Оценка безопасности функционирования эргатической системы (топливный насос) логико-вероятностным методом

Размещено на http://allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«тюменский ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ университет»

Институт сервиса и отраслевого управления

Кафедра «Техносферная безопасность»

Курсовая работа

на тему: «Оценка безопасности функционирования эргатической системы (топливный насос) логико-вероятностным методом»

по дисциплине «Производственная безопасность»

Выполнила: студентка Давыдова В.Д.

Проверил: Омельчук М.В.

к.т.н., доцент кафедры ТСБ

Тюмень, 2018



СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

1.1 Описание технической системы

1.2 Выбор основных элементов технической системы

2. РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

2.1 Определение средней наработки на отказ выделенных элементов

2.2 Построение структурных схем

2.3 Моделирование внезапных отказов

2.4 Моделирование постепенных отказов



ВВЕДЕНИЕ

Эргатическая система -- схема производства, одним из элементов которой является человек или группа людей. Основными особенностями таких систем являются социально-психологические аспекты.

Главным недостатком такой системы является присутствие «человеческого фактора», также эргатические системы обладают рядом преимуществ, таких как нечеткая логика, эволюционирование, принятие решений в нестандартных ситуациях.

Эргатические системы нашли своё применение на объектах, где вмешательство оператора в работу объекта является на сегодняшний день необходимым условием обеспечения надежной работы данных объектов.

Обеспечение безопасности эргатических систем является приоритетной социально значимой задачей для всех специалистов, участвующих в их проектировании, производстве, эксплуатации и обслуживании.

Актуальность курсовой работы: для обеспечения безопасности на объектах и для предотвращения несчастных случаев возникает необходимость дать объективную оценку безопасности функционирования эргатической системы.

Цель: провести оценку безопасности функционирования редуктора механизма поворота.

Для достижения цели определены следующие задачи:

1. Расчет надежности технической системы.

2. Изучить обстоятельства несчастного случая.

3. Качественно и количественно оценить безопасность системы.



1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

1.1 Описание технической системы

Топливный насос -- это один из компонентов системы подачи топлива автомобиля. Он подает топливо к двигателю, так как двигатель и топливный бак находятся в противоположных концах автомобиля.

Рисунок 1.1. Топливный насос. 1 - всасывающая полость; 2 - нагнетательная полость; 3 - нагнетательный клапан; 4 - мембрана; 5 - шток мембраны; 6 - пружина; 7 - возвратная пружина приводного рычага; 8 - приводной рычаг; 9 - ось рычага ручной подкачки; 10 - возвратная пружина рычага ручной подкачки; 11 - рычаг ручной подкачки; 12 - головка штока; 13 - уплотнитель штока; 14 - дренажное отверстие; 15 - сетчатый фильтр;16 - всасывающий клапан.

На современных моделях автомобилей могут, устанавливаются два типа бензонасосов: - механические и электрические. Механические бензонасосы обычно применяются в автомобилях карбюраторного типа, при этом топливо в карбюратор подается под низким давлением, а электрические бензонасосы применяются с топливными системами инжекторного типа с подачей топлива под давлением. На рисунке 1.1 изображена конструкция топливного насоса.

1.2 Выбор основных элементов технической системы

Условимся все устройства называть системой, а составные части - ее элементами. Определим, какие элементы подвержены внезапному отказу, какие - постепенному. Обозначим отказы элементов устройства через X₁-X_9, определим тип отказа и отобразим на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2. Отказы элементов топливного насоса. Х₁ - поломка нагнетательного клапана (В); Х₂ - износ мембраны (П); Х₃ - излом штока (В); Х₄, Х₅, Х₆ - усталостный износ пружины (П); Х₇ - срыв головки штока (В); Х₈ - загрязнение фильтра (П); Х₉ - поломка всасывающего клапана (В).



2. РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

2.1 Определение средней наработки на отказ выделенных элементов

Величины средней наработки на отказ для каждого из элементов определяются по формуле:

T_cp = 1/л · К_л

где К_л - поправочный коэффициент, характеризующий условия эксплуатации (для систем, установленных на автомобилях К_л = 25).

