10. Проектирование средств измерений с учётом требований надёжности

1. Основные понятия

Надёжность в зависимости от сложности СИ и условии его эксплуатации может характеризоваться одним показателем или целым набором показателей, основным из которых является безотказность в работы.

Безотказностью называют свойство СИ аппаратуры непрерывно сохранять работоспособность в течение определённого времени.

Применительно к СИ требования к надёжности нельзя ограничивать только безотказностью, необходимо также обеспечить:

1)долговечность;

2) ремонтопригодность;

3) сохраняемость.

Поэтому обеспечение надёжности нужно рассматривать и как задачу устранения возможных причин нарушения этих свойств СИ. В теории надежности одним из самых важных является понятие отказа.

Отказ - событие, заключающееся в полной или частичной потере работоспособности СИ.

Все отказы делятся на две категории:

1. катастрофические (внезапные);

2. параметрические (постепенные).

Катастрофические отказы возникают мгновенно в результате концентрации перегрузок и скачкообразного изменения значений одного или нескольких параметров СИ.

Параметрические отказы возникают в результате постепенного равномерного ухода параметров за пределы установленных допусков.

С позиции надёжности различают следующие виды СИ:

1. восстанавливаемые СИ, которые в процессе выполнения своих функций допускают ремонт, после которого они продолжают выполнять эти функции. Большинство современных видов СИ являются восстанавливаемыми;

2. невосстанавливаемые СИ, которые в процессе выполнения своих функций не допускают ремонта (искусственные спутники земли). После выхода из строя они не подлежат восстановлению по техническим или экономическим соображениям;

3. однофункциональные СИ, которые предназначены для выполнения какой-нибудь одной задачи;

4. многофункциональные СИ, которые выполняют несколько задач (ИВК);

5. обслуживаемые СИ, которые в течение большого времени могут подвергаться профилактическим ремонтам и осмотрам. Такие системы не обязательно восстанавливаемые;

6. необслуживаемые СИ, с которыми ремонты и профилактические работы не проводятся;

7. СИ кратковременного или длительного использования (примером кратковременных СИ является измерительная аппаратура на борту ракеты).

Понятие кратковременное использование предполагает сравнение с периодом хранения. Рассмотренная выше классификация аппаратуры необходима для правильного выбора методики расчётов надёжности и методов выявления и устранения возможных причин ненадёжной работы.

2. Количественные характеристики надёжности

Для оценки надёжности СИ используют определенные критерии надёжности. Критерием надёжности называется признак, по которому оценивается надёжность различных СИ.

Характеристика надёжности - признак, но которому оценивается количественное значение критерия надёжности конкретного изделия.

Выбор количественных характеристик надёжности зависит от класса проектирования СИ.

Основные критерии надёжности можно разбить на две группы (рис.10.1):

1. критерий надежности, характеризующий надёжность невосстанавливаемых СИ;

2. характеризуемые надёжности восстанавливаемых изделий.

Рис. 10.1. Основные характеристики надежности

При анализе надёжности невосстанавливаемых изделий будем считать, что испытания на надежность подвергается N изделий, и испытания были закончены, если все изделия вышли из строя, причём вместо отказавших изделий новое пли отремонтированное изделие не ставится. В этом случае под интенсивностью отказов понимают отношение числа отказавших изделий в единицу времени к среднему числу изделий, исправно работающих в данный отрезок времени:

λ(t)=n(Δt)/Ncp(Δt),

(10.1)

где n(Δt) - число отказавших изделий в интервале Δt;

N_cp(Δt) = (N_j + N_i+1)/2 - это среднее число исправно работающих изделии в интервале Δt.

Выражение (10.1) - это статистическое отражение интенсивности отказа. Надёжность отдельных элементов также характеризуется интенсивностью отказов. Интенсивность отказа элемента показывает, какая доля элементов данною типа в среднем выходит из строя за 1 час работы (λ(1/час)).

В дальнейшем интенсивность отказа СИ будем обозначать λ, а интенсивность отказов элементов - λ_j, где j - номер элемента или типа элементов в схеме СИ. Значение интенсивности отказов элементов СИ получены экспериментально на основании анализа результатов эксплуатации большого количества изделий и помешены в справочниках по надёжности.

Установлено, что для большинства элементов зависимость интенсивности отказов от времени имеют одинаковый характер:

Рис. 10.2: а - интенсивность катастрофических отказов; б - интенсивность параметрических отказов; в - суммарная интенсивность отказов

При нормальной эксплуатации СИ интенсивность катастрофических отказов падает (рисунок 10.2 а) с течением времени, т.к. устраняются дефектные элементы, места некачественного монтажа и сборки, а интенсивность параметрических отказов λ_П растёт (рисунок 10.2 б), по мере того, как под влиянием внешних условии и внутренних дестабилизирующих факторов происходит старение элементов и разрегулирование аппаратуры. Суммарную зависимость (рис. 10.2 в) можно разделить на 3 периода:

1. период приработки от начала работы до t1;

2. период нормальной работы от t1 до t2; Ш. период старения и износа от t2 до t3.

