Дубровин Л.А. Основы теории надёжности: надежность РЭС - файл n1.doc

приобрести
Дубровин Л.А. Основы теории надёжности: надежность РЭС
скачать (1802.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc1803kb.07.07.2012 02:56скачать

n1.doc

  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Марийский государственный технический университет

Дубровин Лев Алексеевич

Основы теории надёжности

Надёжность РЭС

Курс лекций для специальностей

200700, 200800, 201500, 552500

Йошкар-Ола
2004

1. ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Все промышленные изделия характеризуются качеством, т. е. определенной совокупностью свойств, которые существенно отличают данное изделие от других и определяют степень его пригодности для эксплуатации по своему назначению. Для РЭА это прежде всего совокупность конструкторских, технологических, электрических, магнитных, тепловых и эргономических характеристик. Качественные показатели изделий оцениваются также способностью к функционированию в условиях внешних помех (радиации, вибрации, ударные перегрузки, резкопеременные климатические условия) и используемым при их производстве уровнем унификации и стандартизации. Естественно, что в процессе эксплуатации РЭА вследствие износа и необратимых процессов старения характеристики аппаратуры (а следовательно, и ее качество) будут изменяться. Изменением качества во времени характеризуют один из главнейщих его показателей, называемый надежностью.

Под надежностью понимают свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или требуемой наработки при соблюдении режимов эксплуатации, правил технического обслуживания, хранения и транспортировки. Надежность — это сложное комплексное понятие, с помощью которого оценивают такие важнейшие характеристики изделий, как работоспособность, долговечность, безотказность, ремонтопригодность, восстанавливаемость и др.

В связи со сложностью содержания понятия надежности ее невозможно точно рассчитать; можно лишь приближенно оценить для созданных ранее устройств и приближенно прогнозировать для вновь создаваемых. Важность таких оценок и прогнозов неодинакова для РЭА различного назначения. Например, выход из строя ИМС в наземной ЭВМ общетехнического назначения может привести к временной ее неработоспособности, однако при современных методах технического обслуживания такие неисправности сравнительно легко выявляются и устраняются. Выход из строя такой же ИМС в бортовом вычислителе современного самолета может привести к катастрофическим последствиям. В первом случае стоимость восстановления оборудования исчисляется оплатой труда на поиск и устранение неисправности и стоимостью ИМС, во втором — изделие вообще не подлежит ремонту, а его гибель связана в лучшем случае с потерей больших материальных ценностей. Из приведенного примера следует, что надежность изделий связана непосредственно со стоимостью.

Иллюстрацией сказанного может служить табл. 1.1 относительной стоимости ущерба, причиняемого одним отказом в различных классах электронной аппаратуры [35].
Таблица 1.1

Вид аппаратуры

Замена детали

Замена платы

Перепроверкаи ремонт

Натурные

испытания

и ремонт

Индивидуального пользования

2

2

5

50

Промышленная

4

25

45

215

Электронные системы

специального назначения

7

50

120

103

Космическая электронная

аппаратура

15

15

300



Обычно обеспечение более высокой надежности РЭА в период ее освоения в производстве обходится дорого, так как это связано с рядом дополнительных исследований, доработок, совершенствованием технологических процессов и т. п. Но когда необходимый уровень надежности достигнут, произведенные дополнительные затраты, как правило, окупаются.

Надежность современной РЭА в значительной мере определяется надежностью составляющих ее компонентов, и в настоящее время границы сложности вычислительных комплексов и систем зависят в основном от достижимого уровня надежности составляющих их технических средств. Поэтому проблема обеспечения надежности приобретает тем большее значение, чем сложнее РЭА. Это ясно, если принять во внимание, что современная РЭА характеризуется возрастающей интенсивностью режимов эксплуатации, ужесточением требований к точности и эффективности работы, все большей нечувствительностью к внутренним и внешним дестабилизирующим факторам, а также увеличивающимся уровнем автоматизации работы.

Возникает закономерное противоречие, заключающееся в следующем: все более усложняющиеся инженерные задачи требуют создания более сложных технических средств, но последние принципиально имеют меньший уровень надежности, нежели простые. Создавать их имеет смысл лишь в том случае, если надежность достаточно высокая. Отсюда следует, что в настоящее время дальнейший технический прогресс невозможен без увеличения показателей надежности технических устройств. Разрешение противоречия между сложностью устройств и их надежностью является одной из важнейших инженерных задач, осуществлению которой в значительной степени способствует современная теория стандартизации, заключающаяся в наведении оптимального порядка в разработке, изготовлении, испытаниях, наладке, приемке и эксплуатации технических средств.

