Раздел 1 Вопросы эксплуатационной надежности изделий (объектов)
1.1 Основные понятия
Процесс эксплуатации характеризуется временем и местом действия. С точки зрения пользователя изделие (объект, система) может быть в одной из двух чередующихся между собой фаз: подготовки к использованию и использованию по назначению. Фаза подготовки к использованию включает ряд этапов эксплуатации объекта (изделия), связанных с подготовкой к его работе: транспортировка, хранение, тех. обслуживание, ремонт, монтаж, испытание и др.
В зависимости от характера чередования фаз эксплуатации, различают объекты разового и многократного использования. Объект разового использования имеет одну фазу использования по назначению за весь период эксплуатации. Объект многократного использования имеет многократное чередование фаз подготовки к использованию и использование по назначению.
Т.к. объект эксплуатируется в различных условиях, то необходимо знать возможные результаты влияния этих условий. Помимо внешних факторов на поведение объекта будут влиять особенности его конструирования, изготовления, наладки, монтажа. Немаловажную роль имеет степень подготовленности операторов, эксплуатирующих объект.
Эксплуатация предусматривает наличие, с одной стороны, человека (или оператора), с другой – объекта эксплуатации (машина, изделие, аппарат, система и т.д.), над которым оператор должен совершать определенные действия для получения необходимых результатов.
Исследование поведения объекта во время эксплуатации и оценка его эксплуатационных качеств составляет курс теории надежности.
Надежность – свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, тех. обслуживания (ТО), ремонтов, хранения и транспортировки. Это сложное свойство объединяет такие понятия, как безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость объекта. В зависимости от назначения объекта и условий его эксплуатации надежность может включать все эти свойства или их сочетание.
1.2 Факторы, влияющие на эксплуатационную надежность са.
В процессе эксплуатации на КИП и СА (контрольно-измерительные приборы и средства автоматизации) действуют различные факторы, влияющие на их надежность. Их влияние на составляющие надежности и их показатели разное.
Все факторы подразделяются на объективные и субъективные. К субъективным относятся ошибки персонала. К объективным факторам принято относить: время эксплуатации, механические и электрические режимы, климатические факторы, примеси в воздухе, биологические факторы и др.
Время эксплуатации является одним из основных факторов, определяющих надежность объектов на всех этапах. В первый период эксплуатации чаще всего выявляются технологические и конструктивные недостатки, когда интенсивность отказов во много раз больше, чем в нормальный период эксплуатации. Длительность этого периода для различных изделий может колебаться от нескольких десятков до сотен часов (от 1 до 15% от длительности периода нормальной эксплуатации). Второй период эксплуатации представляет обычно достаточно длительный отрезок времени. Третий период характеризуется значительным возрастанием интенсивности отказов из-за старения и износа элементов. Процессы старения идут непрерывно, но могут ускоряться под влиянием различных факторов (тепло, влага, свет, давление и др.).
На механические и электромеханические элементы и узлы большее влияние, чем старение, оказывает износ (редукторы, сельсины, реле, подшипники и др.), интенсивность которого имеет прямую зависимость от механических перегрузок, режимов работы объектов.
Изменение электрических режимов работы электротехнических и электронных изделий оказывает существенное влияние на стабильность и долговечность их характеристик и параметров и, следовательно, на долговечность и надежность всей системы или объекта. Работа элементов при предельно допустимых нагрузках сокращает их срок службы, не гарантирует надежной работы.
Для оценки режима работы используют коэффициенты нагрузки Кн – отношение реальной рабочей нагрузки Fр к номинальной Fн, предусмотренной для данного элемента (объекта) в заданных условиях эксплуатации
, (1.1)
Существуют подвиды таких коэффициентов – коэффициент нагрузки по мощности Кнр и коэффициент нагрузки по напряжению Кнu
, (1.2)
, (1.3)
где Рр и Uр, Рн и Uн – соответственно мощности и напряжения рабочие и номинальные.
Кнр используют для оценки работы полупроводниковых приборов, резисторов, Кнu – для конденсаторов, изоляторов и т.д.
Влияние электрических нагрузок сводится к ухудшению температурного режима и появлению перенапряжений, что может вызвать пробой изоляции. Для электрических и электронных элементов коэффициент электрической нагрузки приближенно равен 0,4 – 0,6.
Влияние температуры на надежность изделий тем больше, чем больше скорость и частота изменения температуры. Эти факторы приводят к появлению механических знакопеременных усилий и, как следствие, к ослаблению механических креплений, появлению усталостных трещин, отпотеванию и т.д.
Температура окружающей среды влияет на температуру внутри изделия, на отдельные элементы. Т.к. температура элемента определяется собственным нагревом и температурой среды, то увеличение температуры среды повышает температуру элемента, и фактическое значение коэффициента нагрузки станет выше расчетного.
Одним из наиболее сильнодействующих факторов является влажность, которая снижает надежность КИП и СА, ухудшает их эксплуатацию.
Воздействие пониженного давления в основном распространяется на аппаратуру, используемую на летательных объектах, а также в горной местности свыше 1000 м.
