книги / Надежность судовой электронной аппаратуры и систем автоматического управления

II. Основные понятия теории____

надежности

§ 4. Надежность

Теория надежности это наука, изучающая закономерности особого рода явлений — отказов технических устройств. Как всякая наука, она базируется на основных понятиях и определе­ ниях. К основным фундаментальным понятиям теории надежности относятся н а д е ж н о с т ь и о т к а з . От того, как формули­ руются эти понятия, зависит изложение многих вопросов теории надежности.

В настоящее время нет еще твердо установившейся терминоло­ гии теории надежности, в частности, даже само понятие «надеж­ ность» по-разному определяется различными авторами. Это объяс­ няется тем, что различные авторы, решая разнообразные практи­ ческие задачи, прибегают то к одной, то к другой характеристике надежности, более полно, с их точки зрения, отражающей поста­ новку и решение задачи.

Анализируя разнообразные определения понятия надежности, встречаемые в различных работах, можно разбить их на две группы: количественные и качественные.

Количественное определение надежности не может быть при­ нято потому, что надежность определяется множеством количе­ ственных характеристик и ни одна из них не может в полной мере охарактеризовать это понятие.

Определение должно охватывать все явление в целом. Таким может быть только качественное определение, характеризую­ щее свойства конкретного изделия. То обстоятельство, что многие определения надежности носят количественный характер, объясняется стремлением выразить надежность числом. Так как

стики надежности не могут в полной мере характеризовать на­ дежность изделия.

Кроме указанных, для определения понятия надежности иногда используются даже такие характеристики, как коэффи­ циент вынужденного простоя, коэффициент отказов и ряд других.

Надежность есть внутреннее объективно существующее свой­ ство аппаратуры. По мере расширения наших познаний об этом свойстве будут совершенствоваться и количественные характе­ ристики, при помощи которых можно будет охарактеризовать наи­ более полно это свойство.

Определению надежности может удовлетворять только к а ч е ­ с т в е н н о е определение. Надежность является основным па­ раметром качества изделия.

К а ч е с т в о и з д е л и я — это совокупность свойств, опре­ деляющих степень пригодности изделия для практического при­ менения в соответствии с назначением.

Иными словами, под качеством изделия понимается совокуп­ ность показателей, определяющих соответствие изделия современ­ ным требованиям техники и быта.

Представляется наиболее обоснованным следующее определе­ ние понятия ■надежности:

Надежность — свойство изделия сохранять способность к вы­ полнению своих функций в заданных условиях эксплуатации.

Функции изделия в каждом конкретном случае определяются целевым назначением аппаратуры. Так, например, для радио­ станции функциями являются прием и передача сообщений в пре­ делах ее зоны действия. Любой элемент аппаратуры, в свою оче­ редь, имеет вполне определенные рабочие функции.

Аппаратура может выполнять свои рабочие функции только в том случае, если ее основные параметры находятся в установлен- • ных пределах. Применительно к радиостанции такими параме­ трами являются: излучаемая мощность, чувствительность прием­ ного тракта и другие технические параметры, от которых зависит качество работы станции.

Приведенное понятие надежности является наиболее широким ббщетехническим определенйем. Под изделием в этом определении подразумевается элемент (сопротивление, конденсатор, электро­ вакуумный прибор, полупроводниковый прибор и т. д.), блок, механизм, прибор, система, машина, станок и др., являющиеся предметом исследования или расчета надежности.

Применительно к электронной’ аппаратуре и системам авто­ матического управления определение понятия надежности может быть сформулировано более узко, а именно:

Надежность — свойство изделия сохранять свои выходные характеристики (параметры) в заданных пределах при определен­ ных (конкретных) условиях эксплуатации.

Надежность — один из важнейших параметров изделия. Однако он весьма специфичен и резко отличается от других пара­ метров аппаратуры, таких, например, как излучаемая мощность, чувствительность приемного тракта, точность, коэффициент по­ лезного действия и т. д.

Рассмотрим, в чем заключается специфичность надежности. Во-первых, надежность изделия зависит от большого числа различных переменных факторов. При этом многие факторы яв­

В-третьих, экспериментально определить количественные харак­ теристики надежности во много раз сложнее, чем измерить, или опре­ делить большинство других технических параметров аппаратуры. Необходимо учитывать тот факт, что до настоящего времени не уточ­ нены способы определения* конкретных количественных пара­ метров надежности в той степени, как это сделано для других технических параметров аппаратуры, таких, например, как точ­ ность, коэффициент полезного действия, выходная мощность, чувствительность и т. д.

Кроме того, испытание аппаратуры на надежность связано с большой потерей времени и с частичной или полной гибелью аппаратуры. Очень часто аппаратура, подвергнутая испытанию на надежность, оказывается непригодной к дальнейшему исполь­ зованию. Н а д е ж н о с т ь как параметр находится в противо­ речии с другими важнейшими параметрами аппаратуры.

