книги из ГПНТБ / Князев А.Д. Элементы теории надежности радиоэлектронной аппаратуры учеб. пособие

МОСКОВСКИЙ ордена ЛЕНИНА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры

А. Д. КНЯЗЕВ

Утверждено Учебно-методическим управлением МЭИ

в качестве учебного пособия для студентов

ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ Н А Д Е Ж Н О С Т И РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ

АППАРАТУРЫ

Под редакцией С. А. СОРОКИНА.

Г л а в а І

ПРОБЛЕМА НАДЕЖНОСТИ

Безотказное выполнение функций — важнейшее требо­ вание к современным техническим изделиям* и системам, обеспечение которого является сложной научно-техничес­ кой задачей. Это требование может быть осуществлено только при выполнении определенных технических и орга­ низационных мероприятий, на стадиях конструирования, производства и эксплуатации изделий и систем. Разработка таких мероприятий базируется на теории надежности, пред­ метом которой является разработка общих методов повыше­ ния надежности, пригодных для различных по назначению технических устройств, в том числе и радиоэлектронных.

Под надежностью изделия в большинстве, случаев под­ разумевается вероятность его безотказной работы в течение определенного времени и в определенных условиях экс­ плуатации. Противоположным понятию надежности изде­ лия является понятие его ненадежности, т. е. вероятность неисправности изделия или его отказа выполнять заданные функции. Принято считать, что понятие надежности и не­ надежности исключают друг друга и, следовательно, изде­ лие может находиться в одном из двух состояний: или нор­ мальной работоспособности, или отказа.

Надежность изделия зависит от многих факторов, имею­ щих, как правило, случайный характер, чем и объясняется вероятностный характер этого понятия. Поэтому матема­ тический аппарат теории надежности основан на теории вероятностей и измерение величины надежности выпол­ няется статистическими методами. Количественно надеж­ ность определяется как величина вероятности безотказной работы изделия в функции времени и обозначается индек­ сом P(t) или сокращенно Р.

* Изделием 'Называется материальный продукт труда. Здесь и в даль­ нейшем под изделием подразумевается техническое устройство, элемент, узел, блок, прибор, аппарат и пр. Система состоит из ряда изделий, .на­ ходящихся в •определенной функциональной связи друг с др.усом.

3

ты, то P(t) есть вероятность того, что случайная величина Т больше или равна t, т. е.

Как известно, при многократном повторении опыта в одних и тех же условиях вероятность случайного события определяется отношением числа опытов, благоприятных этому событию, к общему числу опытов. При эксперимен­ тальном (статистическом) определении1 величины P*(t) испытывают No однотипных изделий по одинаковой мето­ дике в течение интервала времени At. Если при этом п изделий выйдут из строя, то благоприятными случайными событиями считают сохранение работоспособности у ос­ тальных N(t) изделий:

Функция P*(t) имеет дискретный характер, выражая собой частость случайного события. Она приобретает более точное значение при увеличении числа А/о, времени At и числа интервалов Д^, на которые разделено время. Если при этом вышедшие из строя изделия не заменяются и не ремонтируются, вследствие чего число испытуемых изделий N (t) со временем уменьшается сравнительно с числом N0 в начале испытаний, то по результатам таких испытаний можно построить гистограмму, показанную на рис. 1.

Строго говоря, вероятность, рассчитанная по формуле (1-2), является только приближением к истинной вероятно­ сти, которую можно называть некоторой «оценкой вероят­ ности». Ее точное значение можно получить лишь при бес­ конечно большом числе испытаний

1 Здесь и в дальнейшем величины, определяемые опытным путем ста­ тистическими методами, обозняічены индексом *.

4

где щ — число вышедших из строя изделий в интервале времени М і .