Теория надежности является фундаментальной научной основой стандартизации. Она призвана:

  1. Устанавливать общие закономерности, которых следует придерживаться на всех стадиях разработки, производства и эксплуатации изделий (начиная с выбора принципа действия и исходных материалов и кончая правилами списания технических средств из-за невозможности дальнейшей их эксплуатации), изыскивать методы повышения показателей надежности при разработке и производстве изделий, а также способы максимального сохранения надежности при их эксплуатации.

  2. Определять закономерности возникновения в изделиях различного рода отказов под влиянием внутренних и внешних воздействий, разрабатывать методы проведения испытаний на надежность и методы обработки и достоверной оценки полученных при этом результатов, изыскивать эффективные способы контроля надежности, методы, обосновывающие последовательность и периодичность профилактических работ при эксплуатации изделий, а также способы отыскания в них неисправностей.

  3. Создавать рациональные методики сбора, учета и анализа статистических данных, характеризующих надежность, разрабатывать методы оценки надежности (включая вопросы прогнозирования отказов).

Обобщая изложенное, можно заключить, что теория надежности изучает природу и процессы возникновения отказов в технических системах и методы борьбы с этими отказами.

Для уточнения терминологии, которой мы будем пользоваться в дальнейшем при изучении вопросов надежности, в соответствии с ГОСТ 13377—75 определим важнейшие характеристики РЭА. Заметим, что термины в области надежности изделий являются общими для различных отраслей промышленности.

Работоспособность — состояние изделия, при котором оно способно выполнять заданные функции с параметрами, установленными требованиями технической документации. Здесь и в дальнейшем под технической документацией понимают стандарты, руководящие технические материалы, технические условия и прочую нормативно-техническую документацию. Под параметрами изделия понимают его производительность, точность, рентабельность, экономичность и др.

В теории надежности широкое распространение получило понятие отказ, под которым подразумевают случайное событие, заключающееся в нарушении работоспособности изделия. Различают внезапные и постепенные отказы. Внезапными (мгновенными) отказами называются такие, которые возникают в результате мгновенного изменения одного или нескольких параметров изделия. Постепенные отказы — такие, при которых наблюдается постепенное изменение главных параметров изделия либо из-за их износа, либо из-за старения. Так как в практике эксплуатации РЭА имеют место случаи, когда возникает сразу несколько отказов, причем некоторые из них являются прямым следствием других, то отказы различают также по взаимосвязи между собой. Отказы, возникновение которых не связано с предшествующими отказами, называют независимыми. Отказы, появляющиеся вследствие предшествующих отказов (например, из-за перегрузок), называют зависимыми.

По внешним проявлениям отказы делятся на явные и неявные. Первые могут быть обнаружены визуально (например, обрыв печатных трасс в ТЭЗ), вторые — только с помощью специальных измерений (например, выход из строя ИМС в том же ТЭЗ). По характеру устранения отказов они делятся на устойчивые и самоустраняющиеся. Устойчивые отказы сравнительно просто обнаружить, и они обычно легко устраняются. Самоустраняющиеся отказы исчезают во времени сами. Их обнаружить и устранить бывает очень сложно. Они проявляются обычно в виде сбоя или в форме перемежающегося отказа. Сбоем называют однократно возникающий и самоустраняющийся отказ.

При эксплуатации РЭА наиболее часто встречающимся видом отказов является сбой. Перемежающиеся отказы могут возникнуть, например, при плохом контакте в соединителе.

Отказ является одним из видов проявления неисправности изделия, под которой подразумевают несоответствие изделия одному или нескольким требованиям, предъявляемым к нему техническими условиями (например, в отношении рабочих характеристик, внешнего вида и т. п.). Естественно, что не все неисправности являются отказами. Те из них, которые не приводят в процессе эксплуатации РЭА к отказу, называют дефектами.

Наработка — продолжительность (или объем) работы изделия, измеряемая временем, циклами, периодами и т. п. В процессе эксплуатации или испытания изделия в зависимости от его назначения различают суточную или месячную наработку, наработку на отказ, среднюю наработку до первого отказа, гарантийную наработку и т. п.