Для определения средней наработки на отказ элементов анализируемой технической системы воспользуемся статистическими данными (табл. 2.1).

Таблица 2.1. Статистические данные по интенсивности отказов () элементов топливного насоса

№	Наименование элемента	Интенсивность отказов,
Х1	Поломка нагнетательного клапана	0,016 ·
Х2	Износ мембраны	0,1 ·
Х3	Излом штока	0,08 ·
Х4, Х5, Х6	Усталостный износ пружины	0,0028 ·
Х7	Срыв головки штока	0,08 ·
Х8	Загрязнение фильтра	0,025 ·
Х9	Поломка всасывающего клапана	0,016 ·

Определим среднюю наработку на отказ при поломке нагнетательного клапана:

250000 час.

Определим среднюю наработку на отказ при износе мембраны:

40000 час.

Определим среднюю наработку на отказ при изломе штока:

50000 час.

Определим среднюю наработку на отказ при износе пружины:

1430000 час.

Определим среднюю наработку на отказ при срыве головки штока:

50000 час.

Определим среднюю наработку на отказ при загрязнении фильтра:

160000 час.

Определим среднюю наработку на отказ при поломке всасывающего клапана:

250000 час.

2.2 Построение структурных схем

Отобразим структурную схему надежности механической системы в виде последовательных и параллельных соединений на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1. Структурная схема надежности механической системы

Составим на основе структурной схемы «дерево отказов» (рисунок 2.2), используя правило Моргана, когда последовательное соединение элементов в логической структуре «дерева» соединяется логическим знаком «ИЛИ», параллельные соединения - знаком «И».

Рисунок 2.2. «Дерево отказов»

2.3 Моделирование внезапных отказов

Моделирование внезапных отказов Х₁ и Х₉.

Построим интегральную функцию экспоненциального распределения:

,

где л - интенсивность отказов.

Примем среднюю наработку на отказ устройства при поломке нагнетательного и всасывающего клапанов Т_ср = 250000 часов.

F(50000) = 0,18 F(265000) = 0,65

F(80000) = 0,27 F(350000) = 0,75

F(125000) = 0,39 F(430000) = 0,82

F(200000) = 0,55 F(1200000) = 0,99

По расчетным данным построим интегральную функцию экспоненциального распределения и отобразим ее на рисунке 2.3. На оси абсцисс отложим время t в 34 раза больше Т_ср. На оси ординат -- значение функции F(t).

Рисунок 2.3. Интегральная функция экспоненциального распределения , 1/час

На основе метода «Монте-Карло» промоделируем вероятность случайных отказов. Выбрасываем с помощью генератора случайных чисел числовую последовательность R в диапазоне значений (01). 30 случайных значений приведены в таблице 2.2 и 2.3.

Таблица 2.2. Результаты моделирования вероятности случайных отказов X₁

R
0,72	0,19	0,18	0,68	0,66	0,49
0,41	0,64	0,12	0,9	0,9	0,26
0,67	0,27	0,55	0,19	0,33	0,73
0,99	0,31	0,43	0,99	0,71	0,43
0,41	0,28	0,52	0,89	0,83	0,36

Таблица 2.3. Результаты моделирования вероятности случайных отказов X₉

R
0,76	0,19	0,51	0,44	0,52	0,49
0,91	0,72	0,98	0,95	0,33	0,25
0,22	0,43	0,38	0,11	0,87	0,47
0,39	0,49	0,35	0,34	0,16	0,54
0,48	0,13	0,69	0,88	0,98	0,76

Отложив каждое из чисел числовой последовательности R на оси ординат, проведем прямую, параллельную оси абсцисс до пересечения с графиком функции F(t) и из точки пересечения опустим перпендикуляр на ось времени.

Таким образом, получаются значения времени, соответствующие каждому числу последовательности, которые называются реализацией времени функционирования устройства. Таких реализаций получим не менее пяти. Набор реализаций называется выборкой из 65 элементов.

Далее временные значения t_i, сравниваем с Т_ср/2, поскольку нас интересует поведение системы в первый полупериод эксплуатации. Затем получим время t₀ нерабочего состояния элемента системы Х₁, выбирая лишь те случаи, когда t_i<Т_ср/2. Расчет производится по формуле: .

