содержание   ..  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10    ..

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

Мы уже говорили выше, что под надежностью радиоэлектронной аппаратуры понимается ее способность безотказно выполнять заданные функции в определенных условиях эксплуатации и времени.

Однако это выражение является лишь общим качественным определением надежности. Оно не может быть выражено какой-либо определенной численной величиной.

Между тем для решения проблемы повышения надежности важнейшее значение имеет возможность конкретной, количественной, числовой оценки надежности.

Количественная оценка надежности позволит:

задавать определенные требования по надежности разрабатываемой радиоэлектронной аппаратуре;

производить расчет надежности в ходе проектирования и производства радиоэлектронной аппаратуры;

сравнивать по надежности различные образцы радиотехнической аппаратуры и систем;

заранее рассчитывать срок службы аппаратуры и т. п.

Количественный показатель надежности является одним из важнейших технических шараметров радиоэлектронной аппаратуры наряду с такими параметрами, как мощность, чувствительность, коэффициент усиления и др.

Однако количественная оценка .надежности представляет значительно большие трудности, чем оценка любого другого параметра аппаратуры.

Любой другой технический параметр — мощность, коэффициент усиления и т. п. — зависит в основном от сравнительно небольшого количества элементов аппаратуры. В отличие от этого надежность аппаратуры зависит обычно от надежности почти всех входящих в нее элементов и устройств и от климатических, механических и других условий эксплуатации.

Поэтому вычислять надежность таким же методом, как, скажем, коэффициент усиления, не представляется возможным.
 

Основным средствам исследования вопросов надежности является теория вероятностей, а основным методом — статистический метод.

В своей практике мы сталкиваемся с различными событиями или явлениями, и нас обычно интересуют закономерности, которым они подчиняются.

Происходящие события могут иметь различный характер:

они могут быть достоверными, т. е. такими событиями, которые при проведении данного опыта должны непременно произойти;

они могут быть невозможными, т. е. такими событиями, которые в данном опыте ни при каких условиях не произойдут;

наконец, они могут иметь случайный характер как в самом факте возникновения, так и в их дальнейшем проявлении.

Случайным событием называется такое, которое в результате данного опыта может произойти, но может и не произойти, и нет возможности с полной достоверностью предсказать как его возникновение, так и его исход-

Например, нельзя предсказать с полной достоверностью время, когда та или ийая электронная лампа потеряет эмиссию катода или возникнет пробой в конденсаторе и как это отразится на работе всей схемы.

То, что достоверные и невозможные события подчиняются определенным законам, очевидно каждому. Но могут ли подчиняться каким-либо закономерностям случайные события?

При изучении случайных событий было обнаружено, что они также подчиняются определенным закономерностям. Эти закономерности не похожи на обычные законы физических явлений, но все же они существуют. Изучение законов, которым подчиняются случайные события, и является основным содержанием теории вероятностей.

Допустим, имеется случайное событие Л, которое при проведении данного опыта или испытания может произойти, а может и не произойти.

При проведении N испытаний событие А произошло К раз.
 

Отношение К/N называется частотой возникнавения события А.

По мере увеличения числа испытаний N отношение К/N



до, т. е. частота возникновения события Л, будет стремиться к какой-то постоянной, устойчивой величине.

Основной закон случайных событий и состоит в устойчивости частоты того или иного события при большом количестве проведенных испытаний.

Устойчивая частота определенного случайного события называется вероятностью этого события и обозначается обычно буквой Р.

Вероятность всегда выражается положительным числом и может иметь значения от 0 до 1 т. е. 0<Р<1.

Вероятность достоверного события рав.на 1.

Вероятность невозможного события равна 0.

Знание вероятности случайного события не может дать однозначного ответа на вопрос, произойдет ли указанное событие при проведении данного опыта или нет.

Вероятность позволяет лишь оценить степень возможности появления интересующего нас события при проведении опыта или испытания.

Применение теории вероятностей дает возможность исследовать взаимосвязь между большим количеством различных причин, влияющих на надежность радиоэлектронной аппаратуры. Статистические методы исследования обеспечивают получение максимума полезных выводов из минимального количества информаций, получаемых при испытаниях и эксплуатации аппаратуры.

Конечно, и статистические методы не дают возможности с абсолютной точностью предсказать надежность проектируемой радиоэлектронной аппаратуры или дать точные сведения о том, сколько времени она будет безотказно работать. Однако они позволяют оценить, какова вероятность надежной, т. е. безотказной, работы аппаратуры в течение интересующего нас времени и какова опасность, что в указанный срок аппаратура может отказать в работе, т. е. выйти из строя.

Понятие «отказ» имеет важнейшее значение для количественной оценки надежности. Большинство отказов радиоэлектронной аппаратуры (как мы увидим далее) имеет случайный характер, и лишь незначительная часть их обусловливается старением входящих в нее элементов.