Суточная и месячная наработки оцениваются временем (циклами, периодами), которое изделие проработало в течение суток или месяца.

Под наработкой на отказ понимают среднее значение наработки ремонтируемого изделия между отказами. Если наработка выражена в единицах времени, то используют термин среднее время безотказной работы.

Под средней наработкой до первого отказа понимают среднее значение наработки изделий в партии до первого отказа. Для неремонтируемых изделий этот термин равнозначен понятию средней наработки до отказа.

Гарантийная наработка представляет собой наработку изделия, до завершения которой изготовитель гарантирует и обеспечивает выполнение определенных требований к изделию, при условии соблюдения потребителем правил эксплуатации, в том числе правил хранения и транспортировки. Срок гарантии устанавливается в технической документации или договорах между изготовителем и заказчиком.

Безотказностью называют свойство изделия сохранять свою работоспособность в течение некоторой наработки без вынужденных перерывов. Безотказность измеряется в единицах наработки. Вынужденные перерывы обусловливаются обычно внешними причинами: перерывами в питании, короткими замыканиями и т. п., или планово-предупредительными мероприятиями, связанными с профилактическими и ремонтными работами. Если изделие не предназначено для ремонта (например, РЭА, размещаемая на искусственных спутниках Земли) или подлежит замене после первого отказа (например, самолетная РЭА), или же в нем отказы вообще недопустимы по условиям безопасности (например, космическая РЭА), то в качестве показателей ее безотказной работы могут служить интенсивность отказов и время безотказной работы.

Для ремонтируемых изделий за аналогичные показатели обычно выбирают наработку на отказ, параметр потока отказов или вероятность безотказной работы.

Под интенсивностью отказов понимают вероятность отказа неремонтируемого изделия в единицу времени после данного момента времени при условии, что отказ до этого момента времени не возник.

Под вероятностью безотказной работы понимают вероятность того, что в заданном интервале времени или пределах заданной наработки не возникнет отказ изделия.

Параметр потока отказов характеризуется средним количеством отказов ремонтируемого изделия в единицу времени.

Долговечность определяется свойством изделия длительно сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для профилактического обслуживания и ремонтов. Предельное состояние изделия определяется невозможностью его дальнейшей эксплуатации, обусловленное либо снижением его эффективности, либо требованиями безопасности, которые оговариваются в технической документации. Предельное состояние изделия, связанное с потерей работоспособности последнего, наступает либо из-за полного его износа, либо из-за старения. Ему предшествует обычно снижение точности выполнения операций и эффективности функционирования. Показателями долговечности могут служить, например, ресурс и срок службы.

Под ресурсом понимают величину наработки изделия вплоть до его предельного состояния. В практике различают понятия: ресурс до первого ремонта, межремонтный, назначенный, - процентный и средний. Ресурс изделия до первого ремонта характеризуется его наработкой, после которой необходимо выполнить ремонт. Межремонтный ресурс определяется наработкой изделия между его ремонтами. Назначенный ресурс характеризуется наработкой, оговоренной технической документацией на изделие. Он определяется наработкой изделия, при достижении которой его эксплуатация должна быть прекращена независимо от состояния изделия. Этот ресурс назначается обычно из соображений безопасности и экономичности. Гамма - процентный ресурс — это тот, который равен или превышает в среднем заранее заданное число процентов изделий данного типа, не вышедших из строя при испытаниях. Например, если =95%, то это означает, что не менее 95 (из 100) изделий из выпущенной партии обладают назначенным ресурсом. Средний ресурс характеризует среднюю наработку, достижимую в выпущенной партии изделий.

Срок службы изделия исчисляется календарной продолжительностью эксплуатации вплоть до момента возникновения его предельного состояния. Различают срок службы изделия до первого капитального ремонта, между капитальными ремонтами, до списания и средний срок службы изделия.

Ремонтопригодность определяется приспособленностью изделия к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей путем проведения профилактического обслуживания и ремонтов. Под устранением отказов подразумевается восстановление работоспособности. Показателями ремонтопригодности служат: среднее время восстановления, вероятность выполнения ремонта в заданное время и средняя стоимость профилактического обслуживания. Среднее время восстановления характеризуется временем вынужденного нерегламентированного простоя, вызванного обнаружением и устранением одного отказа. Остальные два показателя не нуждаются в специальном пояснении.

