаемого устройства заключается в следующем. БУВИД управляет совместной работой элементов предлагаемого устройства, обеспечивает ввод переменной величины t и постоянных чисел: -5; 5; 1; -1, а также через БУВИД обеспечивается ввод текущей наработки t₀ КТО и других внешних исходных данных, таких как: λ_min, t_p, , Т_Пр, γ_р, где λ_min - минимальное значение интенсивности отказов КТО, - максимальное значение переменной (возрастающей или убывающей) составляющей интенсивности отказов КТО, t_p - назначенный ресурс КТО, Т_Пр - длительность ПП КТО, t - переменная величина, область значений которой находится в пределах от нуля до назначенного ресурса КТО t_P, γ_p=[0,1]- признак периода приработки (режим работы устройства прогнозирования), γ_р=0 - признак периода приработки с убывающей интенсивностью отказов (режим работы устройства прогнозирования «Убывание интенсивности отказов на периоде приработки»), γ_р=1 - признак периода приработки с возрастающей интенсивностью отказов на периоде приработки (режим работы устройства прогнозирования «Возрастание интенсивности отказов на периоде приработки»). Число «-5» поступает на П1. Число «5» поступает на Д8. Число «1» поступает на ВУ 5. Число [-1] поступает на П8. Переменная величина t поступает на П 1, П4 и П9.

Величина λ_min поступает на C1, С2, С3 и П9. Величины t₀ и t_p поступают на интегратор и ОПВР. Величина поступает на С1, П2 и П6. Величина Т_Пр поступает на Д1 и П3. Значение признака периода приработки γ_р поступает на ПР (значение признака периода приработки γ_р вводится оператором через БУВИД в зависимости от требуемого режима работы предлагаемого устройства прогнозирования. Имеется два режима работы устройства прогнозирования: режим «Убывание интенсивности отказов на периоде приработки» и режим «Возрастание интенсивности отказов на периоде приработки», при этом режим «Убывание интенсивности отказов на периоде приработки» включается при вводе значения γ_р=0, а режим «Возрастание интенсивности отказов на периоде приработки» - при вводе значения γ_p=1).

ОПВР 16 определяет значение w_BP признака выработки ресурса в соответствии с выражением (1). Значение w_BP признака выработки ресурса поступает на индикатор. Если на индикатор поступает значение w_BP=1, то индикатор формирует и отображает информационное сообщение: «Назначенный ресурс КТО выработан», сигнализирующее о необходимости прекращения эксплуатации КТО, если w_BP=0, то индикатор отображает прогнозируемое значение остаточной наработки до отказа КТО, которое поступает с выхода интегратора и определяется следующим образом:

- П1 формирует первую ФН g₁ (t) в соответствии с выражением (2). Первая ФН g₁ (t) поступает на Д1. Д1 формирует вторую ФН g₂(t) в соответствии с выражением (3). Вторая ФН g₂(t) поступает на Э1. Э1 формирует третью ФН g₃ (t) в соответствии с выражением (4). Третья ФН g₃ (t) поступает на ВУ1 и П6;

- ВУ1 формирует четвертую ФН g₄ (/) в соответствии с выражением (5). Четвертая ФН g₄ (t) поступает на П2. П2 формирует пятую ФН g₅ (t) в соответствии с выражением (6). Пятая ФН g₅ (t) поступает на П3 и С2;

- П3 формирует шестую ФН g₆ (t) в соответствии с выражением (7). Шестая ФН g₆ (t) поступает на Д2. Д2 формирует седьмую ФН g₇ (t) в соответствии с выражением (8). Седьмая ФН g₇ (t) поступает на ВУ2 и С4;

- С1 определяет максимальное значение интенсивности отказов λ_max в соответствии с выражением с выражением (9). Значение λ_max поступает на П4. П4 формирует восьмую ФН g₈ (t) в соответствии с выражением (10). Восьмая ФН g₈ (/) поступает на ВУ2;

- ВУ2 формирует девятую ФН g₉ (t) в соответствии с выражением (11). Девятая ФН g₉ (t) поступает на Э2. Э 2 формирует десятую ФН g₁₀ (t) в соответствии с выражением (12). Десятая ФН g₁₀ (t) поступает на П5;

- С2 формирует одиннадцатую ФН g₁₁ (t) в соответствии с выражением (13). Одиннадцатая ФН g₁₁ (t) поступает на П5;

- П5 формирует двенадцатую ФН g₁₂ (t) в соответствии с выражением (14). Двенадцатая ФН g_]2 (t) поступает на ПР;

- П6 формирует тринадцатую ФН g₁₃ (t) в соответствии с выражением

Тринадцатая ФН g₁₃(t) поступает на С3. С3 формирует четырнадцатую ФН g₁₄ (t) в соответствии с выражением

Четырнадцатая ФН g₁₄ (t) поступает на П7.

