Обеспечение надежности в процессе эксплуатации

Надежность невосстанавливаемых об­разцов РЭА однократного применения опре­деляется главным образом уровнем проек­тирования и производства, а также срока­ми и условиями хранения до момента применения. Надежность восстанавливаемой аппаратуры многократного применения в значительной степени зависит от качества эксплуатации. В начальный период эксплу­атации (после периода приработки) в аппа­ратуре возникают преимущественно внезап­ные отказы элементов, интенсивность которых почти постоянна (справедлив экспонен­циальный закон надежности). В этот период профилактическая (предупредительная) за­мена элементов не может принести пользы (скорее, наоборот, может принести вред). Вместе с тем профилактические мероприя­тия, связанные с измерением параметров РЭА и ее осмотром, позволяют предотвра­тить ряд отказов, которые вызываются не­благоприятным воздействием эксплуатаци­онных факторов (разрегулировка, ослабле­ние креплений и кабельных соединений, за­грязнение, проникновение влаги и т.д.). После истечения начального периода экс­плуатации (несколько сотен, иногда тысяч часов наработки) начинают сказываться* (превалировать) постепенные отказы. Для оценки показателей безотказности в этот период эксплуатации применимы законы распределения Вейбулла, Бернштейна, ре­же нормальный. При тяжелых внешних воздействиях (проникающая радиация, си­стематические ударно-вибрационные на­грузки, тяжелый температурный режим) изнашивание элементов может начаться значительно раньше — через несколько де­сятков часов наработки, когда наряду с внезапными возможны постепенные отказы, причем последние могут существенно пре­валировать над внезапными.

Одной из важных задач профилакти­ческого обслуживания аппаратуры после 300—500 ч наработки РЭА является устра­нение постепенных отказов. Интервалы времени, через которые необходимо прово­дить профилактические мероприятия (тех­нические осмотры, регламентные работы, ремонт), чаще всего определяют путем тщательного анализа характеристик изна­шивания и старения основных групп ком­плектующих элементов. На рис. 1-3.2 для примера представлено условное изменение во времени (при данных условиях эксплуа­тации) параметров некоторых элементов

Рис. 1-3.2. Определение периодичности профилак­тических мероприятий путем изучения характери­стик изнашивания (старения) основных группкомплектующих элементов.

1 — изменение обратного коллекторного тока транзисторов; 2 — изменение сопротивления рези­сторов; 3 — изменение емкости конденсаторов; 4 — изменение коэффициента усиления транзисто­ров; 5 — изменение крутизны характеристики ЭВП; 6— изменение емкости аккумуляторной ба­тареи.

аппаратуры, в том числе тех элементов, которые имеют наименьшее время изнаши­вания (старения). Если приведенные кри­вые являются усредненными, то простей­ший метод нахождения периодичности и объема профилактических работ состоит в следующем: с некоторым «запасом» посравнению с временем наступления отказа наименее надежных групп (5 и 6) назнача­ется первое техническое обслуживание (ре­гламентные работы) с периодом T_пр1 если по другим соображениям (например, для проверки механических узлов, регулиров­ки) этот период не должен быть меньше. В объем первого обслуживания наряду с другими необходимыми проверками и регу­лировками должна входить проверка, регу­лировка и возможно, замена элементов групп 5 и 6. При этом считается, что пара­метры замененных (или отрегулированных) элементов возвращены в начальное со­стояние.

Подобным же образом назначается второе техническое обслуживание с перио­дом Т_пр2и т.д. Естественно, что при вто­ром техническом обслуживании объем ра­бот (проверок и замен) больше, чем в пер­вом, поскольку наряду с проверкой пара­метров элементов групп 1 и 4 необходимо проверить и параметры элементов групп 5 и 6. Здесь изложен физический принцип определения периодичности профилактиче­ских работ.

