 |
НадежностьНадёжность и отказы ЭУ
|
|
|
|
| Мозг – это пример формирования высоконадежноговысоконадёжного устройства из множества ненадежныхненадёжных элементов. Джон фон Нейман |
Основные понятия надежностинадёжности
В настоящее время проблема надежностинадёжности РЭУ приобретает особенную важность по следующим причинам:
* ЭУ заметно усложнились в схемотехническом отношении.
* Ужесточились условия эксплуатации (большие перепады температур, высокие или низкие давления, наличие механических воздействий и т.д.)
* Повысились требования к точности функционирования РЭУ.
* Повысилась "цена" отказа РЭУ: он может привести к серьезнымсерьёзным техническим, экологическим и экономическим потерям.
* В ряде случаев оператор не имеет непосредственного контакта с РЭУ (электронные датчики контроля технологических процессов в агрессивных средах, РЭУ на непилотируемых летательных объектах и т.п.).
Основными понятиями теории надежностинадёжности являются "надежностьнадёжность" и "отказ". В процессе испытаний и эксплуатации может быть выявлено несколько типов отказов.
НадежностьНадёжность характеризуется безотказностью, долговечностью, сохраняемостью и ремонтопригодностью. безотказность – свойство ЭУ непрерывно сохранять работоспособность в течение заданного времени в определенныхопределённых режимах и условиях эксплуатации. С течением времени происходят износ и старение, вызывающие отказы ЭУ. Долговечность невосстанавливаемого изделия характеризуется его наработкой до отказа, т.е. продолжительностью работы изделия от начала эксплуатации (испытаний) до возникновения первого отказа. Для восстанавливаемых изделий используется иной смысл. Долговечность таких ЭУ ограничивается соображениями технической и экономической целесообразности их дальнейшего использования. При этом ЭУ могут иметь большое число отказов за время эксплуатации, для устранения которых изделия ремонтируют, заменяя отказавшие элементы. Поэтому под долговечностью восстанавливаемого изделия понимают его свойство сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания (ремонтов). Календарная продолжительность эксплуатации ЭУ от ее начала до наступления предельного состояния составляет срок службы ЭУ. Помимо понятия "срок службы" используется "гарантийный срок службы" ЭУ, устанавливающий взаимоотношения между заказчиком и изготовителем. Гарантийный срок службы изделия всегда меньше действительного срока службы. Если в течение гарантийного срока происходит отказ изделия, то ответственность за него несетнесёт изготовитель, который должен выполнить ремонт, а в случае невозможности ремонта - заменить изделие исправным. По истечении гарантийного срока службы изготовитель не несетнесёт ответственности за отказы ЭУ, но при этом не исключается, что изделия остаются надежныминадёжными и пригодными для дальнейшей эксплуатации.
|
|
|
Сохраняемость – свойство ЭУ сохранять значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности после хранения и транспортирования. Под ремонтопригодностью для восстанавливаемых изделий понимают свойство ЭУ, заключающееся в приспособленности к восстановлению и поддержанию заданного технического ресурса путем предупреждения, обнаружения и устранения неисправностей и отказов. Количественно ремонтопригодность оценивается трудоемкостью восстановления работоспособности изделий, которая определяется затратами времени и средств на диагностику отказов с учетомучётом необходимой квалификации обслуживающего персонала, уровня технической оснащенностиоснащённости и системы организации ремонта. Под ремонтопригодностью невосстанавливаемых изделий понимается их приспособленность к проверке технического состояния и удобной замене.
|
|
|
свойство надежности закладывается в ЭУпри разработке и изготовлении, оценивается в процессе испытаний и эксплуатации с помощью показателей надежностинадёжности. Испытания, в результате которых оценивается надежность ЭУ, называют испытаниями на надежностьнадёжность. Эти испытания могут быть как определительными, так и контрольными. Результатами определительных испытаний на надежностьнадёжность пользуются для установления фактических показателей надежностинадёжности. Контрольные испытания на надежностьнадёжность проводят для оценки соответствия показателей надежностинадёжности ЭУ требованиям, установленным ТЗ и ТУ.
Большое разнообразие условий эксплуатации и видов нагрузок, которым подвергаются ЭУ, не позволяет ограничиваться проведением какого-либо одного из видов испытаний для того, чтобы гарантировать их надежнуюнадёжную работу в различных условиях применения. Только по результатам совокупности испытаний оценивается качество ЭУ в целом и принимается решение о возможности предъявления их на приемочныеприёмочные испытания, постановки на производство, об окончании освоения серийного производства или о его продолжении, о присвоении категории качества и т.д.