«Отказом» называется такая неисправность, без устранения которой невозможно дальнейшее выполнение аппаратурой всех или хотя бы одной из ее основных функций.

Отказ является одним из частных случаев неисправности аппаратуры. Однако не всякая неисправность может быть отнесена к отказам. Существует много таких неисправностей, при наличии которых аппаратура еще может продолжать выполнять свои функции, которые не требуют принятия немедленных мер и могут быть устранены при наступлении первого перерыва в работе или очередном ремонте.

К таким неисправностям, не являющимся отказом, могут быть отнесены -перегорание лампочек, освещающих шкалу настройки, или неисправности контрольных измерительных приборов, не участвующих непосредственно в работе аппаратуры, повреждение тех или иных крепежных деталей, нарушение защитных покрытий и т. п.

Однако многие из этих кажущихся второстепенными неисправностей, если их долгое время не устранять и дать им возможность нарастать, рано или поздно могут также привести к отказам.

Отказы могут быть частичными и полными.

При частичном отказе аппаратура перестает выполнять какую-либо одну (или несколько) из своих основных функций, .продолжая в то же время работать и .выполнять все остальные функции. Например, в телевизоре пропадает звуковое сопровождение, в то время как само изображение продолжает передаваться нормально.

При полном отказе аппаратура перестает выполнять все свои функции. В телевизоре это означает, что нет ни изображения, ни звука.

В процессе эксплуатации аппаратуры в ней время от времени возникают частичные или полные отказы. Каждый раз после устранения отказа аппаратура продолжает нормально работать, пока не наступит следующий отказ. Так как за время службы аппаратуры

случайные отказы в ней наступают неоднократно, то при большом числе их можно установить какую то устойчивую, среднюю частоту отказов X (лямбда). Этот параметр показывает, какая в среднем часть используемых изделий выходит из строя за определенный интервал времени, например за час работы.

Практически чаще употребляют обратную величину,

т. е. период появления отказав Т=1/Y

Эти два параметра являются исходными в теории надежности.

Величину, позволяющую количественно оценить (сравнить) надежность работы данного образца аппаратуры или элемента, обычно называют наработкой аппаратуры на один отказ и выражают в часах.

Наработка на один отказ показывает время нормальной работы аппаратуры между двумя смежными отказами.

Чтобы определить среднюю наработку на один отказ того или иного конкретного экземпляра аппаратуры, обычно испытывают его в течение времени tс по крайней мере в 10 раз большего, чем число часов наработки на один отказ (если наработка на один отказ составляет 100 ч, испытания производят в течение не менее 1 000 ч восстанавливая работоспособность образца после каждого отказа).

Для определения средней наработки на отказ того или иного типа аппаратуры с точностью ±10% испытаниям подвергают не менее 10 образцов данного типа.

Средняя наработка на отказ выражается формулой

Для различных типов радиоэлектронной аппаратуры, в зависимости от ее сложности, условий эксплуатации, средняя наработка на отказ может лежать в очень широких пределах от единиц до сотен часов.
Наименьшую величину средней наработки на один отказ имеет обычно аппаратура, эксплуатация которой происходит в более трудных условиях, например, самолетная радиоэлектронная аппаратура.

Наибольшую величину средней наработки на один отказ обычно имеет стационарная аппаратура, работающая в более спокойных условиях и при постоянных температуре и влажности.

Понятие средней наработки на отказ очень удобно для сравнения и оценки надежности различных экземпляров одного и того же типа аппаратуры, работающей в одинаковых условиях.

По-другому обстоит вопрос, если необходимо сравнить надежность аппаратуры различного типа, имеющей разное назначение и используемой в разных условиях эксплуатации. Здесь средняя наработка на отказ уже не может служить достаточным мерилом для оценки и сравнения надежности аппаратуры.

Предположим, например, что имеются бортовая радиостанция на вертолете, средняя наработка которой на отказ равна 25 ч, и радиостанция на пассажирском самолете дальнего действия, средняя наработка которой составляет 50 ч.

Если судить только по средней наработке на отказ, самолетная радиостанция является более надежной и с большей безотказностью выполняет свое назначение, чем радиостанция на вертолете.

Однако этот вывод не учитывает одного очень важного требования — времени, в течение которого аппаратура по характеру своего назначения и использования должна работать непрерывно.

Для того чтобы сравнить вероятность безотказной работы радиоэлектронной аппаратуры различных типов, в оценку их надежности, кроме средней наработки на отказ, вводят время, в течение которого данный тип аппаратуры должен непрерывно выполнять свои функции.

Показатель времени является главнейшим фактором, на котором базируются надежность, долговечность и точность работы систем, приборов и элементов.