Рассмотрим общую задачу, позволяю­щую связать показатели надежности с пе­риодом T_пр между очередными профилак­тическими работами. В качестве показателя надежности принимается вероятность того, что в произвольный момент tаппаратура работоспособна и безотказно работает в те­чение времени t₁, примыкающем справа к моменту t.Будем считать, что вероятность Р(t₁) не зависит от t. Кроме того предполо­жим, что после проведения профилактиче­ских мероприятий работоспособность аппа­ратуры восстанавливается до первоначаль­ного состояния, что эквивалентно замене аппаратуры на новый экземпляр. Время вы­полнения профилактики считаем случайной величиной θ_п, распределенной по закону F_п(τ)=P{θ_п≤τ}. Время ремонта θ_р явля­ется также случайной величиной с законом распределения F_р(τ)=P{θ_р≤τ}. Время безотказной работы Т распределено по за­кону F(t)=P{Т≤ t}. Средние значения слу­чайных величин θ_п, θ_р и Т соответственно составляют T_п, Т_р, Т_ср. После проведения очередной профилактики следующая назна­чается но истечении неслучайного проме­жутка времени Т_0.пр.

Возможны несколько способов (страте­гии) планирования работ:

1. Помимо проведения запланированной профилактики после каждого отказа (ре­монта) проводится внеплановая профилак­тика, после чего планируется заново время до проведения очередной профилактики.

2. Вне зависимости от того, возникали или нет отказы аппаратуры в меж профилактический период, проводится только плановая профилактика.

3. Профилактика назначается в зависи­мости от текущего состояния работоспособ­ности РЭА, определяемого при периодиче­ском инструментальном контроле.

В первом случае оптимальная перио­дичность (Т_о.пр) проведения профилактиче­ских мероприятий, для которой величина Р(t₁) максимальна для заданного проме­жутка времени t₁, определяется из условия:

где λ(T_о.пр)—интенсивность отказов за межпрофилактический промежуток времени; P(y)=1-F(y) –вероятность безотказной работы за время у.

Во втором случае, если принять, что поток отказов является простейшим неста­ционарным (с переменной интенсивностью отказов), оптимальное значение T_о.пр на­ходится из условия:

При условии, что Т_п/Т_р<Т_срλ(Т_ср), первый способ оптимального планирования профилактических работ имеет преимуще­ства. Это обычно имеет место при планиро­вании профилактики по постепенным от­казам.

Наряду с высококачественным выпол­нением профилактических работ надежность аппаратуры в процессе эксплуатации обес­печивается: широким применением методов прогнозирования отказов; обязательной ин­струментальной проверкой и тренировкой в условиях, близких к эксплуатационным, тех комплектующих элементов, которые устанавливаются взамен отказавших; повы­шением уровня организации процесса экс­плуатации.

Прогнозирование отказов. Методы прогнозирования отказов можно разделить на «инструментальные» и «ста­тистические».

«Инструментальное» прогнозирование связано с возможностью выявления глав­ным образом постепенных отказов. Их ко­личество, выявляемое при прогнозировании, зависит от точности применяемых для кон­троля приборов и глубины контроля. Все большее углубление контроля работоспо­собности с помощью современных измери­тельных приборов может привести к инстру­ментальному прогнозированию и тех отка­зов, которые проявляются как внезапные. Исключение в данном случае составят, конечно, непосредственные поломки аппара­туры, происходящие, например, при резких ударах или при неумелом обращении с ап­паратурой обслуживающего персонала.

Известны различные способы инстру­ментального прогнозирования (для практи­ческих целен они разработаны еще недо­статочно). Так, один из способов состоит и прогнозировании отказов по характеру изменения параметров элемента или по вы­ходным параметрам узла. Подчеркнем, что инструментальное прогнозирование основано на построении характеристик случайных величин.

Рис. 1-3.3. Способ экстраполяции результатов из­мерений при прогнозировании постепенных отка­зов.

1 — случай возрастания параметра; 2 — случайуменьшения параметра.

