книги / Надежность и диагностика компонентов инфокоммуникационных и информационно-управляющих систем.-1

Однако встречаются ситуации, когда статистические данные резко противоречат предположению об экспоненциальном распределении, например, интенсивность отказов отличается от константной, т.е. либо со временем значительно увеличивается, либо со временем значительно уменьшается. В этом случае используют другие законы распределения. В литературе [1] отмечается, что при условии жесткого контроля процесса производства и условий испытаний, в результате которых отбраковываются элементы даже с минимальными отклонениями от технических требований, для анализа оценки показателей надежности целесообразно применять усеченное нормальное распределение времени наработки на отказ.

Однако ряд статистических характеристик, встречающихся на практике, нельзя аппроксимировать нормальным распределением, поскольку они заметно асимметричны, тогда как нормальное распределение симметрично.

Вэтих случаях целесообразно применять гамма-распределение

ираспределение Вейбулла. Гамма-распределение проще в использовании, однако распределение Вейбулла дает наиболее точные оценки надежностных характеристик системы.

2.1.3. Использование λ и λ-характеристик

для решения практических задач

При исследовании надежности элементов и систем возможны два пути:

1.Графики интенсивности отказов λ(t) или плотности распределения времени безотказной работы f(t) строятся точно по экспериментальным данным, а не подгоняются под теоретические законы распределения.

2.Имеющееся в действительности распределение аппроксимируется одним из теоретических распределений. При этом статистическая информация свертывается и представляется в компактном виде.

51

В вероятностных методах исследования используются в основном теоретические законы распределения. После того как выбран закон распределения, вычисляются лишь немногие числовые характеристики данного распределения. В общем случае целесообразность использования экспериментального или теоретического распределения определяется характером решаемой задачи.

Изменение интенсивности отказа элемента в зависимости от времени его работы можно разбить на 3 периода (рис. 2.5).

λ

а

b

Рис. 2.5. Три периода изменения интенсивности отказа элемента

Период I – «детство» элемента. В этот период происходит значительное количество отказа. Отказы определяются производственными причинами – нарушением технологии при изготовлении данного элемента и т.д. Отказывают наиболее слабые элементы со скрытыми дефектами. Длительность периода I обычно от 10 до 200 ч.

Период II – «зрелость» элемента. Количество отказов уменьшается, отказы носят случайный характер. Интенсивность отказов практически постоянная.

Период III – «старость» элемента. Интенсивность отказов растет за счет износа, и дальнейшая эксплуатация системы без замены элементов становится нерациональной.

52

λ-характеристики системы иногда имеют и другой вид. На λ-характеристике может появиться «горб» – резкое увеличение интенсивности отказов в период от t1 до t2 как следствие суммирования λ-характеристик элементов системы (рис. 2.6). На λ-характеристике может появиться много «горбов» (рис. 2.7).

λ

На разрабатываемую аппаратуру желательно задавать предельную интенсивность отказов λпр.

На рис. 2.8 представлены λ-характеристики систем 1, 2 и 3. Если считать, что в период от 0 до t1 система испытывается, а от t1 до t2 должна эксплуатироваться, то система 3 не удовлетворяет пре-

53

2.Системы, предназначенные для работы с предварительной тренировкой, желательно составлять из однородных элементов.

3.Замена элементов системы при падающей интенсивности отказов ведет к увеличению интенсивности отказов системы.

4.В качестве закона распределения можно выбирать экспоненциальный закон (с постоянной интенсивностью отказов), если экспериментальные данные резко ему не противоречат.

2.1.4. Особенности расчета надежности при проектировании различных систем

На различных стадиях проектирования необходимо приближенно оценить, а главное – сравнить надежность вариантов системы. При этом на начальной стадии проектирования сведений о создаваемой системе, как правило, недостаточно для использования графиков λ(t). Поэтому при расчетах надежности проектируемых систем будем полагать, что интенсивности отказов элементов постоянны и равны средним значениям λi(t) за срок службы системы:

В настоящее время можно выделить три этапа расчета надежности систем:

1. Ориентировочный расчет надежности по блок-схеме системы. 2. Расчет надежности при подборе элементов.

3. Расчет надежности при уточнении режимов работы элементов.

Все три этапа расчета надежности проектируемой системы одинаковы и различаются только тем, что по мере создания системы учитывается все большее число факторов. Деление расчета надежности проектируемой системы на этапы в этом смысле представляется условным.

54

2.1.5. Расчет надежности по блок-схеме системы

Данный расчет производится при решении вопроса о принципах организации системы.

При расчете надежности вариантов системы необходимо выполнить следующие операции:

1. Определить число элементов каждого типа в блоках рассматриваемого варианта системы. При этом учитываются только те элементы, отказ которых приводит к отказу системы. Так как принципиальная схема на данном этапе отсутствует, число элементов определяется приближенно следующим образом:

−либо по сравнению с аналогами;

−либо с использованием стандартных узлов;

−либо по специальным таблицам.

2.Отыскать в справочных материалах λi.

3.Рассчитать интенсивность отказов системы по формуле

Q Qрез

где d – число типов элементов; Nl – число элементов определенного типа; λl – интенсивность отказов элементов данного типа.

Различные варианты можно сравнивать и по λ, и по вероятности безотказной работы за заданное время tз. Согласно (2.16)

P(t) = e−λtз .