Критерий оценки надежности, учитывающий как среднюю наработку на отказ, так и необходимое время исправной работы аппаратуры данного типа, называют

вероятностью безотказной работы за определенный интервал времени и выражают уравнением

Это уравнение часто называют экспоненциальным законом надежности (закон или распределение Пуассона). Это означает, что вероятность исправной работы аппаратуры с течением времени убывает по логарифмической кривой.

Выше мы привели пример с бортовыми радиостанциями вертолета и пассажирского самолета дальнего действия. Хотя средняя наработка на отказ радиостанции вертолета вдвое меньше самолетной, однако, учитывая, что необходимое время непрерывной работы радиостанции вертолета в несколько раз меньше, чем станции дальнего самолета, вероятность безотказной работы за требуемый интервал времени у радиостанции вертолета будет выше.

Может казаться, что если необходимый интервал времени непрерывной работы равен времени средней наработки на отказ, то вероятность безотказной работы аппаратуры за этот интервал времени должна быть равна 100%.

Однако это далеко не так.

Это означает, что «из 100 экз. аппаратуры данного типа в течение времени, равного средней наработке на один отказ, безотказно проработают в среднем только 37 экз., или иначе, что один и тот же экземпляр проработает безотказно в течение указанного времени только в 37 случаях из 100.
 

Подсчеты показывают, что для обеспечения вероятности безотказной работы порядка 0,9, т. е. в 90 случаях из 100, необходимо, чтобы средняя наработка на отказ данного типа аппаратуры была по крайней мере в 10 раз больше, чем необходимый интервал непрерывной работы этой аппаратуры.
 

Поясним значение этого показателя на конкретном примере.

В любой аппаратуре, как бы надежна она ни была, периодически «происходят отказы, требующие быстрого устранения. Кроме того, аппаратура нуждается в плановом ремонте.

Допустим, что мы имеем два образца аппаратуры. Первый образец имеет более высокую среднюю наработку на отказ, допустим 200 чу т. е. время его исправной работы между двумя отказами равно 200 ч.

Второй образец имеет вдвое более низкую наработку на отказ, всего 100 ч.
 

Казалось бы, что первый образец заслуживает явного предпочтения. Однако в процессе эксплуатации обоих образцов выявилось, что:

в первом образце в результате его неудачной конструкции, тесноты монтажа, плохого доступа к деталям для осмотра их и замены на устранение причин каждого отказа затрачивалось в среднем 20 ч;

во втором образце, имеющем конструкцию, обеспечивающую более легкий доступ к любой детали, на устранение каждого отказа требовалось в среднем всего б ч.

Какой же из образцов удобнее в эксплуатации? Все зависит от конкретного назначения и условий использования образца. В ряде случаев может оказаться выгоднее допустить более частые отказы аппаратуры, если устранение их требует минимального времени, чем иметь более редкие отказы, устранение которых требует большого времени и связано с длительными простоями аппаратуры.

Для оценки аппаратуры с этой точки зрения вводится понятие ее ремонтопригодности. Под ремонтопригодностью понимается приспособленность аппаратуры к быстрому восстановлению ее работоспособности после появления отказа.

Количественная оценка ремонтопригодности производится по формуле

Как видим, второй образец обладает лучшей ремонтопригодностью, чем первый.

До сих пор мы говорили о критериях надежности радиоэлектронной аппаратуры или, как иногда говорят, радиоэлектронных систем, состоящих из большого количества различных элементов.

Рассмотрим теперь основные показатели надежности элементов радиоэлектронной аппаратуры.

Элементом принято -называть конструктивно отдельную часть аппаратуры, не имеющую самостоятельного эксплуатационного значения. При анализе надежности радиоэлектронной аппаратуры элементами обычно считают типовые радиодетали и изделия: конденсаторы, сопротивления, электронные лампы, полупроводниковые приборы, монтажные провода, предохранители и т. «п.

В любой аппаратуре за время ее службы полные или частичные отказы происходят неоднократно. Каждый раз после устранения отказа аппаратура восстанавливает работоспособность и продолжает выполнять свое назначение.

Поэтому для аппаратуры понятия надежность и долговечность не являются тождественными.

Если надежность аппаратуры определяется средним сроком ее исправной работы от одного отказа до другого, то долговечность аппаратуры определяется общим срокам ее службы от начала эксплуатации до признания ее полностью негодной.

Таким образом, время работы аппаратуры между двумя соседними отказами является лишь незначительной частью ее общего срока службы.

Мы уже говорили, что практически среднее время исправной работы различных видов радиоэлектронной аппаратуры между двумя соседними отказами лежит в пределах от нескольких часов до сотен часов, в го время как общий срок службы той же аппаратуры может составлять многие тысячи часов.

