книги из ГПНТБ / Дружинин Г.В. Надежность электрических схем авиационных систем

ВВЕДЕНИЕ

В этой книге речь идет о надежности — способности аппаратуры исправно работать в течение определенного отрезка времени в задан­ ных условиях. Под исправной работой понимается нормальное выполнение аппаратурой всех ее функций в пределах заданных допусков.

Работа по повышению надежности авиационной техники являет­ ся главной задачей инженерно-авиационной службы Военно-Воз­ душных Сил.

Вплоть до последнего времени под способами повышения надеж­ ности понимались лишь различные рецепты (частные приемы) по изготовлению и эксплуатации конкретного образца аппаратуры. Часто эти рецепты принимали форму «доработок», направленных на уменьшение наиболее бросающихся в глаза недостатков существую­ щих устройств.

Раньше такой подход к делу удовлетворял потребностям прак­ тики, так как в военной технике мало применялось автоматических и радиоэлектронных устройств, а сами устройства были сравнительно несложными.

Благодаря бурному развитию автоматики и радиоэлектроники, за последние несколько лет проблема надежности аппаратуры пре­ вратилась в одну из важнейших современных общетехнических проблем. Росту значения проблемы надежности способствовал ряд обстоятельств, сопутствующих развитию автоматики и электро­ ники. Рост сложности электрических схем, т. е. количества применяе­ мых в них деталей, существенно опережает рост качества этих дета­ лей. Сложная аппаратура применяется во все более жестких условиях эксплуатации: при больших механических нагрузках, в широком диапазоне температур и давлений, в неблагоприятных климатических условиях и т. д.

■Существенное влияние на рост значения проблемы надежности оказывает стремление к сокращению габаритов и веса аппаратуры, а также применение весьма чувствительных блоков и узлов.

Одна из причин недостаточной надежности аппаратуры состоит в том, что современные конструкции создаются в очень короткий срок и быстро стареют, что затрудняет накопление навыков их проекти­ рования, изготовления и эксплуатации.

Недостаточную надежность аппаратуры в настоящее время, благодаря, сложности схем, не удается компенсировать повышением квалификации обслуживающего персонала. Нужно стремиться

3

к повышению квалификации специалистов, по аппаратура должна проектироваться с таким расчетом, что ее будут обслуживать лица с невысокой квалификацией. Такой подход к делу необходим потому, что с началом войны в армию вольются специалисты запаса, кото­ рые не могут обладать такой же квалификацией, как кадровый состав.

Если надежность существующих устройств становится уже недо­ статочной, то еще большего внимания требует надежность будущих устройств. Уже сейчас должны проводиться мероприятия по подго­ товке к созданию будущих надежных устройств.

• Сложность современной и будущей аппаратуры, ее разнообра­ зие, многообразие режимов работы, быстрая замена устаревших образцов новыми — все это обусловливает необходимость общетео­ ретического подхода к повышению надежности всей аппаратуры, независимо от ее устройства и назначения. При этом появление отка­ зов зависит от очень многих и часто случайных причин. Поэтому при рассмотрении вопросов надежности широко применяются теория вероятностей и методы математической статистики. Появление ста­ тистической теории надежности, которая в настоящее время нахо­ дится в начальной стадии своего развития, является следствием начавшегося в начале XX в. проникновения сначала в физику, а за­ тем и в инженерные науки вероятностных методов исследования. В ближайшие годы можно ожидать бурного развития этой молодой теории.

Проблема надежности важна и актуальна для любой аппара­ туры, но особо важное значение она имеет для военной техники, которая все более автоматизируется и насыщается радиоэлектрон­ ными устройствами. В настоящее время надежность военной техники постепенно начинает приобретать то же значение, какое раньше играла выносливость солдат.

Проблема надежности возникла прежде всего для аппаратуры, находящейся на самолетах и ракетах. Сложность этой аппаратуры все время увеличивается, и одновременно к ней предъявляются все более жесткие требования в отношении быстродействия, точности и других качеств. Для авиационной аппаратуры всякое нарушение исправной работы может привести к очень тяжелым и опасным последствиям. Вместе с тем авиационная аппаратура подвергается разнообразным механическим воздействиям и обычно работает в тяжелом тепловом режиме. Жесткие требования в отношении габа­ ритов и веса аппаратуры затрудняют решение проблемы теплоотвода, проблемы сохранения электрической прочности и ряда других вопро­ сов, от которых зависит надежность. Таким образом, для авиацион­

наносимых противником боевых повреждений. Живучесть военной техники в данном пособии рассматриваться не будет. Следует,

4

ние термину «выход из Строя», так как он более точно отражает физический смысл рассматриваемого явления.