Пример 2.5. Сравнить надежность двух вариантов реализации системы управления, в первом варианте используется аппаратнопрограммная реализация функций на базе микропроцессора (микроконтроллера), во втором варианте используется полностью аппаратная реализация функций. Пусть в первом варианте используется центральный процессор и 2 блока ОЗУ, а во втором варианте ≈ 100 микросхем малой и средней степени интеграции, 20 резисторов и 10 конденсаторов:

55

λпр = 152 10–6 + 2 100 10–6 = 352 10–6, λап = 100 0,1 10–6 + 20 0,1 10–6 + 10 0,04 10–6 = 12,4 10–6.

В данном случае с точки зрения надежности аппаратурная реализация предпочтительнее.

2.1.6. Расчет надежности при подборе элементов системы

Этот вид расчета производится при уточнении принципиальной схемы. Ход расчета в основном совпадает с описанием выше. Отличие заключается в том, что значения параметров λl берутся не средними, а различными для различных типов и марок элементов.

2.1.7.Расчет надежности системы

сучетом режимов работы элементов

Для элементов систем имеются графики зависимости интенсивности отказов элементов от нагрузок – температуры, давления, напряжения и т.д., а также от условий применения. Пересчет интенсивности отказов на различные условия можно осуществить:

–с помощью коэффициентов;

–с помощью расчетных графиков;

–с учетом разброса значений параметров режимов применения элементов.

Наиболее грубым является метод поправочных коэффициентов. При использовании этого метода по экспериментальным данным

вычисляются коэффициенты kl, показывающие, во сколько раз значения интенсивности отказов элементов, работающих в данных условиях применения, больше интенсивности отказов в лабораторных условиях:

l=1

56

Р

Рmax

Рmin

t

Рис. 2.9. Пример метода применения расчетных графиков

Метод применения расчетных графиков отличается тем, что поправочный коэффициент kl не является постоянным, а зависит от значения нагрузки. Коэффициент kl выбирается по графику зависимости kl от нагрузки. При учете разброса значений параметров берется не среднее значение kl, а klmax и klmin. В результате получается λmax и λmin, внутри которой и лежит λ системы, а также Р(t) системы

(рис. 2.9).

2.1.8. Учет цикличности работы аппаратуры

Принято считать, что увеличение числа включений и выключений системы увеличивает число отказов аппаратуры. Имеется эмпирическая формула

где λо – интенсивность отказа без учета цикличности; λц – интенсивность отказа за цикл «включение-выключение»; f – число включений за 1 ч непрерывной работы.

Отношение сц = λц / λо (ч/цикл) обычно принимается в опреде-

ленных пределах изменения f постоянным, исходя из этого можно записать:

57

В электротехнике при f = 0÷1,3 цикл/ч сц можно принять равной 8 ч/цикл.

2.2.Надежность невосстанавливаемых систем

срезервированием

2.2.1. Пути повышения надежности

Мероприятия по повышению надежности могут и должны проводиться на всех этапах жизни системы при проектировании, производстве и эксплуатации.

Основные меры для повышения надежности должны приниматься на этапе проектирования. На практике встречаются примеры, где стоимость эксплуатации системы в 10–100 раз превышает стоимость ее разработки. Поэтому выгоднее направить усилия на создание надежных устройств, чем пытаться поддерживать работоспособность ненадежной аппаратуры.

Методы повышения надежности делятся на конструктивные

исхемные.

Кконструктивным методам относятся: 1. Создание надежных элементов.

2. Создание благоприятных режимов работы.

3. Правильный подбор параметров.

4. Микроминиатюризация.

5. Меры по облегчению ремонта.

6. Унификация.

Ксхемным методам относятся:

1.Упрощение схем.

2.Создание схем с широкими допусками.

3.Создание схем с ограниченным последействием отказов.

4.Резервирование.

58

Наиболее сложны в реализации методы группы схемных методов. Они применяются, как правило, в системах, отказы которых ведут к серьезным авариям. Отказы таких систем делятся на две группы:

а) с опасными последствиями; б) без опасных последствий.

Схемные методы направлены на перевод отказов из группы «а» в группу «б», что достигается, как правило, за счет введения в систему средств встроенного функционального контроля. Встроенный функциональный контроль не повышает собственно надежность системы, однако повышает достоверность информации на выходе системы. Основным же средством повышения надежности системы является резервирование.

2.2.2. Методы резервирования

Система без резервирования имеет существенный недостаток – ее надежность всегда меньше надежности самого ненадежного элемента системы.

Резервирование – это метод повышения надежности введением запасных (резервных) элементов, являющихся избыточными по отношению к минимальной структуре системы.

Аппаратуру с избыточными элементами называют резервированной. Эффективность резервирования определяется тем, что за счет избыточности можно создать надежную аппаратуру даже из относительно ненадежных элементов.

Кратностью резервирования называют число резервных элементов на один резервируемый.

Эффективность резервирования оценивается с помощью коэффициентов повышения надежности, определяемых как отношение

59

− коэффициент долговечности:

Классическими методами являются постоянное резервирование и резервирование замещением.

При постоянном резервировании резервные элементы соединяются с основными через элементы связи (ЭС). Резервные элементы работают в том же режиме, что и основные, в течение всего периода работы системы. Это способ резервирования элементов и простых узлов (рис. 2.10).

При резервировании замещением функции основного элемента передаются резервному только при отказе основного элемента (рис. 2.11). Этот способ применяется при резервировании крупных блоков или целых систем.

В последнее время получило распространение функциональное резервирование. Функциональное резервирование может работать как в режиме постоянно включенного резерва, так и в режиме резервирования замещением. Функциональное резервирование основано:

–на способности отдельных элементов системы выполнять, помимо основных, еще и дополнительные функции;

–возможности различных элементов системы выполнять одинаковые функции, но разными физическими способами.

60