Отказ – событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния изделия, вследствие ухода параметров изделия за пределы установленных норм. Механизм отказа – физико-химические процессы, приводящие к отказу. Критерии отказов устанавливаются НТД на данное изделие. Отказы делятся на внезапные, постепенные, перемежающиеся.
Внезапный отказ (часто называется катастрофическим отказом) характеризуется скачкообразным изменением параметров изделия. Обычно связан с конструктивными недостатками или нарушениями технологии, слабо поддаетсяподдаётся прогнозированию, при отсутствии резервирования приводит к нарушению работоспособности ЭУ.
|
|
|
Постепенный отказ характеризуется плавным изменением во времени параметров изделия. Постепенный отказ часто называется условным отказом, т.к. при одном и том же критерии годности он в одном случае может привести к потере работоспособности, в другом – не влиять на неенеё. Т.к. постепенные отказы характеризуются закономерным и плавным изменением параметров, то они могут быть спрогнозированы.
Сбой (временный отказ) – это самоустраняющийся отказ или однократный отказ, устраняемый незначительным вмешательством оператора.
перемежающиеся отказы проявляются как кратковременные изменения параметров изделия. Часто могут быть выявлены в процессе испытаний ЭУ.
Характер проявления отказа также может быть квалифицирован как явный или неявный, зависимый или независимый.
явный – отказ, обнаруживаемый визуально или штатными методами и средствами диагностирования при подготовке объекта к применению или в процессе его применения по назначению. Под скрытым (неявным) отказом понимают отказ, не обнаруживаемый визуально или штатными средствами и методами контроля и диагностирования, но выявляемый при проведении технического обслуживания или специальными методами диагностирования.
Независимый – отказ, не обусловленный другими отказами. Зависимым называют отказ, обусловленный другими отказами.
В зависимости от стадии жизненного цикла изделия, все отказы разделяют на конструкционные, производственные, эксплуатационные, деградационные; возникают они соответственно в результате нарушения установленных правил (условий): конструирования изделий или его элементов, процесса изготовления или ремонта изделия, эксплуатации изделия. Д еградационный отказ обусловлен процессами старения, изнашивания, коррозии и усталости при соблюдении всех установленных правил и норм проектирования, изготовления и эксплуатации. Такое разделение позволяет регулировать правовые взаимоотношения между изготовителем и потребителем изделий по вопросу качества выпускаемой продукции.
С увеличением надежности ЭУ уменьшается число отказов, следовательно, объем информации о недостатках ТП изготовления, необходимый для организации обратной связи. Поэтому в программе обеспечения качества особое значение приобретает анализ отказов. На основании полученных сведений строят гипотезы о механизмах и причинах отказов, разрабатывают рекомендации по устранению этих причинустранению.
|
|
|
надежностьНадёжность – свойство изделия сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции, в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования. Надежность – комплексное свойство; может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость или сочетания этих свойств. Часто под надежностью в узком смысле слова понимают безотказность изделия.
Безотказность – свойство изделия непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки. Под работоспособным состоянием (кратко — работоспособностью) понимают состояние изделия, при котором оно способно выполнять предписанные ему функции, имея значения выходных параметров в пределах норм, оговоренных в технической документации.
Долговечность – свойство изделия сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.
Ремонтопригодность – приспособленность изделия к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонта.
Сохраняемость – свойство изделия сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способность изделия выполнять требуемые функции, после хранения или транспортирования.
С точки зрения восстанавливаемости различают восстанавливаемые и невосстанавливаемые изделия. Восстанавливаемые изделия в случае возникновения отказа подвергаются ремонту и далее снова используются по назначению. Невосстанавливаемые изделия не подлежат либо не поддаются ремонту по техническим или экономическим соображениям. В теории надежностинадёжности различают надежностьнадёжность устройств и надежностьнадёжность входящих в него элементов. Устройства чаще являются изделиями восстанавливаемыми. Элементы – обычно изделия невосстанавливаемые.
ЭУ, как системы, с точки зрения надежностинадёжности могут быть простыми и сложными. Для простой системы отказ наступает в случае выхода из строя хотя бы одного из элементов. Для сложной системы в случае отказа ее составных частей происходит снижение эффективности ее функционирования, так как функцию вышедшего из строя устройства может взять на себя оператор. Например, при отказе устройства автоматического поворота антенны эту функцию берет на себя человек, выполняя операцию поворота вручную.
|
|
|
Классификация отказов ЭУ
Отказ – событие, заключающееся в нарушении работоспособности изделия, вследствие ухода одного или нескольких параметров изделия за пределы установленных норм.