П9 формирует пятнадцатую ФН g₁₅ (t) в соответствии с выражением

Пятнадцатая ФН g₁₅ (t) поступает на С4. С4 формирует шестнадцатую ФН g₁₆ (t) в соответствии с выражением

Шестнадцатая ФН g₁₆ (t) поступает на П8. П8 формирует семнадцатую ФН g₁₇ (t) в соответствии с выражением

Семнадцатая ФН g₁₇ (t) поступает на Э3. Э3 формирует восемнадцатую ФН g₁₈ (t) в соответствии с выражением

Восемнадцатая ФН g₁₈(t) поступает на П7. П7 формирует девятнадцатую ФН g₁₉ (t) в соответствии с выражением

Девятнадцатая ФН g₁₉ (t) поступает на ПР. ПР формирует двадцатую ФН g₂₀ (t) в соответствии с выражением

Двадцатая ФН g₂₀ (t) поступает на интегратор. Интегратор определяет прогнозируемое значение остаточной наработки до отказа в соответствии с выражением

Двадцатая ФН g₂₀(t), в зависимости от признака γ_р в соответствии с выражением (24) представляет собой ФН g₁₉ (t) (если γ_р=0), то есть

или ФН g₁₂ (t) (если γ_р=1), то есть

Двадцатая ФН g₂₀(t) представляет собой распределение плотности вероятности отказа q(t) и является базовой функцией определения остаточной наработки до отказа для предлагаемого устройства. Функция g₂₀(t) обеспечивает: плавное убывание интенсивности отказов на ПП при γ_p=0; плавное возрастание интенсивности отказов на ПП при τ_p=1; постоянное значение интенсивности отказов на нормальном периоде эксплуатации, что соответствует действительному характеру изменения интенсивности отказов для группы объектов с убывающей или возрастающей интенсивностью отказов на ПП.

В подтверждение данному утверждению приведем аналитические выражения, устанавливающее зависимость между интенсивностью отказов и наработкой, и построим соответствующие графики, для случаев, когда в качестве функций плотности вероятности отказа используются распределения g₂₀ (t)=g₁₉ (t) и g₂₀ (t)=g₁₂ (t).

Известно (смотри, например, Теория надежности: Учеб. для вузов / Острейковский В.А. - М.: Высш. шк., 2003. - 463 с: ил. С. 36.), что между вероятностью безотказной работы R(t), интенсивностью отказов λ(t) и плотностью вероятности отказа q(t) имеется строгая функциональная взаимосвязь, которую можно записать в следующем виде

Известна формула (смотри, например, Теория надежности: Учеб. для вузов / Острейковский В.А. - М.: Высш. шк., 2003. - 463 с: ил. С 24 - 26), позволяющая определить вероятность безотказной работы R(t), при известном распределении плотности вероятности отказов q(τ). Данная формула имеет следующий вид

Выражение (28) с учетом (29) примет вид

Выражение (30) устанавливает зависимость между интенсивностью отказов и плотностью вероятности отказа и позволяет построить типовой график зависимости интенсивности отказов от наработки, для любого распределения плотности вероятности отказа.

Выражение (30) с учетом (26) примет вид

Выражение (30) с учетом (27) примет вид

Выражения (31) и (32) отражают зависимость интенсивности отказов λ{t) от наработки t, для случая, когда плотность вероятности отказа q(t) распределена в соответствии с ФН g₂₀ (t)=g₁₂ (t) и для случая, когда плотность вероятности отказа q{t) распределена в соответствии с ФН g₂₀ (0=g₁₉ (t) соответственно. На фигуре 3 приведен график зависимости интенсивности отказов λ(t⏐γ_p=0) от наработки t, построенный в соответствии с выражением (31), а на фигуре 4 приведен график зависимости интенсивности отказов λ(t/γ_p=l) от наработки t, построенный в соответствии с выражением (32). Анализ данных графиков показывает то, что интенсивность отказов действительно плавно возрастает на ПП при условии γ_p=1 и плавно убывает на ПП при условии γ_p - 0, при этом интенсивность отказов имеет постоянное значение на основном периоде нормальной эксплуатации в обоих случаях. Этим обеспечивается возможность определения остаточной наработки до отказа в пределах всего времени эксплуатации технических объектов как с ВИО, так и с УИО на ПП, в зависимости от выбранного режима работы устройства, определяемого значением признака γ_p.