Полученное значение t₀ заносим в таблицу 2.4 и 2.5, указав его в скобках, затем суммируем нерабочее время в единичной реализации t₀ и берем отношение к сумме общего времени t_общ работы элемента в этой реализации.



Таблица 2.4. Временная выборка из 5 реализаций для 6 элементов t_i·10³ час для Х₁

m n	Количество элементов	t0	tобщ	t0/tобщ
	1	2	3	4	5	6
Количество реализаций	1	323	53(72)	49(76)	290	272	172	148	1159	0,12769
	2	135	259	33(92)	800	800	77(48)	140	2104	0,06653
	3	280	80(45)	200	53(72)	103(22)	333	139	1049	0,1325
	4	1200	95(30)	144	1200	317	144	30	3100	0,00967
	5	135	85(40)	185	750	475	115(10)	50	1745	0,02865
Итого: 0,365

Таблица 2.5. Временная выборка из 5 реализаций для 6 элементов t_i·10³ час для Х₉

m n	Количество элементов	t0	tобщ	t0/tобщ
	1	2	3	4	5	6
Количество реализаций	1	352	52(73)	179	147	184	170	73	1084	0,06734
	2	825	320	1150	1010	101(24)	72(53)	77	3478	0,02213
	3	62(63)	142	119(6)	30(95)	642	161	164	1156	0,14186
	4	123(2)	170	108(17)	105(20)	43(80)	194	119	743	0,16016
	5	166	35(90)	299	688	1150	358	90	2696	0,03338
Итого: 0,424

На основе полученных значений определим вероятность отказа элемента системы Х_1,9 для данной реализации по формуле:

Вероятность отказа элемента системы Х₁ является средним арифметическим этих значений:

Вероятность отказов элементов системы Х₁ = 0,073.

Вероятность отказа элемента системы Х₉ является средним арифметическим этих значений:

Вероятность отказов элементов системы Х₉ = 0,084.

Моделирование внезапных отказов Х₃ и Х₇.

Построим интегральную функцию экспоненциального распределения:

,

где л - интенсивность отказов.

Примем среднюю наработку на отказ устройства при поломке нагнетательного и всасывающего клапанов Т_ср = 50000 часов.

F(15000) = 0,25 F(50000) = 0,63

F(20000) = 0,32 F(65000) = 0,72

F(30000) = 0,45 F(85000) = 0,81

F(40000) = 0,55 F(250000) = 0,99

По расчетным данным построим интегральную функцию экспоненциального распределения и отобразим ее на рисунке 2.4. На оси абсцисс отложим время t в 34 раза больше Т_ср. На оси ординат -- значение функции F(t).

Рисунок 2.4. Интегральная функция экспоненциального распределения , 1/час



На основе метода «Монте-Карло» промоделируем вероятность случайных отказов. Выбрасываем с помощью генератора случайных чисел числовую последовательность R в диапазоне значений (01). 30 случайных значений приведены в таблице 2.6 и 2.7.

Таблица 2.6. Результаты моделирования вероятности случайных отказов для Х₃

R
0,29	0,46	0,31	0,88	0,95	0,84
0,28	0,76	0,59	0,67	0,25	0,28
0,85	0,99	0,94	0,78	0,67	0,13
0,18	0,96	0,69	0,63	0,86	0,29
0,13	0,81	0,57	0,67	0,32	0,24

Таблица 2.7. Результаты моделирования вероятности случайных отказов для Х₇

R
0,94	0,22	0,32	0,77	0,98	0,28
0,33	0,14	0,54	0,95	0,27	0,83
0,24	0,76	0,76	0,97	0,1	0,42
0,94	0,73	0,81	0,33	0,21	0,12
0,9	0,87	0,73	0,94	0,86	0,94

Отложив каждое из чисел числовой последовательности R на оси ординат, проведем прямую, параллельную оси абсцисс до пересечения с графиком функции F(t) и из точки пересечения опустим перпендикуляр на ось времени.