Другое дело элементы. Как правило, при отказе того или иного элемента радиоэлектронной аппаратуры (потеря эмиссии лампой, перегорание предохранителя, пробой конденсатора и т. п.) работоспособность его уже не может быть восстановлена и он подлежит замене. Иными словами, срок службы большинства элементов со-впадает со временем их работы до первого отказа, который является для них и последним отказом.

Поэтому такой показатель, как частота отказов или средняя наработка на отказ, очень важный для оценки надежности аппаратуры или системы, непригоден для оценки надежности элементов.

Неприменим для элементов, естественно, и такой важный для аппаратуры показатель, как ремонтопригодность.

Общим и для аппаратуры и для элементов является лишь один показатель — вероятность безотказной работы за определенный интервал времени.

Обычно начало интервала времени работы элемента считают с момента его первого включения на работу.

Интервал времени, для которого рассчитывается безотказная работа элемента, иногда называют гарантийным сроком службы элемента.

Вероятность безотказной работы элемента за гарантийный срок с л у ж б ы определяется по уже знакомой нам формуле

Какова же взаимосвязь между вероятностью безотказной работы аппаратуры в целом и вероятностью безотказной работы за тот же интервал времени составляющих ее элементов или, иными словами, какова зависимость общей надежности аппаратуры от надежности всех входящих в нее элементов?

Это определяется прежде всего характером соединения элементов, о чем далее будет сказано подробнее.

В общем случае согласно теории вероятностей надежность аппаратуры равна произведению надежности всех входящих в нее элементов.

Поясним это на конкретном примере. Предположим для простоты, что какой-либо образец аппаратуры состоит из 100 последовательно соединенных элементоз, надежность которых равнозначна и равна 0,99.
 

Казалось бы, что поскольку в аппаратуре нет ни одного элемента с надежностью менее 0,99, общая надежность аппаратуры будет также не менее 0,99.

На самом деле общая надежность аппаратуры будет значительно ниже. Поскольку, как сказано выше, надежность аппаратуры равна произведению надежностей всех входящих в нее элементов, для данного случая она будет равна 0,37.

Этот пример показывает, что надежность радиоэлектронной аппаратуры и устройств зависит не только от качества входящих в них элементов, но и от их количества.

С ростом числа элементов при неизменной величине их надежности общая надежность аппаратуры резко уменьшается.

Зависимость общей надежности аппаратуры от надежности составляющих ее элементов и их количества показана на рис. 2. На нем по оси абсцисс откладывается количество используемых в аппаратуре элементов (при их последовательном включении); кривые соответствуют различной надежности используемых элементов, а ось ординат показывает общую надежность аппаратуры при заданном количестве используемых элементов и их надежности.

Для того чтобы найти общую надежность аппаратуры, нужно отложить по оси абсцисс количество используемых в ней элементов, восстановить из полученной точки перпендикуляр до пересечения с кривой, соответствующей надежности используемых элементов, и из точки пересечения опустить перпендикуляр на ось ординат.

Полученная на оси ординат точка покажет общую надежность аппаратуры.

Пользуясь рис. 2, мы можем, например, определить, что при надежности одного элемента, равной 0,99, общая надежность равна:

для аппаратуры из 10 элементов — 0,91; для аппаратуры из 40 элементов—0,66; для аппаратуры из 80 элементов — 0,48.

Чем сложнее становится радиоэлектронная аппаратура, чем большее количество элементов в нее входит, тем выше должна быть вероятность безотказной работы каждого из них, чтобы общая вероятность безотказной работы аппаратуры сохранилась на прежнем уровне.

Иллюстрацией этого положения могут служить цифры, приведенные в 1959 г. на ежегодном симпозиуме (конференции) по надежности и контролю качества, происходившем в США.

В качестве примера был приведен межконтинентальный баллистический снаряд «Атлас». Он содержит 300000 отдельных деталей.

Для того чтобы обеспечить надежность этого снаряда 90%, а это для него не очень высокая надежность, необходимо, чтобы каждая из 300 000 входящих в него деталей имела надежность, равную 99,99996%, т. е. практически работала безотказно.

Кроме вероятности безотказной работы, надежность элементов радиоэлектронной аппаратуры часто характеризуется различными усредненными статистическими показателями.

Наиболее распространенным статистическим показателем надежности элементов является средний процент отказов элементов данного типа, отнесенный к определенному времени их работы (например, 1 000 ч) к общему числу элементов данного типа в аппаратуре.
 

Средний процент отказов определяется по формуле

Иногда этот коэффициент называют статистическим параметром надежности элементов.

На практике применяется и ряд других показателей надежности аппаратуры и элементов, но они имеют более частный характер, и поэтому мы на них не останавливаемся.
 

содержание   ..  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10    ..