Предлагаемое техническое решение является новым, поскольку из общедоступных сведений не известно устройство определения остаточной наработки до отказа технических объектов с ВИО или УИО на ПП, в котором в качестве базовой функции определения остаточной наработки до отказа выступает функция плотности вероятности отказов, обеспечивающая плавное возрастание или убывание интенсивности отказов на ПП в зависимости от выбранного режима работы и постоянное значение интенсивности отказов на основном периоде нормальной эксплуатации, при этом блок управления и ввода исходных данных соединен с переключателем режимов, с третьим экспоненциатором, с третьим и четвертым сумматорами, с шестым, седьмым, восьмым и девятым перемножителями, пятый перемножитель соединен с переключателем режимов, который соединен с интегратором, первый экспоненциатор дополнительно соединен с шестым перемножителем, который соединен с третьим сумматором, третий сумматор соединен с седьмым перемножителем, который соединен с переключателем режимов, девятый перемножитель соединен с четвертым сумматором, который соединен с восьмым перемножителем, восьмой перемножитель соединен с третьим экспоненциатором, который соединен с седьмым перемножителем.

Предлагаемое техническое решение имеет изобретательский уровень, поскольку из опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следует, что для определения остаточной наработки до отказа технических объектов с ВИО или УИО на ПП в пределах всего времени эксплуатации необходимо, применительно к прототипу, ввести ряд дополнительных элементов и обеспечить следующие связи: блок управления и ввода исходных данных дополнительно соединить с переключателем режимов, с третьим экспоненциатором, с третьим и четвертым сумматорами, с шестым, седьмым, восьмым и девятым перемножителями; пятый перемножитель соединить с переключателем режимов, который соединить с интегратором; первый экспоненциатор дополнительно соединить с шестым перемножителем, который соединить с третьим сумматором; третий сумматор соединить с седьмым перемножителем, который соединить с переключателем режимов; девятый перемножитель соединить с четвертым сумматором, который соединить с восьмым перемножителем; восьмой перемножитель соединить с третьим экспоненциатором, который соединить с седьмым перемножителем, а также то, что в этом случае в качестве базовой функции определения остаточной наработки до отказа будет выступать функция плотности вероятности отказов, обеспечивающая плавное возрастание или убывание интенсивности отказов на ПП в зависимости от выбранного режима работы и постоянное значение интенсивности отказов на основном периоде нормальной эксплуатации.

Предлагаемое техническое решение промышленно применимо, так как для его реализации могут быть использованы элементы, широко распространенные в области электронной техники.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения остаточной наработки до отказа технических объектов, для которых характерно возрастание или убывание интенсивности отказов на периоде приработки. Сущность: устройство определения остаточной наработки до отказа содержит блок управления и ввода исходных данных, перемножители, сумматоры, экспоненциаторы, делители, вычитающие устройства, интегратор, индикатор, переключатель режимов, определитель признака выработки ресурса. Технический результат: расширение арсенала средств, обеспечивающих определение остаточной наработки до отказа технических объектов с возрастающей или убывающей интенсивностью отказов на периоде приработки. 4 ил.

Устройство определения остаточной наработки до отказа, содержащее блок управления и ввода исходных данных, соединенный с первым, вторым, третьим, четвертым и пятым перемножителями, первым и вторым сумматорами, первым и вторым экспоненциаторами, первым и вторым делителями, первым и вторым вычитающими устройствами, интегратором, индикатором и определителем признака выработки ресурса, первый перемножитель соединен с первым делителем, который соединен с первым экспоненциатором, первый экспоненциатор соединен с первым вычитающим устройством, которое соединено со вторым перемножителем, второй перемножитель соединен с третьим перемножителем и вторым сумматором, третий перемножитель соединен со вторым делителем, который соединен со вторым вычитающим устройством, второе вычитающее устройство соединено со вторым экспоненциатором, который соединен с пятым перемножителем, интегратор соединен с индикатором, к которому подключен определитель признака выработки ресурса, первый сумматор соединен с четвертым перемножителем, четвертый перемножитель соединен со вторым вычитающим устройством, отличающееся тем, что блок управления и ввода исходных данных дополнительно соединен с переключателем режимов, с третьим экспоненциатором, с третьим и четвертым сумматорами, с шестым, седьмым, восьмым и девятым перемножителями, пятый перемножитель соединен с переключателем режимов, который соединен с интегратором, первый экспоненциатор дополнительно соединен с шестым перемножителем, который соединен с третьим сумматором, третий сумматор соединен с седьмым перемножителем, который соединен с переключателем режимов, девятый перемножитель соединен с четвертым сумматором, который соединен с восьмым перемножителем, восьмой перемножитель соединен с третьим экспоненциатором, который соединен с седьмым перемножителем.