Поскольку переход к пределу практически неосущест­ вим, то истинную величину надежности определить невоз­ можно. Однако, применяя методы математической статисти-

РЩ

Рас 1. Гистограмма распределения вели-

чииы «адежвости партии однотипных изде­ лий (сплошные линии). Функция 'надежно­ сти имеет убывающий характер (пунктир­ ная линия)

ки и вероятностные расчеты, можно получить количествен­ ную оценку надежности, близкую к истинной, и с достаточ­ ной для практики точностью.

s Указанное определение понятия надежности пригодно для простых неремонтируемых изделий, таких, как резисто­ ры, конденсаторы, транзисторы и др. элементы, или слож­ ных, но предназначенных для одноразового действия. При определении надежности изделий, ремонтируемых в усло­ виях эксплуатации, необходимо учитывать возможность восстановления, т. е. ремонтопригодность изделия, которая представляет собой приспособленность изделия к преду­ преждению, обнаружению и устранению неисправностей. Поэтому в общем случае надежность изделия количествен­ но определяется рядом его вероятностных характеристик

5

(параметров), которые зависят от свойств безотказности изделия и его ремонтопригодности.

Наряду с понятием о надежности изделия, существует понятие о его качестве. Оба понятия обладают и общ­ ностью и различием.

Качество изделия — это совокупность свойств, опреде­ ляющих его пригодность для использования по назначе­ нию. Надежность изделия — это совокупность его свойств, позволяющих сохранять качество при определенных усло­ виях эксплуатации и в течение определенного времени. Следовательно, надежность изделия — это' его качество, сохраняемое во времени.

Проблема повышения надежности в целом имеет боль­ шое значение для всех отраслей промышленного производ­ ства и сферы эксплуатации изделий. Отметим прежде все­ го ее экономическое значение. Промышленные изделия, как материальный продукт общественного труда, должны наи­ более эффективно удовлетворять потребностям общества. Повышение их надежности и увеличение долговечности эксплуатации эквивалентно дополнительному выпуску из­ делий и росту производительности общественного труда. Это может давать народному хозяйству миллиарды рублей годовой экономии на ремонте изделий и их дополнитель­ ном производстве. В некоторых случаях при повышении надежности изделий может отпасть необходимость в строи­ тельстве новых предприятий для увеличения выпуска. Во многих случаях повышение надежности изделия позволяет повысить требования к условиям его использования.

Развитие технических идей также базируется на прин­ ципе повышения надежности изделий, поскольку достиже­ ние высокой надежности — важнейшая цель технического прогресса. Нельзя достигнуть прогресса в авиации, если безопасность полета не обеспечивается надежностью само­ лета и его оборудования. Не может быть прогресса в авто­ матизации производства, если не обеспечивается надеж­ ность работы автоматических устройств. Количество по­ добных примеров нетрудно умножить.

Проблема надежности играет особо важную роль в деле совершенствования оборонной техники. Имеется немало примеров из минувшей войны, когда бесперебойное дейст­ вие военной техники способствовало выполнению боевой операции и, наоборот, когда ее отказы приводили к неус­ пеху операции. Чем выше надежность аппаратуры военно-

6

го назначения, тем проще и проблема материально-техни­ ческого обеспечения вооруженных сил. Радиоэлектронная аппаратура Советской Армии должна действовать безот­ казно в самых сложных условиях ее использования.

Нетрудно заключить, что в рассматриваемой проблеме важную роль играет фактор отказов в работе изделий. Чтобы найти закономерности в возникновении отказов не­ обходимо иметь четкие представления о характере и при­ чинах отказов.

Термин отказ, в противоположность термину надеж­ ность, означает событие, при котором нарушается нормаль­ ная работа изделия, вследствие чего оно либо полностью геряет способность выполнять заданные функции, либо его основные параметры находятся за пределами допусков, ус­ тановленных техническими условиями (ТУ) на изделие. Отказ — случайное событие и так же, как понятие надеж­ ности, является вероятностным понятием. Этот термин при­ меняется в следующих значениях.

Внезапный отказ — скачкообразное изменение парамет­ ров изделия из-за возникновения дефекта, причины кото­ рого случайны и не могли быть ранее обнаружены обыч­ ными методами контроля. Примеры: пробой диэлектрика конденсатора, обрыв нити накала электронной лампы, за­ мыкание витков обмотки трансформаторов и пр. Причина­ ми дефекта является наличие в структуре материала изде­ лия слабых звеньев, нарушающих прочность материала при воздействии внешних сил. Такими силами являются механи­ ческие нагрузки, электрические и магнитные поля, тепло­ вое воздействие и пр. Они нарушают внутренние связи между атомами и молекулами материала, еще более ослаб­ ляя его слабые звенья.