По своей физической природе отказ - событие случайное. Количественной мерой, описывающей отказ, является наработка до отказа. Под наработкой часто понимают продолжительность работы изделия, выраженную в часах, циклах переключения или других единицах в зависимости от функционального назначения изделия от момента вступления в работу (эксплуатацию) до возникновения первого отказа. Например, для интегральной микросхемы наработка выражается в часах, для переключателя, реле - в циклах переключения, для счетчикасчётчика бета - излучения — в импульсах и т.д. При этом если изделие работает с перерывами, то в суммарную наработку включаются только периоды работы (функционирования) изделия.
Предположим, что РЭУ эксплуатируется в течение определенногоопределённого календарного периода. Возникающие при эксплуатации отказы устраняются (изделие ремонтируется, заменяются или резервируются отказавшие блоки), и изделие снова используется по назначению. Изобразим процессы функционирования и устранения отказов РЭУ на временной оси (рис.).
| t1 | t1 | t2 | t2 | t3 | t3 | t4 |
t1, t2, t3 – интервалы безотказной работы РЭУ;
t1, t2, t3 – интервалы по устранению отказов
Рис. Процесс функционирования РЭУ:
t1, t2, t3 – интервалы безотказной работы РЭУ;
t1, t2, t3 – интервалы по устранению отказов
Тогда под наработкой на отказ понимают величину
где m - число отказов РЭУ, возникших за рассмотренный календарный период, или, что то же самое, число периодов безотказной работы.
Показатель средней наработки на отказ t0 имеет смысл только применительно к восстанавливаемым устройствам.
НадежностьНадёжность однотипных устройств или элементов с точки зрения продолжительности их работы до первого отказа можно оценить средним временем безотказной работы, под которым понимают математическое ожидание времени безотказной работы. В общем случае рассматриваемый показатель называют средней наработкой до отказа, так как он представляет собой математическое ожидание (среднее значение) случайной величины - наработки до отказа.
Этот показатель используют как для устройств, так и для элементов. Предположим, что на испытание поставлено N изделий, и в процессе испытаний фиксируются интервалы безотказной работы каждого изделия. Тогда среднее время безотказной работы
где Ti -- время безотказной работы i-го экземпляра рассматриваемого вида изделия.
Чем больше N, тем выше точность оценки.
В инженерной практике испытания изделий выполняются в течение ограниченного промежутка времени, и не представляется возможным дожидаться отказа всех изделий. В этом случае значение Тср для неоткаэавших неотказавших экземпляров полагают равным времени испытаний. Естественно, оценка Тср оказывается заниженной, но с этим приходится мириться.
Показатели t0 и Тср по своей физической сущности различны, однако в случае экспоненциального закона надежностинадёжности они совпадают по значению.
Также, в случае экспоненциального распределения времени до отказа показатель Тср и совпадающий с ним по значению показатель t0 соответствуют примерно 37%-ной наработке до отказа (g = 37%). Это означает, что примерно 37% изделий данного вида проработают без отказа в течении времени Тср. Хотя из числа неотказавших изделий некоторые могут проработать значительно больше времени. (0,37»1/е).
Для гамма- процентной наработки
Тg=90% = 0,1Тср; т.е. при Т=0.1Тср из всего числа изделий 90% будут гарантированно сохранять работоспособность
Тg=99% = 0,01Тср, т.е. не менее изделий 99% будут гарантированно сохранять работоспособность
Интенсивность отказов деталей – количественная мера вероятности отказов. Пусть у некоторого устройства существует вероятность отказа F(t) в течение времени 0<t<t, Функция F(t) носит название кумулятивной (совокупной) интенсивности отказов. Понятно, что для исправного устройства F(0)=0, Р(¥)=1.
Вероятность безотказной работы можно представить как:
R(t)=1-F(t)
Эта величина называется функцией надежностинадёжности. Если положить, что f(t)=dF/dt, то будем иметь дело с плотностью распределения вероятностей, которое можно назвать распределением интенсивностей отказов. Другим важным параметром является математическое ожидание случайной величины t
Этот показатель носит название наработки до отказа или средней наработки на отказ. Первый термин используется в применении к изделиям, которые нельзя ремонтировать, а второй – в применении к ремонтопригодным изделиям.