Таким образом, получаются значения времени, соответствующие каждому числу последовательности, которые называются реализацией времени функционирования устройства.

Таких реализаций получим не менее пяти. Набор реализаций называется выборкой из 65 элементов.

Далее временные значения t_i, сравниваем с Т_ср/2, поскольку нас интересует поведение системы в первый полупериод эксплуатации. Затем получим время t₀ нерабочего состояния элемента системы Х₁, выбирая лишь те случаи, когда t_i<Т_ср/2. Расчет производится по формуле: .

Полученное значение t₀ заносим в таблицу 2.8 и 2.9, указав его в скобках, затем суммируем нерабочее время в единичной реализации t₀ и берем отношение к сумме общего времени t_общ работы элемента в этой реализации.

Таблица 2.8. Временная выборка из 5 реализаций для 6 элементов t_i·10³ час для Х₃

m n	Количество элементов	t0	tобщ	t0/tобщ
	1	2	3	4	5	6
Количество реализаций	1	18(7)	31	19(6)	150	210	114	13	542	0,02398
	2	17(8)	74	45	57	15(10)	17(8)	26	225	0,11555
	3	120	248	205	78	57	8(17)	17	716	0,02374
	4	10(15)	220	59	50	130	18(7)	22	487	0,04517
	5	8(17)	85	43	57	20(5)	14(11)	33	227	0,14537
Итого: 0,353

Таблица 2.9. Временная выборка из 5 реализаций для 6 элементов t_i·10³ час для Х₇

m n	Количество элементов	t0	tобщ	t0/tобщ
	1	2	3	4	5	6
Количество реализаций	1	203	13(12)	20(5)	76	240	17(8)	25	569	0,04393
	2	21(4)	8(17)	39	211	16(9)	102	30	397	0,07556
	3	14(11)	74	74	231	6(19)	27	30	426	0,07042
	4	203	67	85	21(4)	12(13)	7(18)	35	395	0,08860
	5	165	139	67	203	130	203	0	907	0
Итого: 0,278



На основе полученных значений определим вероятность отказа элемента системы Х_3,7 для данной реализации по формуле:

Вероятность отказа элемента системы Х₃ является средним арифметическим этих значений:

Вероятность отказов элементов системы Х₃ = 0,0706.

Вероятность отказа элемента системы Х₇ является средним арифметическим этих значений:

Вероятность отказов элементов системы Х₇ = 0,0556.

2.4 Моделирование постепенных отказов

Постепенные отказы подчиняются нормальному закону распределения. Интегральная функция нормального закона имеет вид:

Для того, чтобы не рассчитывать интеграл, воспользуемся половинной функцией Лапласа и с ее помощью рассчитаем нормальный закон распределения по формуле:



где Ф(х) -- половинная функция Лапласа;

,

Где х -- аргумент функции Лапласа;

t -- время функционирования;

Т_ср -- средняя наработка на отказ;

-- среднеквадратичное отклонение.

На рисунке 2.5 представлен график половинной функции Лапласа.

Рисунок 2.5. График половинной функции Лапласа.

Рассчитаем интегральную функцию F(t) нормального распределения для Х₂ (износ мембраны), задавшись Т_ср= 40000 час., =500, определим аргумент функции Лапласа и занесем данные в таблицу 2.10.

Таблица 2.10. Сводная таблица расчета интегральной функции нормального распределения.

t103, час.	38	38,5	39	39,5	40	40,5	41	41,5	42
Х	-4	-3	-2	-1	0	1	2	3	4
Ф(х)	-0,5	-0,5	-0,48	-0,34	0	0,34	0,48	0,5	0,5
F(t)	0	0	0,02	0,16	0,5	0,84	0,98	1	1

На основе расчетных данных таблицы 2.10 построим график нормального распределения (рисунок 2.6).

Рисунок 2.6. Интегральная функция нормального распределения

Дальнейшая процедура моделирования аналогична процедуре моделирования внезапных отказов.

Выбрасываем с помощью генератора случайных чисел числовую последовательность R в диапазоне значений (01) (таблица 2.11).