Различные материалы и различные их участки характе­ ризуются случайным состоянием слабых звеньев своей структуры и, следовательно, случайной величиной запаса прочности, фактическое значение которого невозможно контролировать с необходимой точностью. При концентра­ ции нагрузки на слабом участке возникает внезапное (скач­ кообразное) изменение параметра изделия в такой момент, который невозможно предсказать. С равным основанием можно считать, что дефект возникает в начале эксплуата­ ции изделия или по истечении некоторого времени, или в конце эксплуатации. Следовательно, внезапные отказы не­ возможно профилактировать, хотя вероятность их появле-

7

ния можно уменьшить путем ослабления механических, электрических, тепловых и других нагрузок.

Постепенный отказ — это постепенное изменение па­ раметров из-за износа и старения. Такие отказы часто на­ зывают износовыми. Примеры: постепенное уменьшение крутизны характеристики электронной лампы, ухудшение чувствительности радиоприемника, ослабление яркости свечения кинескопа, снижение мощности передатчика и пр. Возникновение постепенных отказов тоже определяется случайными причинами, но в отличие от отказов внезап­ ных, они могут предупреждаться профилактикой, в первую очередь, своевременной заменой элементов.

Эффект постепенного отказа изделия проявляется в виде такого изменения параметра, которое выходит за пре­ делы допуска, установленного ТУ на изделие. Например, коэффициент усиления iß полупроводникового триода мо­ жет измениться со временем настолько, что выйдет за пре­ делы норм ТУ на триод.

В ряде случаев эффект постепенного изменения пара­ метров может закончиться их скачкообразным изменением, что внешне может проявиться как внезапный отказ, хотя по существу это постепенный отказ. Например, пружина реле после длительной механической нагрузки может отказать из-за усталости металла, что может проявиться скачкооб­ разно. Конденсатор после длительной работы под напряже­ нием может пробиться вследствие постепенного снижения его электрической прочности, что также может проявиться скачкообразно. Чтобы понять существующие здесь различие рассмотрим более подробно пример с конденсатором. Воз­ действие напряжения нарушает электронную структуру ди­ электрика конденсатора и увеличивает в нем число свобод­ ных электронов. С течением времени это явление приводит

этом случае определяется общим процессом старения ди­ электрика, закономерность которого в принципе может быть известной. Следовательно, такой отказ можно профилактировать своевременной заменой конденсатора. В этом существенное отличие постепенного отказа от внезапного.

Легко сделать вывод, что и постепенный отказ опреде­ ляется случайными причинами, вследствие которых умень-

8

шение запаса прочности имеет дисперсию (разбросы), за­ висящую, например, от случайных условий эксплуатации (механических и температурных нагрузок), качества ис­ пользуемых материалов и пр.

Полный отказ — это такое нарушение работы изделия, при котором изделие невозможно использовать по назна-

Рис. 2. Старение конденсатора характери­ зуется уменьшением величины его пробив­ ного напряжения U„p

чению. Примеры: обрыв вывода транзистора, сгорание ре­ зистора и пр. Внезапные отказы чаще всего приводят к полным отказам.

Частичный отказ — это такой, при котором возможно частичное использование изделия, хотя его параметры на­ ходятся за пределами норм ТУ. Примеры: уменьшение мощ­ ности передатчика в ряде случаев еще позволяет осущест­ влять радиосвязь, уменьшение точности измерительного прибора в ряде случаев допускает его практическое исполь­ зование и пр. Постепенные отказы в своей начальной ста­ дии могут приводить к частичным отказам.

Обычно подразумевается, что внезапный или постепен­ ный отказ элемента выводит из строя все изделие (узел, блок, прибор и пр.). Однако могут быть отказы, не влияю­ щие на выполнение изделием своих функций, как напри­ мер, сгорание индикаторной лампы, играющей вспомога­ тельную роль. Такие отказы называют второстепенными и по существу они являются дефектами изделия, не характер­ ными для оценки его надежности. И, наконец, различают зависимые отказы изделия, возникающие из-за ранее про­ изошедшего отказа другого изделия, и независимые, возни-

9