Но практически в процессе прогно­зировании характеристики изменения пара­метра во времени чаще всего могут не строиться. Представим, что в процессе испытаний элементов или аппаратуры ста­тистически установлен характер изменения параметров во времени, т. е. на основании многочисленных опытов построены усред­ненные кривые (1 или 2 на рис. 1-3.3, причем экспериментальные точки представ­ляют собой средние значения, а не резуль­таты одного опыта). Параметрами прогно­зирования могут быть: для элементов —крутизна характеристики ЭВП, коэффициент усиления транзисторов, сопротивление ре­зистора, емкость конденсатора, время вос­становления газового разрядника и т.д.; для узлов — коэффициент усиления каска­да, напряжение ид выходе каскада, дли­тельность импульса и частота повторения импульсов блокинг-генератора и др. Под­черкнем, что в процессе эксплуатации аппа­ратуры подобные характеристики построить не удается, т. к. при профилактических ме­роприятиях параметры регулируются до нормы. Такие характеристики можно полу­чить при специальных испытаниях элемен­тов (узлов) или строить их на период меж­ду профилактиками. Обычно нижнее (верх­нее) допустимое значение параметра, назы­ваемое также уровнем отказа, известно пли устанавливается разработчиками аппа­ратуры или узлов. Поскольку при испыта­ниях устанавливается и дисперсия значений параметра, то с учетом этого можно по­строить области изменения параметра. В месте пересечения нижнего участка обла­сти (рис.1-3.3) с линией уровня отказа на­ходится абсцисса t_зам, определяющая возможный момент отказа (с учетом разбро­са), т. е. время замены элемента, время регулировки узла (аппаратуры) или времяремонта узла (аппаратуры). Однако наблюдение за параметрами прогнозирований обычно ведется не непрерывно, а только в процессе проведения профилактических ме­роприятий.

Чтобы за время между очередными, профилактическими работами параметр про­гнозирования не уменьшился до уровня ни­же уровня отказа, время замены (ремонта)определяют как t_зам= t’_зам—Т_пр. По вели­чине t_зам определяют критическое значение параметра прогнозирования.

Таким образом, если параметры прогно­зирования изменяются закономерно, что ха­рактерно для многих элементов и узлов РЭА, то в лабораторных условиях по изло­женной методике можно определить уро­вень прогноза параметров (рис.1-3-3), а при эксплуатации РЭА, во время профилакти­ческих работ, необходимо только сравни­вать результаты измерений того или иного параметра с известным уровнем прогноза. Если при этом оказывается, что параметр прогнозирования достиг критического зна­чения, это указывает на то, что до следую­щей профилактики может возникнуть отказ, а значит, необходимо произвести восстанов­ление (регулировку).

Недостатком данного метода является необходимость использования априорных статистических данных. Результаты прогно­зирования будут более ощутимыми, если использовать апостериорные данные контро­ля параметров РЭА. Подобные методы прогнозирования в настоящее время разра­ботаны математически [8], но методически еще не доведены до инженерного уровня. Определенная сложность математической обработки результатов прогнозирования сдерживает пока широкое применение ука­занных методов.

Если параметр элемента или узла из­меняется закономерно (в одном направле­нии), то с целью сократить время испыта­ний кривые изменения параметров могут «достраиваться» путем экстраполяции (пунктирное продолжение кривой 2 на рис.1-3.3). Для этого необходимо иметь минимум три точки, характеризующие зна­чение параметра в различные моменты вре­мени. Если эти значения позволяют устано­вить направление дрейфа параметра, то экстраполяция производится как продолже­ние кривой, построенной по методу наи­меньших квадратов. При достраивании ди­спепсия параметра принимается неизмен­ной, равной среднему значению дисперсии вдоль экспериментальной кривой.

В ряде случаев применяется метод прогнозирования, основанный на контроле работоспособности элементов и узлов РЭА путем создания специальных режимов ра­боты элементов или узлов с целью выявле­ния близости контролируемых параметров к неисправному состоянию. Так, пусть из­вестно, что при номинальном режиме рабо­ты изменение параметра происходит по времени в соответствии с кривой 1 на рис. 1-3.4. Если несколько перегрузить элемент и электрическом, механическом или другом отношении (иногда же, наоборот, недогрузить его), то изменение параметра прогнозирования во времени может прохо­дить иначе (например, кривая 2 на рис. 1-3-4). Известно, что при электрической перегрузке изношенных транзисторов их ко­эффициент усиления по току падает быстрее, чем у новых;

Рис. 1-3.4. Применение специальных режимов ра­боты при прогнозировании отказов.

1 — нормальный режим;* 2 — специальный режим.

крутизна характеристики ЭВП при понижении напряжения накала для ламп с изношенным катодом падает значительно быстрее, чем для новых ламп. Таким образом, зная допустимое значение пирометра прогнозирования, можно преду­смотреть отказ элемента в ближайшем бу­дущем (до очередной профилактики) и произвести предупредительную замену эле­мента (узла) или регулировку. Процедура дозирования иллюстрируется на рис. 1 - 3 .4Если во время очередной профилакти­ки оказывается, что параметр прогнозиро­вании лежит на уровне ниже х_пр, то это означает, что соответствующий элемент (узел) подлежит замене (регулировке).