Рис. Кривая интенсивности отказов.
| Обычно зависимость вероятности возникновения отказов от времени имеет вид, представленный на рис. Такую графическую зависимость называют корытообразной кривой. Традиционно на этой кривой выделяют три участка: участок, на котором происходит уменьшение интенсивности отказов, участок, где интенсивность отказов является постоянной, и участок возрастания интенсивности отказов. |
Первый участок соответствует интервалу времени, на котором отказы могут возникать из-за того, что не удалось в достаточной степени устранить недоработки, имевшие место при проектировании. Такой интервал времени называют интервалом начальных отказов. За счет принятия на этапе проектирования соответствующих мер можно добиться снижения интенсивности появления отказов на начальном интервале. Но это не означает, что интенсивность отказов становится равной нулю. Второй участок кривой, на котором интенсивность отказов постоянна, называют интервалом случайных отказов. Возникновение таких отказов носит совершенно случайный характер. При рассмотрении таких отказов можно воспользоваться вероятностными методами и довольно легко осуществить моделирование. Последний участок на кривой интенсивности отказов носит название интервала усталостных отказов. На этом участке интенсивность отказов возрастает по мере старения устройства.
Экспериментально установлено, что время до отказа элементов хорошо описывается экспоненциальной моделью. При экспоненциальном распределении времени до отказа интенсивность отказов постоянна и численно равна параметру экспоненциального распределения. Поэтому интенсивность отказов и параметр экспоненциального распределения обозначены одной и той же буквой - l. в справочниках надежность элементов задают значением интенсивности отказов.
| Под интенсивностью отказов понимают величину | ||
| где | n(Dti) – количество элементов, отказавших в i- ом временном интервале Dti – ширина i- го временного интервала Ni.СР – среднее количество элементов, исправно работающих в i- ом временном интервале |
Интенсивность отказов элементов определяют обычно опытным путемпутём для номинального электрического режима работы элементов при нормальных условиях эксплуатации (лабораторных условиях). При этом в инженерной практике часто пользуются планом испытаний типа [N, V, Т]. Этот план означает, что испытывается N элементов, фиксируются отказы V, а испытания проводятся в течение времени Т. Оценку интенсивности отказов дают в этом случае с помощью формулы
где ti — время до отказа i- го элемента из числа отказавших; V — количество отказавших элементов.
Знаменатель формулы примерно равный N • Т, называют количеством отработанных приборо - часов (элементо - часов). Чтобы не совершить большую ошибку при оценке l, значение V должно быть не менее 5. Очевидно, что для того, чтобы подтвердить экспериментально значение l, = 10-6 1/ч, значение величины N • Т должно быть равным 107. Предположим, что N = 1000, тогда Т = 10000 ч, что составляет более года. Поэтому на практике используют ускоренные (форсированные) испытания, позволяющие получить ту же информацию о надежностинадёжности, но за более короткий срок. В настоящее время величина ускорения испытаний может достигать 100 и более единиц.
Для высоконадежныхвысоконадёжных видов элементов при определении значений величины l используют расчетрасчёт и прогнозирование, принимая при этом во внимание структурную сложность нового типа элемента и данные из опыта эксплуатации аналогичных элементов.
Размерность интенсивности отказов [l] = 1/ч = ч-1. За рубежом в качестве размерности величины l используют также процент на 1000 ч работы, что равносильно введению множителя 105. В качестве единицы интенсивности отказов также используют фит; 1 фит = 10-9 отк/час.
надежностьНадёжность электронных элементов зависит от коэффициентов электрической нагрузки, характеризующих степень электрической нагруженности элементов относительно их номинальных или предельных возможностей, указываемых в ТУ.
Количественно коэффициенты электрической нагрузки (часто говорят: коэффициент нагрузки) определяют по соотношению
В качестве нагрузки F выбирают такую электрическую характеристику элемента (одну или несколько), которая в наибольшей степени влияет на его надежность. Например, для резисторов в качестве характеристики берут мощность рассеивания, для конденсаторов – напряжение, прикладываемое к обкладкам.
Справочные значения интенсивностей отказов элементов соответствуют коэффициентам нагрузки К=1 и нормальным условиям эксплуатации. На практике с целью повышения надежности РЭУ коэффициенты нагрузки элементов выбирают меньше единицы. Соответственно, при ускоренных испытаниях выбирают К>1. Другой фактор ускорения испытаний – температура.
|
|
|