По мере выхода из строя таких элементов интенсивность отказов уменьшается (t3 и далее). Для сокращения периода приработки проводит тренировку элементов.

Значение интенсивности отказов λ элементов определяется для периода нормальной работы, где могут происходить только отдельные случайные отказы. Продолжительность периода нормальной работы различна для различных элементов РЭА, т.к. старение одних элементов наступает через тысячи часов работы, а других через десятки тысяч. При расчёте интенсивности отказов изделий в целом необходимо знать номенклатуру и количество входящих в схему элементов

,

(10.2)

где λ₁,..., λ_n- интенсивность отказов элементов схемы; n₁,…,n_n -количество элементов каждого типа в схеме.

Вероятностью безотказной работы называется вероятность того, что при определённом условии эксплуатации в заданном интервале времени не произойдёт ни одного отказа. Если считать, что интенсивность отказов берётся для периода, то вероятность безотказной работы P(t) получим по формуле:

P(t) = e λtp.

(10.3)

Вероятность безотказной работы определяется по статистическим данным об отказах, полученным в результате испытаний аппаратуры на надёжность, определяемую выражением

,

(10.4)

где - количество отказавших изделий за время t; -статистическая вероятность безотказной работы.

При большом числе изделий N статистическая вероятность (10.4) безотказность работы совпадает с вероятность безотказной работы P(t), которая рассчитывается по формуле (10.3). На практике часто вместо характеристики P(t) пользуются характеристикой Q(t) - вероятность отказа.

Вероятностью отказа называют вероятность того, что при определённом условии эксплуатации в заданном интервале времени возникает хотя бы один отказ. Отказ и безотказная работа являются событиями несовместимыми и противоположными, поэтому:

Q(t)=l- P(t).

(10.5)

По статическим данным вероятность отказа можно определить:

.

(10.6)

Средней наработкой до первого отказа Tcp называется математическое ожидание времени работы изделия до отказа. По статическим данным об отказах средняя наработка до полного отказа вычисляется по формуле:

,

(10.7)

где t_i – время безотказной работы i-го образца; N- число испытательных образцов.

Параметр Т_ср, связанный с интенсивностью отказов λ определяется соотношением:

,

(10.8)

Рассмотренные критерии надёжности позволяют достаточно точно оценить надёжность невосстанавливаемых изделий. Однако надёжность изделия не всегда можно оценивать по этим критериям. Выбор конкретных критериев оценки надёжности зависит от класса проектируемой аппаратуры. Наиболее удобной характеристикой надёжности элементов СИ является интенсивность отказов, т.к. позволяет более просто оценить количественные характеристики надёжности сложной системы. Для сложных систем целесообразно использовать в качестве критерия вероятности безотказной работы, так как она характеризует изменение надёжности во времени и даёт возможность сравнительно легко определить надёжность в процессе проектирования и испытания.

При анализе надежности восстанавливаемых изделий могут использоваться критерии надёжности невосстанавливаемой аппаратуры, но при условии, что время работы берётся до 1-го отказа. Другими критериями надёжности для восстанавливаемой аппаратуры является:

1. наработка на отказ Т₀;

2. коэффициент готовности К_г;

3. коэффициент вынужденного простоя К_н.

При анализе восстанавливаемых изделий будем считать, что на испытании находятся N изделий, а отказавшие изделия немедленно замещаются исправными (новыми или отремонтированными). Испытания считаются законченными, если число отказов достигает величины достаточной для оценки надёжности с определённой вероятностью.

Если не учитывать время, затраченное на восстановление изделия, то достаточно наглядной характеристикой является наработка на отказ Т₀. Наработкой на отказ для восстановленной аппаратуры называется среднее время между соседними отказами. По статистическим данным наработка на отказ определяется по формуле:

,

(10.9)

где t_j - время исправной работы изделия между (i-1) и i отказа; n- число отказов за некоторое время t.

Если учитывать время, затраченное па восстановление изделия, то надёжность восстановленного изделия достаточно полно характеризуется коэффициентом готовности К_г и коэффициентом вынужденного простоя К_н. Коэффициентом готовности называется отношение времени исправной работы t_p к сумме времени исправной работы t_p и времени вынужденных простоев t_н, взятых за один и тот же календарный срок:

,

(10.10)

Коэффициентом вынужденного простоя Кп называется отношение времени t_П к

,

(10.11)