В некоторых случаях прогнозирование работоспособности изделий электронной техники и узлов может производиться с помощью использования косвенных призна­ков нарушении работоспособности, называ­емых иногда «предвестниками» отказов.Так известно, что весьма чувствительными признаками приближающегося ухудшения характеристик электронных приборов явля­ются их шумовые характеристики, изменяю­щееся раньше, чем наступают заметные из­менении других характеристик приборов, повышение уровня собственных шумов ЭВП предшествует заметному изменению крутизны и анодного тока по наработке приборов до нескольких десятков и даже сотенчасов. Для транзисторов подобным предвестником является возрастание обратного тока коллектора. К сожалению, при профилактических работах на РЭА не удается измерить параметры отдельных элементов узлов и блоков, что затрудняет использовать предвестники отказов элементов прогнозирования отказов аппаратурыпроцессе ее эксплуатации.

Статистические методы прогнозированияслужат дляпредупреждения возникновения главным образом внезапных отказовтех элементов, у которых распределение времени безотказной работы не соответ­ствует экспоненциальному закону надежно­сти (это относится к приборам, работаю­щим в тяжелом электрическом режиме).

Анализ статистических данных по от­казам различных типов РЭА показывает, что элементы, имеющие сравнительно лег­кий электрический и температурный режим работы, сохраняют во время эксплуатации в среднем постоянное значение параметра по­тока отказов. Статистическое прогнозиро­вание внезапных отказов этой группы эле­ментов практически трудно осуществить, так как при простейшем потоке отказов время безотказной работы элементов не за­висит от предыстории.

Однако в аппаратуре обычно имеется* небольшое число элементов, которые рабо­тают в тяжелом режиме (генераторные и модуляторные радиолампы, магнетроны, га­зовые разрядники, высоковольтные кено­троны и другие элементы). Эти элементы, несмотря на свою немногочисленность (их число составляет обычно не более 1—2% всех элементов образца аппаратуры), дают тем не менее до 25% (иногда до 50%) всех отказов [20]. Оказывается, что для этой небольшой, но важной с точки зрения на­дежности группы элементов экспоненциаль­ный закон неприменим. Достаточным для практики приближением можно считать нормальный закон распределения проме­жутков времени между отказами.

Для каждого типа элементов по ре­зультатам эксплуатации можно определить статистически среднюю наработку до отка­за Т₀, а также величину среднего квадра­тического отклонения времени безотказной работы.

Если бы отсутствовал разброс значений времени безотказной работы, то предупре­дительная замена элементов должна была бы проводиться по истечении времени нара­ботки, равной Т^*₀. С учетом разброса Т^*₀предупредительную замену данных элемен­тов следует производить после времени на­работки:

t_зам=Т^*₀– k_пр σ^*_t

где k_пр = 1—3 — коэффициент прогнозиро­вания, определяющий степень уверенности, что замена будет произведена до того, как элемент откажет (в большинстве случаевдостаточно брать k_пр = 1÷1.5); σ^*_t— сред­нее квадратическое отклонение времени без­отказной работы.

«Тренировка» элементов. Одним из важнейших путей обеспечения надежности РЭА в процессе эксплуатации является тре­нировка элементов, узлов и аппаратуры в целом. Необходимость тренировки элемен­тов, которые устанавливаются в аппарату­ру, вытекает из того, что интенсивность их отказов на первом этапе эксплуатации обычно резко повышена. Поэтому эксплуа­тация элементов и аппаратуры, не прошедших соответствующей тренировки, нежела­тельна. Если же пользоваться при замене отказавших элементов элементами, не про­шедшими тренировки, то вероятность уста­новки в аппаратуру малонадежных элемен­тов остается, как показывает опыт, доволь­но высокой. Эффективность тренировки элементов возрастает при искусственном создании условий работы тренируемых эле­ментов, близких к условиям эксплуатации РЭА (например, при использовании вибро­стендов).

Иногда после определенной наработки элементов электронной техники производят их предупредительную замену (без учета реальной надежности) новыми элементами, не прошедшими тренировки. Подсчитано, что вероятность установки плохого элемен­та в этом случае превосходит вероятность того, что заменяемый элемент окажется плохим. Подобная замена элементов, не связанная с анализом их надежности, не дает выигрыша с точки зрения профилакти­ческого предупреждения отказов.