2.3. Методика оценки надежности функциональных модулей изделий авиационной техники

В зависимости от стадии разработки изделия и полноты уче­та факторов, влияющих на показатели надежности, различают прикидочную, ориентировочную и окончательную оценки надежности. Этим оценкам всегда предшествует определение основного показа­ния и установления норм надежности.

Основной показатель надежности, выбираемый на этапе составления технического задания на разработку, должен наиболее полно характеризовать проектируемую систему. При назначении основного показателя надежности проектируемых изделий необходимо руководствоваться следующим: если для создаваемой аппаратуры определяющим является выполнение возложенных на нее функций, то за основной показатель выбирают вероятность безотказность работы; если определяющим является минимум простоев, то за основной показатель принимают среднее время пребывания в работоспособном состоянии в течение срока службы; если, прежде всего, необходимо предотвратить ущерб в результате отказа, то основным показателем целесообразно выбрать среднее время наработки на отказ.

Нормы надежности назначают на этапе составления техническо­го задания и эскизного проектирования. Под нормой надежности понимают количественные значения показателя, которое необходимо обеспечить. При разработке технического задания создаваемого из­делия для назначения норм надежности пользуются априорной инфор­мацией о достигнутых показателях надежности в прототипах. В ка­честве прототипа выбирают объект, аналогичный разрабатываемому по назначению и принципу действия. Нормы надежности прототипа выбираются за исходные и уточняются для разрабатываемого изделия с учетом предъявляемых к нему требований, условий эксплуатации, профилактического обслуживания и ремонта, квалификации обслужи­вающего персонала, уровней технической оснащенности и технологии производства предприятия-изготовителя. После выбора, показателя и установления его уровня произво­дят прикидочную оценку надежности проектируемого изделия.

Прикидочный расчет позволяет судить о принципиальной возможности требуемой надежности. Этот расчет используется при про­верке требований по надежности, выдвинутых в техническом зада­нии, при сравнительной оценке надежности отдельных вариантов вы­полнения изделия на ранних стадиях разработки. Для прикидочного расчета делается допущение о равно надежности элементов схемы, так как принципиальные схемы на изделие и его составные части окончательно не разработаны. Соединение элементов с точки зре­ния надежности таково, что выход из строя любого элемента приводит к отказу всего изделия.

Ориентировочный расчет производится на этапе, когда разработаны электрические принципиальные схемы всего изделия и составных частей. При ориентировочном расчете учитывается влияние на надежность изделия количества и типов применяемых элементов. При расчете делаются следующие допущения: все элементы работают в нормальном режиме, предусмотренном техническими условиями; все элементы изделия работают одновременно; интенсивности отказов элементов берутся для периода нормальной работы ( ).

Исходными данными для расчета являются: число функциональных модулей изделия N ,число элементов в модуле n_i ,интенсивность отказов элементов λj. В этом случае вероятность безотказной работы изделия Р_с(t) определяется произведением вероятностей безотказной работы модулей P_i(t) в виде соотношения

(2.19)

которое с учетом (2.13) может быть переписано как

(2.20)

где λi – интенсивность отказов i-го модуля. При этом

. (2.21)

Подставив значения λi из (2.21) в выражение (2.20), получим

. (2.22)

Интенсивности отказов элементов λi берутся из соответ­ствующих справочных таблиц, приведенных в приложении.

Ориентировочный расчет позволяет определить рациональный состав элементов в изделии и наметить пути повышения надежности. Окончательный расчет проводится на этапе технического проектирования и учитывает влияние на показатели надежности режимов работы элементов и конкретные условия эксплуатации изделия. В их работы, температуры окружающей среды, механических воздействий в виде вибрации и ударов, влажности воздуха, давления, радиации и ряда других возможных факторов. Влияние на величину интенсивности отказов каждого из указанных факторов учитывается при расчетах надежности с помощью поправочных коэффициентов.