Откладываем полученные числа R на оси ординат, проводим прямую, параллельную оси абсцисс до пересечения с графиком функции F(t) и из точки пересечения опускаем перпендикуляр на ось времени.

Таблица 2.11. Результаты моделирования вероятности случайных отказов

R
0,24	0,16	0,65	0,88	0,89	0,16
0,57	0,78	0,15	0,86	0,45	0,57
0,96	0,42	0,14	0,56	0,69	0,43
0,14	0,93	0,87	0,51	0,71	0,51
0,65	0,46	0,81	0,7	0,63	0,63

Полученные значения времени t_i сравниваем с T_cp. Далее рассчитываем t₀ по формуле: , выбирая только те случаи, когда t_i<Т_сp и записываем в скобках рядом с соответствующим значением t_i. Затем суммируем нерабочее время в единичной реализации t₀ и берем отношение к сумме общего времени t_общ работы элемента в этой реализации. Все значения заносим в таблицу 2.12.

Таблица 2.12. Временная выборка из 5 реализаций для 6 элементов t_i·10³ час.

m n	Количество элементов	t0	tобщ	t0/tобщ
	1	2	3	4	5	6
Количество реализаций	1	39,64 (0,36)	39,5 (0,5)	40,2	40,6	40,62	39,5 (0,5)	1,36	240,06	0,0056
	2	40,1	40,39	39,48 (0,52)	40,55	39,94 (0,06)	40,1	0,58	240,56	0,0024
	3	40,9	39,89 (0,11)	39,45 (0,55)	40,08	40,26	39,9 (0,1)	0,76	240,48	0,003
	4	39,45 (0,55)	40,76	40,58	40,02	40,29	40,02	0,55	241,12	0,0022
	5	40,2	39,95 (0,05)	40,44	40,27	40,18	40,18	0,05	241,22	0,0002
Итого: 0,0137

На основе полученных значений определим вероятность отказа элемента системы X₂ по формуле:

.

Вероятность отказов элементов системы Х₂ = 0,00274.

Аналогично промоделируем для других постепенных отказов Х_4,5,6,8

Моделирование постепенных отказов Х_4,5,6.

Рассчитаем интегральную функцию F(t) нормального распределения для Х_4,5,6 (усталостный износ пружины), задавшись Т_ср= 1430000 час., =500, определим аргумент функции Лапласа и занесем данные в таблицу 2.13.

Таблица 2.13. Сводная таблица расчета интегральной функции нормального распределения.

t104, час.	141	141,5	142	142,5	143	143,5	144	144,5	145
Х	-4	-3	-2	-1	0	1	2	3	4
Ф(х)	-0,5	-0,5	-0,48	-0,34	0	0,34	0,48	0,5	0,5
F(t)	0	0	0,02	0,16	0,5	0,84	0,98	1	1

На основе расчетных данных таблицы 2.13 построим график нормального распределения (рисунок 2.7).

Рисунок 2.7. Интегральная функция нормального распределения

Выбрасываем с помощью генератора случайных чисел числовую последовательность R в диапазоне значений (01) (таблица 2.14). Откладываем полученные числа R на оси ординат, проводим прямую, параллельную оси абсцисс до пересечения с графиком функции F(t) и из точки пересечения опускаем перпендикуляр на ось времени.



Таблица 2.14. Результаты моделирования вероятности случайных отказов

R
0,86	0,76	0,39	0,1	0,12	0,68
0,1	0,24	0,59	0,33	0,31	0,51
0,99	0,93	0,47	0,82	0,97	0,89
0,64	0,67	0,51	0,6	0,33	0,95
0,97	0,26	0,41	0,25	0,7	0,92

Полученные значения времени t_i сравниваем с T_cp. Далее рассчитываем t₀ по формуле: , выбирая только те случаи, когда t_i<Т_сp и записываем в скобках рядом с соответствующим значением t_i. Затем суммируем нерабочее время в единичной реализации t₀ и берем отношение к сумме общего времени t_общ работы элемента в этой реализации. Все значения заносим в таблицу 2.15.