Вся РЭА, принадлежащая к классу необслуживаемой, является неремонтопригодной. Ее называют также невосстанавливаемой или неремонтируемой. К последней относят такую аппаратуру, которая не подлежит восстановлению.

Одним из показателей качества РЭА является ее сохраняемость, т. е. свойство изделия поддерживать свои эксплуатационные показатели в течение и после срока хранения и транспортировки, установленного технической документацией. Количественными показателями сохраняемости могут служить, например, средний и - процентный ресурс.

Важным свойством, характеризующим качество РЭА, является готовность изделий к переходу от режима восстановления к рабочему режиму. Это свойство оценивается коэффициентом готовности, под которым понимают вероятность того, что изделие будет работоспособно в произвольно выбранный момент времени в промежутках между выполнениями планового профилактического обслуживания. Изделие с абсолютной готовностью является либо абсолютно безотказным, либо идеально восстанавливаемым. В дополнение к этому понятию введен термин коэффициент технического использования, который определяется как отношение наработки изделия в единицах времени за некоторый период эксплуатации к сумме этой наработки и времени всех простоев, вызванных профилактическим обслуживанием и ремонтами за тот же период эксплуатации.

Подчеркнем в заключение, что если изделие исправно, то оно обязательно работоспособно. Обратное утверждение неверно. Например, ЭВМ может находиться в работоспособном состоянии и продолжать функционировать при выходе из строя ряда индикаторных устройств на пульте ее управления. Но считать ее в этом случае исправной нельзя.
2. ПРИЧИНЫ НИЗКОЙ НАДЕЖНОСТИ РЭА

Изменение показателей надежности изделий может произойти из-за самых разнообразных причин, например: из-за неточности расчетов характеристик изделия на этапе его проектирования, из-за неоптимальности принятых конструкторских решений на этапе конструирования, из-за нарушения технологии производства на этапе изготовления, из-за несоблюдения норм эксплуатации РЭА и целого ряда случайных причин, которые заранее предсказать и оценить весьма затруднительно. Таким образом, основные причины низкой надежности связаны с недостатком наших знаний, опыта и времени, отводимого на разработку.

При теоретических исследованиях и расчетах РЭА мы не в состоянии точно учесть все физические явления, имеющие место в аппаратуре. Даже при машинном ее конструировании мы можем получать только квазиоптимальные конструкторские решения, поскольку сами критерии оптимизации выбираются нами в значительной степени субъективно. Наконец, ограниченные возможности эксперимента из-за недостатка точных сведений об условиях эксплуатации РЭА еще больше усугубляют имеющие место трудности. Например, создавая аппаратуру для космических исследований, мы до сих пор не располагаем полными данными о свойствах космической среды, следовательно, не можем учесть в процессе создания изделия все влияющие на его работу дестабилизирующие факторы.

Разработчик аппаратуры обобщает накопленный опыт, устраняет в последующих конструкциях ранее имеющие место ошибки, но при этом неизбежно делает новые (опять же из-за недостатка знаний и опыта). Однако с каждым разом их становится все меньше. Это естественный процесс развития техники в условиях научно-технического прогресса: от простого к сложному, от менее совершенных и надежных изделий к более качественным. Рассматривая причины низкой надежности РЭА с инженерных позиций, можно утверждать, что они являются в основном следствием конструкторских, технологических и эксплуатационных ошибок.

К конструкторским ошибкам обычно относят неоптимальный выбор принципиальной электрической схемы изделия с точки зрения выполнения возложенных на нее функций, комплектующих элементов, исходных материалов, которые не в полной мере учитывают физико-химические свойства, электрические, тепловые, электромагнитные и прочие режимы работы элементов и аппаратуры в целом. К ним относят также недостаточность мер по выбору допусков и стабилизации параметров комплектующих компонентов, неудачную компоновку, неэффективность выбора средств защиты РЭА от дестабилизирующих факторов и способов ее резервирования, а также просчеты чисто технического порядка (ошибки в чертежах, технологических картах, технических условиях, инструкциях по эксплуатации и т. п.).