Для учета особенностей эксплуатации используются справочные коэффициенты К_λ=К_1*К₂*К₃. При этом коэффициент К₁ учитывает воздействие механических факторов (вибраций, ударных нагрузок): К₂ - климатических (температуры, влажности); К₃ - условия работы при пониженном атмосферном давлении. Значения этих коэф­фициентов приведены в приложении 1-3. При этом интенсивность отказов определяется из выражения вида

, (2.23)

где - номинальное значение интенсивности отказов в ла­бораторных условиях работы.

Интенсивность отказов всегда задается в некоторых пределах (от λ_{j min} до λ_{j mах}), поэтому Р_с(t) вычисляется для обеих величин

(2.24)

где ; .

По известным λ_j определяют соответственно среднее вре­мя безотказной работы

; (2.25)

Для учета влияния режима электрической нагрузки элемента вводится коэффициент нагрузки К_н=Н /Н_н , где Н и Н_н - соответственно электрическая нагрузка в реальном и номинальном режиме. При этом интенсивность отказов для нагруженного элемента равна

, (2.26)

где и - соответственно интенсивности отказов элемента в реальных условиях эксплуатации и в режиме номинальной нагрузки.

Коэффициент К_н может быть больше и меньше единицы. Для каждого типа элемента он устанавливается по такому параметру электрической нагрузки, который наиболее сильно влияет на надежность проектируемого изделия.

Вероятность безотказной работы Р_С(t) и среднее время ее безотказной работы т_ср с учетом нагруженности элементов при нормальных условиях эксплуатации вычисляют по следующим формулам:

, (2.27)

. (2.28)

Учет совместного влияния степени нагруженности элементов и воздействия одного из внешних факторов (влажности, температу­ры, атмосферного давления, механических нагрузок и др.) осуще­ствляется поправочным коэффициентом α. Если на интенсивность отказов элемента λi влияют несколько (например, m) парамет­ров, характеризующихся поправочными коэффициентами αiq (где ), то λi определяется по формуле вида

. (2.29)

Вероятность безотказной работы Р_c (t) и среднее время безотказной работы Т_cp в этом случае соответственно равны

, (2.30)

. (2.31)

Значения поправочного коэффициента α_j = f(K_н,t), учи­тывающего влияние коэффициента нагрузки и температуры окружаю­щей среды, приведены в прил. 4.

При расчете показателей надежности все изделия расчленя­ются на функциональные модели различного уровня сложности. При этом расчет производится последовательно от простого модуля к сложному.

Пример. Требуется рассчитать надежность самолетного вычислителя с учетом известных условий эксплуатации и режимов работы, определив при этом интенсивность отказов, среднюю наработку до отказа Т_ср и вероятность безотказной работы Р_с(t) в течение наработки t = 20 ч. Условия эксплуатации: высота над уровнем моря до 20 км, температура окружающей среды до +40⁰С, относительная влажность 65%.

В табл.2.1 приведен состав элементов, их количество и режим работы.

Для каждого типа элементов по приложения 5 определим интенсивность отказов в номинальном режиме λi и поместим их в третий столбец табл.2.1. Интенсивности отказов элементов с учетом условий их эксплуатации λi рассчитаем по формуле (2.11)

λi =К₁*К₂-К₃* =1,65*1* 1,35 =2,2275 ,

где К₁ , К₂ , К₃ - соответственно выбираются из приложений 1, 2, 3.

Пользуясь полученным соотношением, вычислим для всех типов элементов и поместим эти данные в четвертый столбец табл. 2.1. По данным второго и четвертого столбцов вычислим пятый столбец. Интенсивность отказов вычислителя λ_с найдем суммированием значений величин в пятом столбце табл.2.1. В результате получим

λ_с= = (8,92 + 35,64 + 22,72 + 80,16 + 80,19 + 6,68 + 2,23 + 1,11 + 3,34 + + 69)10^-6=317,79*10^-6 ч.^-1

В соответствии с формулой (2.14) определим среднее время безотказной работы

Вероятность безотказной работы в течение наработки t = 20ч рассчитаем по формуле (2.13)

.

Оценим теперь основные показатели надежности вычислителя с учетом режимов работы его элементов, приведенных в шестом и седьмом столбцах табл.2.1.

Таблица 2.1