Таблица 2.15. Временная выборка из 5 реализаций для 6 элементов t_i·10⁴ час.

m n	Количество элементов	t0	tобщ	t0/tобщ
	1	2	3	4	5	6
Количество реализаций	1	143,55	143,35	142,85 (0,15)	142,36 (0,64)	142,42 (0,58)	143,25	1,37	857,78	0,001597
	2	142,36 (0,64)	142,64 (0,36)	143,13	142,77 (0,23)	142,74 (0,26)	143,02	1,49	856,66	0,001739
	3	144,1	143,75	142,97 (0,03)	143,47	143,95	143,62	0,03	861,86	0,0000348
	4	143,2	143,24	143,02	143,14	142,77 (0,23)	143,83	0,23	859,2	0,000268
	5	143,95	142,68 (0,32)	142,88 (0,12)	142,66 (0,34)	143,28	143,72	0,78	859,17	0,000908
Итого: 0,00454

На основе полученных значений определим вероятность отказа элемента системы X_4,5,6 по формуле:

.

Вероятность отказов элементов системы Х_4,5,6 = 0,00908.

Моделирование постепенного отказа Х₈.

Рассчитаем интегральную функцию F(t) нормального распределения для Х₈ (загрязнение фильтра), задавшись Т_ср= 160000 час., =500, определим аргумент функции Лапласа и занесем данные в таблицу 2.16.

Таблица 2.16. Сводная таблица расчета интегральной функции нормального распределения.

t103, час.	158	158,5	159	159,5	160	160,5	161	161,5	162
Х	-4	-3	-2	-1	0	1	2	3	4
Ф(х)	-0,5	-0,5	-0,48	-0,34	0	0,34	0,48	0,5	0,5
F(t)	0	0	0,02	0,16	0,5	0,84	0,98	1	1

На основе расчетных данных таблицы 2.16 построим график нормального распределения (рисунок 2.8).

Рисунок 2.8. Интегральная функция нормального распределения

Выбрасываем с помощью генератора случайных чисел числовую последовательность R в диапазоне значений (01) (таблица 2.17). Откладываем полученные числа R на оси ординат, проводим прямую, параллельную оси абсцисс до пересечения с графиком функции F(t) и из точки пересечения опускаем перпендикуляр на ось времени.

Таблица 2.17. Результаты моделирования вероятности случайных отказов

R
0,61	0,11	0,69	0,79	0,96	0,25
0,18	0,58	0,92	0,9	0,24	0,89
0,97	0,24	0,14	0,63	0,37	0,61
0,82	0,84	0,93	0,95	0,58	0,97
0,3	0,66	0,56	0,68	0,2	0,15

Полученные значения времени t_i сравниваем с T_cp. Далее рассчитываем t₀ по формуле: , выбирая только те случаи, когда t_i<Т_сp и записываем в скобках рядом с соответствующим значением t_i. Затем суммируем нерабочее время в единичной реализации t₀ и берем отношение к сумме общего времени t_общ работы элемента в этой реализации. Все значения заносим в таблицу 2.18.

топливный насос редуктор отказ износ мембрана

Таблица 2.18. Временная выборка из 5 реализаций для 6 элементов t_i·10³ час.

m n	Количество элементов	t0	tобщ	t0/tобщ
	1	2	3	4	5	6
Количество реализаций	1	160,15	159,37 (0,63)	160,26	160,4	160,88	159,65 (0,35)	0,98	960,71	0,00102
	2	159,53 (0,47)	160,1	160,7	160,65	159,62 (0,38)	160,61	0,85	961,21	0,00088
	3	160,93	159,62 (0,38)	159,45 (0,55)	160,18	159,81 (0,19)	160,15	1,12	960,14	0,00116
	4	160,45	160,49	160,73	160,82	160,1	160,93	0	963,52	0
	5	159,72 (0,28)	160,22	160,08	160,25	159,58 (0,42)	159,47 (0,53)	1,23	959,32	0,00128
Итого: 0,00435



На основе полученных значений определим вероятность отказа элемента системы X₈ по формуле:

.

Вероятность отказов элементов системы Х₈ = 0,00087.

Рассчитаем коэффициент отказа всей системы, используя формулу:

.

,

где ,

Размещено на Allbest.ru (

...