К технологическим ошибкам относят: использование неудовлетворительных по качеству комплектующих изделий и материалов, несовершенство выбранных технологических процессов и несоблюдение их точного выполнения, недостаточную организацию и неэффективность контроля качества, несовершенство технологического оборудования, недостаточный уровень автоматизации производственных процессов, нарушение санитарно-гигиенических норм производства и т. п.

К эксплуатационным ошибкам относят использование РЭА в несоответствующих техническим условиям режимах эксплуатации: электрических и механических перегрузок, в условиях воздействия повышенных (пониженных) температур, атмосферного давления, вибраций, ускорений, радиации, влажности, агрессивных сред, акустических колебаний и др. К эксплуатационным ошибкам следует также отнести естественные и неизбежные факторы старения, характеризующиеся дрейфом параметров РЭА и выходом их за пределы установленных допусков, вызванные физико-химической деградацией материалов во времени, а также износом РЭА вследствие ее старения.

Правильно понимать физическую природу и сущность отказов очень важно для обоснованной оценки надежности технических устройств. В практике эксплуатации последних различают три характерных типа отказов: приработочные, внезапные и отказы из-за износа. Они различаются физической природой, способами предупреждения и устранения и проявляются в различные периоды эксплуатации технических устройств.

Отказы удобно характеризовать «кривой жизни» изделия, которая иллюстрирует зависимость интенсивности происходящих в нем отказов от времени t. Такая идеализированная кривая для РЭА приведена на рис. 2.1. Она характеризуется тремя явно выраженными периодами: приработки I, нормальной эксплуатации II и износа III.

Рис. 2.1. Идеализированная «кривая жизни» РЭА

Приработочные отказы наблюдаются в первый период (0 - t1) эксплуатации РЭА. Они возникают, когда часть элементов, входящих в состав РЭА, являются либо бракованными, либо имеют низкий уровень надежности. Они могут быть также следствием некачественного выполнения сборочных операций и ошибок в монтаже. Физический смысл приработочных отказов может быть объяснен тем, что электрические и механические нагрузки, приходящиеся на компоненты РЭА в приработочный период, превосходят их электрическую и механическую прочность. Поскольку продолжительность периода приработки РЭА определяется в основном интенсивностью отказов входящих в ее состав некачественных элементов, то продолжительность безотказной работы таких элементов обычно сравнительно низка, поэтому выявить и заменить их удается за сравнительно короткое время.

В зависимости от назначения РЭА период приработки может продолжаться от нескольких до сотен часов. Чем более ответственное изделие, тем больше продолжительность этого периода. Период приработки составляет обычно доли и единицы процента от времени нормальной эксплуатации РЭА во втором периоде. Как видно из рис. 2.1, участок «кривой жизни» РЭА, соответствующий периоду приработки I, представляет собой монотонно убывающую функцию , крутизна которой и протяженность во времени тем меньше, чем совершеннее конструкция, выше качество ее изготовления и более тщательно соблюдены режимы приработки. Период приработки считают завершенным, когда интенсивность отказов РЭА приближается к минимально достижимой (для данной конструкции) величине . В соответствии с рис. 2.1 это происходит в точке t1 (т. е. по истечении времени (0 – t1).

Приработочные отказы могут быть следствием конструкторских (например, неудачная компоновка), технологических (некачественное выполнение сборки) и эксплуатационных (нарушение режимов приработки) ошибок.

Внезапные отказы наблюдаются во второй период (t1 - t2) эксплуатации РЭА. Они возникают неожиданно вследствие действия ряда случайных факторов, и предупредить их приближение практически не представляется возможным, тем более что к этому времени в РЭА остаются только полноценные компоненты, срок износа и старения которых еще не наступил. Однако и такие отказы все же подчиняются определенным закономерностям. В частности, частота их появления в течение достаточно большого промежутка времени одинакова в однотипных классах РЭА.

Физический смысл внезапных отказов может быть объяснен тем, что при быстром количественном изменении (обычно — резком увеличении) какого-либо параметра в компонентах РЭА происходят качественные изменения, в результате которых они утрачивают полностью или частично свои свойства, необходимые для нормального функционирования аппаратуры. К внезапным отказам РЭА относят, например, пробой диэлектриков, короткие замыкания проводников, неожиданные механические разрушения элементов конструкции и т. п.

Период нормальной эксплуатации РЭА характеризуется тем, что интенсивность ее отказов в интервале времени (t1-t2)
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации