книги / Справочник по техническим средствам сбора и передачи информации

Теперь определим безотказность, долговечность и ремонтопригодность Безотказность — это свойство системы (элемента) непрерывно сохранять работо­ способность в определенных режимах и условиях эксплуатации. Долговечность — свойство системы (элемента) длительно с возможными перерывами на ремонт сохранять работоспособность в определенных режимах и условиях эксплуатации до разрушения или другого предельного состояния. Ремонтопригодность — свойство системы (элемента), выражающееся в приспособленности к преду­ преждению, обнаружению и устранению отказов.

Для лучшего понимания дальнейшего дадим еще ряд определений. Аппаратурой называется совокупность определенного числа элементов,

необходимых для выполнения заданных функций и соединенных между собой по определенной схеме. По сложности аппаратуру можно разделить на следую­ щие группы: элементы, блоки (устройства), системы.

Элементом называется часть аппаратуры, состоящая из какой-либо одной или нескольких деталей и выполняющая определенные функции в схеме (элек­ тронная лампа, транзистор, конденсатор, переключатель, реле и т. п.). Блоком (устройством) называется функционально законченное устройство, позволяющее получить на выходе заданные физические величины (выпрямитель, электронный стабилизатор, блок контроля, блок индикации и т. д.) Системой называется технически обоснованная совокупность совместно действующих блоков (уст-

Лройств), предназначенная для самостоятельного выполнения определенной прак­ тической задачи (системы телефонной, телеграфной и телевизионной радио­ связи, цифровые вычислительные машины и т. д.).

Восстанавливаемой называется такая система, которая в случае возникнове­ ния отказа может быть восстановлена. Невосстанавливаемой называется такая система, которая в случае возникновения отказа вообще не поддается восста­ новлению или в процессе эксплуатации не подлежит либо не поддается восста­ новлению. Аналогично определяются восстанавливаемые и невосстанавливаемые элементы и блоки (устройства).

2. КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НАДЕЖНОСТИ

ТССПИ являются восстанавливаемыми системами, в состав которых входят устройства, состоящие из невосстанавливаемых элементов (деталей). Следова­ тельно, надежность ТССПИ определяется в первую очередь надежностью комплек­ тующих элементов.

К наиболее важным показателям (критериям) надежности радиоэлектронной аппаратуры следует отнести: интенсивность отказов, наработку на отказ, среднее время ремонта (восстановления), коэффициент готовности и вероятность безот­

казной работы.

Интенсивность отказов k(t) есть отношение числа n(t) отказавших элементов (устройств) за некоторый промежуток времени Atf к числу N(t) работоспособных в начале этого промежутка:

В большинстве случаев график А,(/) имеет характерный вид (рис. 78). На нем можно выделить три участка. На первом участке 0—tx, участке приработки, интенсивность отказов резко уменьшается, что объясняется большим числом

отказов аппаратуры в начале эксплуатации (наличие элементов, имеющих внут­ ренние дефекты, ошибки при конструировании, неудачный монтаж и т. п.).

На втором участке — /2 интенсивность отказов постоянна. Этот участок характеризует нормальную работу аппаратуры и всегда является более длинным, чем участок приработки. Третий участок, начинающийся за t2, характеризуется резким ростом интенсивности отказов из-за старения и износа элементов. Обычно аппаратуру не эксплуатируют до состояния износа.

Интенсивность отказов,называемую также ^-характеристикой, широко исполь­ зуют для оценки надежности элементов. Ниже будет показано, что надежность различных устройств и систем можно достаточно легко найти по интенсивностям отказов составляющих элементов.

Наработка на отказ, или среднее время безотказной работы, Т0 является наиболее простым и наглядным критерием надежности. Наработка на отказ Т0 представляет собой математическое ожидание времени безотказной работы устрой­

Величину Т0 можно определять по данным испытаний одного или несколь­ ких однотипных образцов. В первом случае пользуются формулой (90), а во втором — формулой

г01

*=1

(91)

N

где N — число испытываемых образцов; Т0/ — среднее время между соседними отказами /-го образца.

Среднее время ремонта (восстановления) представляет собой математичес­ кое ожидание времени вынужденного нерегламентированного простоя, вызван­ ного отысканием и устранением отказа устройства. Его определяют по экспери­ ментальным'данным как среднее значение времени выполнения одного текущего ремонта устройства и рассчитывают по формуле

п

где Грем i — среднее время ремонта /-го образца.

Коэффициент готовности

где Г0— наработка на отказ; Грем — среднее время ремонта.

Сущность коэффициента готовности как характеристики надежности можно проиллюстрировать следующим примером. Пусть в результате испытаний двух образцов аппаратуры одного и того же назначения установлено, что У первого образца наработка на отказ в два раза больше, чем у второго, а среднее время ремонта первого образца больше, чем второго, в 5 раз и равно одной десятой наработки на отказ:

Определим коэффициенты готовности аппаратуры первого и второго обра­ зов и оценим эксплуатационную надежность этих изделий за время (

На основании формулы (94) и с учетом соотношения (97)

rl Toi + TpeKl ~ T 01 + 0,lToi

Аналогично, учтя соотношения (95) и (96), а также формулу (94), определим

Этот пример показывает, что хотя наработка на отказ аппаратуры первого образца больше, чем второго, эффективность ее использования ниже из-за дли­ тельных простоев, вызванных ремонтами.

Вероятность безотказной работы P(t) определяется как вероятность того что отказ устройства в течение времени t не наступит:

P(t) = P(T0 >t),

где Г0— время работы устройства до отказа.

Функция P(t) обладает следующими свойствами [1]: Р(/) — невозрастающая функция; Р(0) = 1; Р(оо) = 0.

Приближенно определить вероятность безотказной работы устройства за заданный промежуток времени можно путем испытаний некоторого количества

где /V0— число устройств, подвергающихся испытанию; N(t) — число устройств, исправно работавших за время испытаний /; число изделий, отказавших во время испытаний,

i

It

п«) = 2

Ы

где я * — число изделий, отказавших в интервале. Дt\ t — время, для которого определяется вероятность безотказной работы.

Типичный график зависимости вероятности безотказной работы от времени показан на рис. 79.

Наряду с вероятностью безотказной работы для характеристики надежности пользуются вероятностью отказа Q(t), которая определяется вероятностью того, что за время t устройство откажет:

Q(t) = P ( T < t ) .

Приближенно вероятность отказа может быть определена из уравнения

_t_

ии

i= 1

Так как исправное и неисправное состояния являются несовместными и про­ тивоположными событиями, то

откуда очевидны свойства вероятности отказа: Q(t) — неубывающая функция;

Q(0) = 0; Q(oo) = 1.

Типичный график зависимости Q(/) показан на рис. 79.

В заключение отметим, что введенные характеристики надежности Х(/), Р(/), Q(t) и Т0связаны между собой строгими аналитическими зависимостями. С извест­

при экспоненциальном законе вероятность безотказной работы устройства за время, равное его среднему времени безот­ казной работы,

Р (/ = Т0) = е” 1 = 0,37.

Следовательно, Г0 представляет такое время, в течение которого вероятность безотказной работы составляет 0,37.

Наработка на отказ, являясь постоянной времени экспоненциальной кривой Р(0 (рис. 79), показывает, что если не производить ремонта испытываемых ус­ тройств, то по истечении времени эксплуатации, равного среднему времени между отказами Г0, выйдут из строя 63% всех устройств.

Укажем на важную особенность устройств, надежность которых подчиня­ ется экспоненциальному закону: вероятность безотказной работы за время /, определяемая в любой момент, зависит только от X, но не зависит от того, сколько времени изделие проработало до этого момента. Это нетрудно показать математи­ чески^], однако гораздо важнее понять причину такого положения. Она заклю­

информации передачи и сбора средств Надежность 246

окружающей среды и величины коэффициента нагрузки J(u.

4. РАСЧЕТ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

При проектировании (выборе) ТССПИ рассчитывают надежность, с тем, чтобы в случае необходимости принять меры к ее повышению. Сущность расчета сводится к определению основных показателей надежности устройств (систем) по известным показателям надежности составляющих элементов (устройств).

Наиболее удобной для расчета является интенсивность отказов Л(^). Исходя из того, что большую часть срока службы аппаратура работает с элементами, находящимися па этапе нормальной работы (участок

12 на рис. 78), будем считать интенсивность отказов элементов постоянной.

На этапе предварительного расчета интенсив­ ность отказов элементов можно определить по фор­ муле X= а \ , где а — коэффициент эксплуатации, учитывающий различные факторы, влияющие на надежность (электрический режим, температура, влажность, механические нагрузки и т. д.); опре­ деляется по табл. 61; Х0 — интенсивность отказов, определяемая по специальным таблицам [4 ,7 , 12].

Безотказную работу устройства можно рас­ сматривать как результат совпадения множества простых независимых событий, т. е. результат бе­ зотказной работы всех элементов* входящих в

состав блока. Поэтому можно применить теорему умножения вероятностей [1], на основании которой с учетом того, что все элементы данной группы равнона­

где Р?1(О, Prj*(0» ^ з3(0 — вероятности безотказной работы всех соответственно

циальному закону. Тогда вероятность безотказной работы: для элементов первого типа -

я , и) - в ~ Ч

для элементов второго типа

Р*(0 = е-х,<;

для элементоь m-го типа

Рт(0 = е “ Хт' .

Подставив значения Рг(/), Р 2(0, ...» Рщ (0 в формулу (105), получим

т

Для системы, находящейся на этапе нормальной работы,

ветственно через РД/), Р 2(0» •••» ЯдДО, а интенсивность отказов — через Xit \ 2,

такой совокупности элементов является одновременная безотказная работа всех элементов, входящих в эту совокупность. Поэтому вероятность безотказной ра­ боты системы, состоящей из последовательно соединенных элементов, может быть определена как произведение вероятностей безотказной работы всех входящих в нее элементов:

Выразив вероятность безотказной работы каждого элемента через интенсив­ ность отказов и время, с учетом формул (106), (107) и (109) получим

Из данного выражения следует, что при последовательном соединении эле­ ментов интенсивность отказов совокупности элементов

Допустим, что L элементов соединены параллельно (рис. 81, б) и вероят­ ности безотказной работы каждого элемента равны соответственно Pi(t), Р 2(0»

..., РL(t). Так как исправное и неисправное состояния элемента являются несов­

местными и противоположными событиями и составляют полную группу собы­ тий, то, как выше было показано, вероятность отказа i-го элемента

Q / ( 0 = U - M 0 -

Из определения параллельного соединения следует, что условием отказа яв­ ляется одновременный отказ всех элементов. Следовательно, вероятность отказа при таком соединении

Q(t) = Qi(t)Q2(t) . . . Q L (/) =

= [1 - P i (01 [ 1 ~ Р г (01 • • • [ 1 - P L (0J = П [1 - P i (01.

г=1

Если вероятности отказов параллельно соединенных элементов равны, то

Для расчета вероятности безотказной работы системы при смешанном соеди­ нении элементов (рис. 81, в) нужно использовать формулу (110), (112) или (114), откуда получаем

Р (0 = Р х (0 Р а (0 н - (1 - Р, (0) (1 - Pi (0)].