Степень автоматизации аппаратуры находится в противоречии с требованием надежности. Чем более автоматизирована система управления, тем менее она надежна, если не принять специаль­ ных мер по повышению надежности.

Требование максимального снижения веса и габаритов прибо­ ров и требование надежности также требования противоречивые.

На рис. 5—7 представлены зависимости параметра надежности от других параметров, характеризующих разрабатываемое изде-

Рис. 6. Зависимость эффективности от надежности изделия.

лие (точность, эффективность, стоимость, время разработки),

-которые наглядно оценивают противоречия между указанными важнейшими требованиями, предъявляемыми к судовой электрон-

Рис. 7. Зависимость стоимости и времени разработки от надежности изделия.

ной аппаратуре и к системам автоматического управления, и требованием надежности.

Следовательно, поскольку имеют место противоречия, необхо­ дим оптимальный подход при решении задачи разработки совре­ менной высоконадежной электронной аппаратуры.

При проектировании изделия в каждом конкретном случае необходим тщательный анализ всей совокупности условий и тре­ бований с тем, чтобы можно было принять такую комбинацию ре­ шений, при которой мог бы быть получен оптимум (для разобран­ ных выше примеров оптимум представлен заштрихованными об­ ластями на рис. 6 и 7). Выбор оптимального решения осложняется тем, что к современной аппаратуре, во многих случаях, предъяв­ ляются повышенные требования в отношении снижения габари­ тов, уменьшения веса, потребляемой мощности на единицу объема, упрощения коммутаций между отдельными блоками и др. Все это ставит исследователей проблемы надежности современной аппаратуры перед чрезвычайно сложными научными и техниче­ скими задачами,.решение которых требует учета многих факторов и далеко не всегда является однозначным и явным.

§ 5. Критерий надежности

Качественное определение надежности, данное нами выше, не позволяет выразить надежность числом. Однако понятие на­ дежности как важнейшей характеристики аппаратуры вызвало необходимость сформулировать основные критерии, с помощью которых можно было бы количественно оценить надежность раз­ личных элементов, входящих в прибор, или приборов, входящих в систему, и дать сравнительную оценку надежности различных изделий. Итак, назовем критерием надежности признак, мерило, по которому оценивается надежность различных изделий.

К числу наиболее широко применяемых критериев надежности относятся: P (t), X (f), а (/), Tcv, /ср.

Критериями надежности могут быть также и коэффициенты, характеризующие различные показатели надежности аппаратуры:

1) отношение времени простоев, вызванных устранениями неисправностей, к ’общему времени работы аппаратуры;

2) отношение числа отказов аппаратуры из-за неисправностей элементов данного типа к общему числу отказов и ряд других.

Критериями надежности могут быть, наконец, различные отношения действительной и идеальной характеристик работы аппаратуры. Подобного рода критерии можно с успехом исполь­ зовать для оценки воздействия на надежность специфических усло­ вий эксплуатации, в частности, воздействия окружающих факто­ ров, что весьма важно для учета особенностей, связанных с местом установки однотипной аппаратуры на различных объектах. На­ пример, отношение действительных рабочих характеристик, по­ лученных в корабельных условиях, к тем же характеристикам, полученным в лабораторных (стендовых) условиях, может служить критерием оценки неблагоприятного воздействия реальной окру­ жающей среды на надежность оборудования. Подобным образом можно определить качество работы обслуживающего персонала.

Для этого надо сравнить характеристики аппаратуры, получен­ ные при работе персонала высокой и средней квалификации.

Таким образом, определение критерия надежности как функ­ ции отношения действительной и идеальной характеристик по­ зволит сделать сравнительную оценку надежности аппаратуры в весьма широких пределах.

§ 6. Характеристика надеж ности

Характеристикой надежности будем называть количественное значение критерия надеокности для конкретной детали, сборки, прибора, системы и т. д.

Характеризовать надежность могут численное значение ве­ роятности исправной рабЬты в течение определенного времени работы, среднее время исправной работы, частота отказов и т. п.

Количественная оценка надежности позволяет: '

—производить расчет надежности;

—сформулировать требования, предъявляемые к надежности вновь разрабатываемой аппаратуры;

.. — заранее рассчитать сроки службы аппаратуры, необходимое количество запасного имущества, плановое задание по уходу за аппаратурой, ее ремонту и т. д.;

— рассчитать количество аппаратуры и средств, необходимых для выполнения какой-либо задачи.

Количественная характеристика надежности должна быть такой, чтобы:

1) можно было достаточно просто математически вычислить надежность аппаратуры и по величине характеристики достаточно просто судить о ее надежности, т. е. чтобы по мере увеличения или уменьшения надежности аппаратуры величина количественной характеристики монотонно увеличивалась или уменьшалась;

2)было охвачено большинство факторов, влияющих на на­ дежность аппаратуры;

3)получение данных для ее вычисления не представляло боль­ ших трудностей;

4)в ней были использованы имеющиеся данные о надежности Той или иной аппаратуры.

Надежность приборов и систем зависит от количества и каче­ ства элементов, входящих в аппаратуру, от режимов работы каж­ дого элемента, от схемного и конструктивного решения. Элементы, входящие в аппаратуру, как правило, изготовляются по слож­ ному технологическому процессу, поэтому сроки их службы и па­ раметры имеют разброс. Отсюда следует, что надежность двух одинаковых экземпляров аппаратуры различна и количественно оценить ее можно только статистическим методом — обработкой большого количества данных, полученных при испытаниях или при эксплуатации аппаратуры. Поэтому математическим аппара­

том, который используется при расчете характеристик надежно­ сти, является теория вероятностей. Следовательно, количественные характеристики надежности должны носить вероятностный ха­ рактер.

Однако статистическим методом можно определить лишь ве­ роятностные характеристики исправной работы аппаратуры. Зная величину вероятностных характеристик, нельзя ответить на вопрос, действительно ли данный экземпляр аппаратуры будет исправно работать в данных условиях в течение данного отрезка времени.

Тем не менее, даже такое вероятностное определение надежно­ сти позволит рациональнее конструировать аппаратуру, грамот­ нее и с наибольшей выгодой ее эксплуатировать.

§ 7. Отказ

Вторым фундаментальным понятием теории надежности яв­ ляется понятие отказа.

В общем случае отказ можно определить как событие, после возникновения которого изделие утратвает способность выпол- пять заданные функции.

Как видно из этого определения, понятие отказа непосред­ ственно связано с понятием надежности.

Под отказом следует понимать не только полное нарушение функционирования аппаратуры, но и ухудшение ее основных ка­ чественных параметров, т. е. выход этих параметров за установлен­ ные пределы, записанные в технической документации.

Например, снижение чувствительности приемного устройства ниже допустимой по техническим условиям границы является отказом, несмотря на то, что приемник продолжает работать.

Для удобства анализа отказы можно классифицировать сле­ дующим образом.

Внезапным отказом называется такой отказ, который возникает в результате скачкообразного изменения характеристик изделия.

Внезапные отказы особенно часто происходят в аппаратуре, работающей в тяжелых условиях и имеющей сравнительно не­ большой срок эксплуатации (аппаратура не успевает износиться). Выпускаемые промышленностью элементы не являются совершенно одинаковыми. Часть элементов имеет различного рода скрытые пороки, что является причиной выхода их из строя при тяжелых условиях работы.

Например пробой конденсаторов в основном обусловлен струк­ турной неоднородностью диэлектрика, а в остальных случаях возникает в складках фольги и бумаги, перегибах и т. д. Таким образом, число внезапных отказов можно снизить как увеличением однородности элементов, так и облегчением условий их работы.

Постепенный отказ — отказ, возникший в результате посте­ пенного изменения характеристик изделий. Постепенные отказы

являются следствием механического износа или электрического старения элементов радиоэлектронной системы. Такие отказы хотя и имеют случайный характер, но могут быть своевременно

Перемежающийся отказ — самоустраняющийся отказ, возни­ кающий в результате временно действующих причин. Перемежаю­ щиеся отказы в большинстве случаев являются следствием обрати­ мых случайных изменений режимов работы и параметров техни­ ческих устройств.

Например, совершенно исправный. триггер может перестать реагировать на управляющий сигнал из-за случайного резкого уменьшения напряжения питания. Когда напряжение питания опять станет равным номинальному, триггер будет продолжать исправно работать.

Примером обратимого отказа является исчезновение изобра­ жения на экране телевизора при значительных колебаниях на­ пряжения питания. При возвращении режима работы в допусти­ мые пределы техническое устройство само (обычно без вмешатель^ ства человека) возвращается в исправное состояние.

Если отказ какого-либо элемента в системе не послужил при­ чиной отказа других элементов, то такой отказ будет событием независимым. Отказ, появившийся в результате отказа других элементов, будет событием зависимым.

Отказ вспомогательных элементов, не влияющих на надежность, иногда называют второстепенной неисправностью в противополож­ ность отказу (основной неисправности), определяющему надеж­ ность. К второстепенным неисправностям относятся, например,

и неполадки.

Дефектами называются неисправности, которые в момент их обнаружения не приводят к повреждению или нарушению регу­ лировки прибора, но могут в будущем вызывать подобные явления. Примеры дефектов: повреждение изоляции, царапины на защитных покрытиях, загрязнение смазки и др.

Неполадками называются неисправности в работе прибора', не оказывающие влияния на выполнение им основных функций. Примеры неполадок: выход из строя части зарезервированного устройства, не приводящий к перерыву в выполнении задачи; выход из строя счетчика времени работы прибора; перегорание лампочки освещения шкалы; «качание» стрелок или шкал, не препятствующее чтению отсчетов; увеличение шума и др.

Из изложенного очевидно, что понятие неисправности является более общим, чем понятие отказа.

§ 8- Ремонтопригодность! сохранность, долговечность, ресурс

К числу основных понятий теории надежности относятся также ремонтопригодность, сохранность, долговечность и ресурс.

Ремонтопригодностью называется приспособленность изделия к предупреждению и устранению отказов.

Сохранность — свойство изделия сохранять при определенных условиях хранения свои характеристики, обеспечивающие вы­ полнение заданных функций.

Долговечность (технический ресурс) — суммарная продолжи­ тельность работы изделия, ограниченная износом, старением или другим предельным состоянием.

Ресурс — установленная продолжительность работы изделия, после истечения которой эксплуатация его недопустима.

Например, директивное время работы авиационного двигателя 500 час. Это означает, что после того как авиационный двигатель проработал 500 час., независимо от его состояния он должен быть снят с самолета и дальнейшая его эксплуатация категорически запрещается. Совершенно очевидно, что понятие ресурса может быть применено только к тем изделиям, которые выполняют особо ответственные функции. Понятие ресурса неприменимо к таким изделиям, как станок, часы и т. д., так как эти изделия могут с успехом работать после истечения директивного времени.

§. 9. Элемент расчета надежности

Элементом расчета надежности будем называть изделие, имеющее количественную характеристику надежности, само­ стоятельно учитываемую при расчете надежности соедине­ ния.

Термин «элемент расчета надежности» имеет большое практи­ ческое значение при выполнении инженерных расчетов надеж­ ности сложных систем. Расчет надёжности системы ведется по известным количественным характеристикам надежности изделий, входящих в нее. Если рассчитывается надежность сложной си­ стемы, то вначале определяются количественные характеристики надежности отдельных узлов, блоков и приборов по известным количественным характеристикам надежности их деталей и эле­ ментов, затем вычисляются количественные характеристики на­ дежности системы.

Следовательно, элементами расчета могут быть детали, эле­ менты (сопротивление, конденсатор, электровакуумный прибор и т. д.), блоки (усилитель, передатчик и т. д.), приборы (счетно­ решающий, гироскопический и т. д.) и даже системы, если вычис­ ляется надежность комплекса систем.

§ 10. 0сновное9 резервное и свеш анное соединения элементов

Основным соединением элементов называется такое соединение, при котором отказ хотя бы одного элемента ведет к отказу всего соединения. Если рассматриваемые изделия образуют электри­ ческую схему, то элементы этой схемы могут быть соединены как параллельно, так и последовательно. Основное соединение эле­ ментов имеет место в том случае, когда в системе отсутствуют ре­ зервные элементы.

Если в систему включены резервные элементы, то будет иметь место резервное соединение элементов, при котором отказ соедине­ ния наступает только после отказа основного и всех резервных элементов.

Такое соединение обеспечивает более надежную работу системы. Смешанное соединение — сочетание основного и резервного

соединений.

§ IIРезервирование

Резервированием называется метод повышения надежности, при котором функции отказавшего изделия выполняют другие, специально предусмотренные для этого изделия.

Резервирование существенно отличается от всех остальных методов повышения надежности. Принципиальное отличие его состоит в том, Что оно позволяет повысить надежность аппара­ туры по сравнению с надежностью ее элементов. Если при основ­ ном соединении элементов общая надежность аппаратуры ниже надежности самого ненадежного элемента, то при резервировании общая надежность аппаратуры может быть выше надежности са­ мого надежного элемента. Путем резервирования можно создать надежную аппаратуру д аж е. из относительно ненадежных эле­ ментов.

Существуют два принципиально отличных метода повышения надежности путем резервирования — общее резервирование, при котором резервируется изделие в целом (рис. 8, а), и раздельное (поэлементное) резервирование, при котором резервируются от­ дельные части изделия (рис. 8, б).

При раздельном резервировании, при прочих равных условиях обеспечивается больший выигрыш в надежности, чем при общем резервировании. Резервирование по элементам особенно выгодно при большом числе последних и увеличении кратности резерви­ рования.

Под кратностью резервирования будем понимать отношение числа резервных изделий к числу резервируемых. Различают ре­ зервирование с целой и дробной кратностью.

Резервированием с целой кратностью называется такое резерви­ рование, при котором для нормальной работы резервированного