На надежность КИП и СА заметное влияние оказывает загрязнение воздуха механическими и химическими примесями. В воздухе может содержаться до 60 мг/м3 пыли. Она легко проникает в негерметизированные изделия, снижает поверхностное сопротивление, ускоряет износ движущихся частей, контактов, изменяет параметры элементов и изделий. Особенно пыль ухудшает характеристики изделий, выполненных с применением печатного монтажа, не защищенного специальным покрытием.
Кроме пыли в атмосфере могут быть сильнодействующие химические примеси. Они увеличивают коррозию металлов, ускоряют процесс старения в пластмассах и органических диэлектриках. Степень влияния этих примесей значительно увеличивается во влажном воздухе.
Под биологическими факторами понимают воздействие на КИП и СА живых организмов, т.е. влияние грибковых образований, насекомых, грызунов и т.п.
Субъективный фактор в виде ошибок оператора приводит к частичному или полному невыполнению задачи объектом. По статистическим данным, до 30% отказов изделий является следствием недостаточной квалификации обслуживающего персонала. При хорошей подготовке операторов и правильной организации эксплуатации КИП и СА надежность в 3-5 раз выше.
Подводя итоги результатов влияния факторов, можно заключить, что для сохранения надежности изделий в процессе эксплуатации необходимо:
1. Строго соблюдать климатические и механические условия эксплуатации; графики технического обслуживания (ТО) и профилактических ремонтов; технологию консервации, упаковки и хранения в соответствии с внешними условиями и сроками хранения; правила транспортировки изделий.
2. Соблюдать рекомендованные техническим условием (ТУ) технические режимы функционирования, т.е. электрические и механические нагрузки (вызываются ударами и вибрациями при транспортировке, при воздействии ветра и т.д.) не должны превышать установленных норм, длительность работы изделий также не должна превышать рекомендаций ТУ.
3. Соблюдать правила технического обслуживания и ремонта. ТО обычно состоит из профилактических и регламентных работ (проверок), которые проводят в соответствии с установленным графиком по календарю или после наработки определенного числа часов. Проведение этих работ предотвращает постепенные отказы, уменьшает число внезапных отказов. Профилактические проверки выполняются только исправной измерительной аппаратурой, имеющей заводскую или государственную аттестацию в установленные сроки.
4. Производить «тренировку» элементов. Этот процесс значительно повышает надежность в процессе эксплуатации. Сущность этого метода заключается в том, что при замене элементов, вышедших из строя, запасной элемент перед установкой в изделие подвергается приработке («тренировке») на стенде с режимами, соответствующими режиму эксплуатации. Длительность «тренировки» соответствует периоду приработки элементов, когда интенсивность отказов наибольшая. За счет этого уменьшается вероятность отказов. Недостатком этого метода является уменьшение ресурса элементов, но для особо важных и сложных изделий он полностью себя оправдывает.
5. Осуществлять прогнозирование. Прогнозирование отказов позволяет заранее предопределить возможные отказы и производить своевременную замену малонадежных элементов. Прогнозирование может осуществляться инструментальным (многократным измерением в процессе эксплуатации основных параметров и характеристик изделия) и статистическим методами.
6. Собирать материалы об отказах в условиях эксплуатации. Накопление статистических данных позволяет более эффективно производить расчет надежности вновь разрабатываемого образца, разрабатывать и корректировать инструкции по эксплуатации изделий.
7. Правильно подбирать обслуживающий персонал. Эксплуатация изделий поручается хорошо обученному техническому персоналу, знающему теоретические основы и принцип работы изделий, глубоко изучившему материальную часть, управление ею, умеющему доброкачественно проводить профилактические работы, проверки и испытания изделий, быстро находить и устранять неисправности, грамотно вести техническую документацию.
Кроме перечисленных мероприятий важным условием обеспечения эксплуатационной надежности объектов является выбор системы технической эксплуатации. Система может предусматривать ограничение сроков эксплуатации объектов по ресурсу, по состоянию и по надежности.
При эксплуатации по ресурсу объект находится на эксплуатации до определенной наработки в часах (или других единицах) или до определенных календарных сроков, которые установлены в качестве ресурсов на основе специальных испытаний или статистических данных по надежности этих объектов.
При эксплуатации по состоянию объектам заранее не устанавливается ресурс, а эксплуатация при непрерывном наблюдении за техническим состоянием производится до тех пор, пока объект не достигнет предельного состояния, не допускающего дальнейшей эксплуатации по каким-либо причинам (нарушение безопасности, отклонение от нормы заданных параметров, снижение эффективности применения и др.). В этом случае должен быть обеспечен достаточно глубокий и систематический контроль за техническим состоянием объекта.
Эксплуатация по надежности предусматривает эксплуатацию объекта до тех пор, пока он не откажет. Очевидно, что такой принцип приемлем лишь для тех элементов, которые несущественно влияют на надежность объекта, системы.
Ни одна из перечисленных систем эксплуатации не применяется в чистом виде, а имеет место сочетание всех перечисленных систем в определенном соотношении. Задача состоит в том, чтобы определить рациональное соотношение в применении этих систем при технической эксплуатации объектов.
Расширение объема средств автоматизации, эксплуатирующейся по состоянию, во многом обусловлено развитием средств контроля, повышением возможностей объективного контроля. Внедрение эксплуатации по состоянию позволило повысить уровень исправности объектов, увеличить фактические сроки эксплуатации объектов и снизить эксплуатационные расходы.