Исторически сложилось, что в технике несколько разный смысл вкладывается в термины «неисправность» и «отказ» (выход из строя). Термин «неисправность» часто, но не совсем удачно, приме­ няется для обозначения таких повреждений аппаратуры, которые не нарушают исправной работы ее. После появления «неисправности» аппаратуру можно некоторое время эксплуатировать практически без ущерба для выполняемых задач. К числу таких «неисправностей» систем относят, например, повреждения некоторых крепежных дета­ лей, перегорания некоторых осветительных лампочек, нарушения защитно-декоративных покрытий и т. и. Термином «отказ», в отличие от «неисправности», часто обозначаются такие повреждения, появ­ ление которых выводит аппаратуру из строя и требует принятия соответствующих мер для восстановления ее работоспособности. В этом смысле сведенную в таблицу информацию о повреждениях аппаратуры часто называют «ведомости отказов и неисправностей».

Следует отметить, что деление на «неисправности» и «отказы» является условным. Например, перегорание осветительной лампочки шкалы радиоприемника является «отказом» ее, а для работающего

вдневное время приемника в целом — «неисправностью».

Вдальнейшем изложении будут рассматриваться только «отказы» элементов и систем. Чтобы избежать возможной путаницы

втерминологии и подчеркнуть кардинальный смысл повреждений

элементов и систем, часто будет применяться термин «выход из строя».

За количественную меру технической надежности принимается вероятность исправной работы элемента (системы) в течение задан­ ного времени в определенных условиях. Иными словами, надежность измеряется как вероятность того, что время Т исправной работы эле­ мента или системы будет больше заданного /:

p(t) = P ( T > t ) .

Таким образом, время исправной работы Т, или, что то же самое, время появления отказа (выхода из строя) элемента или системы является случайной величиной. Эту случайную величину будем обозначать прописной буквой Т, а заданное (неслучайное) время работы — малой буквой t.

Иногда бывает удобно пользоваться понятием технической не­ надежности, т. е. способности элементов и систем выходить из строя.

За количественную меру технической ненадежности принимает­ ся вероятность выхода из строя элемента (системы) в течение задан­ ного времени в определенных условиях. Иными словами, ненадеж­ ность измеряется как вероятность того, что время Т исправной работы элемента или системы будет меньше заданного С

q ( t ) - =P( T<t ) .

Согласно этому определению, ненадежность представляет собой функцию распределения времени исправной работы элемента (системы).

7

Как известно из теории вероятностей, сумма вероятностей про­ тивоположных событий (исправная работа и выход из строя) равна единице:

Входящие в формулу (1.1) функции p(t) и q(t) называются: p(t) — функция надежности системы (элемента);

q(i) — функция ненадежности системы (элемента).

Эти названия подчеркивают интегральный характер зависимо­ стей p(t) и q(t).

Перечислим некоторые очевидные свойства функции p(t).

1) р{0) — 1, т. е. мы можем рассматривать исправную работу лишь тех элементов и систем, которые были исправны в момент включения.

2) p(t) является монотонно убывающей функцией времени.

3) p(t) -*■ 0 при t -> f ос. (Предполагается, что элемент не может работать неограниченно долго).

Функция надежности и функция ненадежности элемента будут обозначаться малыми буквами p(i) и q(t), а те же функции для системы — большими буквами P(i) и Q(t).

§ 1.2. ВЫЧИСЛЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ И СИСТЕМ

Чтобы иметь возможность высказать суждение о путях повыше­ ния надежности элементов и систем, необходимо уметь вычислять их надежность по статистическим данным об отказах. В обычных (нере­ зервированных) системах при выходе из строя одного элемента нару­ шается работа всей системы. Первичная неисправность одного эле­ мента может, вообще говоря, привести к повреждению других эле­ ментов. Эти вторичные неисправности не учитываются, так как они происходят в системе, уже вышедшей из строя из-за первичной неисправности.

Поэтому, считая случаи появления первичных неисправностей событиями независимыми, можно написать:

вычислением по формуле (1.2) практически очень трудно, особенно при большом числе элементов в системе. Поэтому возникает вопрос о практическом методе расчета надежности систем. Процесс вычис­ ления функции надежности системы по формуле (1.2) определяется видом формулы для вычисления надежности элемента, т. е., в конеч­ ном счете, способом обработки экспериментальных данных. Не всегда удобно также характеризовать элемент его функцией надеж­ ности, так как для малых периодов времени работы элемента зна­

8

чения p(t) будут близкими к 1. Лапример, вероятность одного часа

таких характеристик. С этой целью выведем формулу для функции надежности элемента.

Введем хорошо согласующееся с практикой предположение о

наковых элементов, то вероятность того, что в одно и то же мгно­ венье откажет сразу несколько одинаковых элементов, очень мала. Таким образом, мы исключаем из рассмотрения катастрофы и сти­

Рис. 1.1.

отказать в интервале времени (/, t-\-dt), он должен исправно про­ работать отрезок времени (0, t). Поэтому вероятность отказа эле-, мента за время (t, t-\~dt), согласно теореме умножения вероятно­ стей, будет:

(/, t d t ) при условии его исправной работы до момента t обычно выражают формулой

9