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

Интенсивность выхода из строя схемы рис. 1.15,а:

\ = 2)ч<+ >.е = 2.2-К )-6.

В более сложных случаях расчета учитывается теплоизлучение соседних элементов, снижение номинальных значений нагрузки из-за

«-—схема пассивного четырехполюсника; б —зависимость ин­ тенсивности выхода из строя конденсаторов от температуры окружающей среды и рабочего напряжения; б—зависимость интенсивности выхода из строя углеродистых сопротивлений от окружающей температуры и рассеиваемой мощности.

компактности монтажа и ряд других факторов. Следует отметить,

.что не всегда целесообразно усложнять расчет в погоне за неоправ­ данной точностью. Затраты времени на проведение расчета надеж-

30

ностП с учетом режимов работы элементов пропорциональны слож­ ности системы. В иностранной печати рекомендуется такое эмпири­ ческое правило подсчета затрат времени: расчет схемы с суммарным количеством электронных ламп, полупроводниковых приборов н реле, равным 25 (не считая остальных элементов), требует месяца работы одного инженера-.

керамических конденсаторов на их интенсивность выхода из строя.

Р и с . 1.17. Влияние условий применения серебряных слюдяных конденсаторов на их интенсивность выхода из строя.

На рис. 1.16—1.19 приведены для справок аналогичные рис. 1.15,6, в графики из [36]. Графики показывают влияние условий применения некоторых типов конденсаторов и сопротивлений на интенсивность выхода из строя этих элементов. Графики, представ­ ленные на рис. 1.16, относятся к керамическим конденсаторам, на

31

рис. 1.17 — к серебряным слюдяным Конденсаторам, на рис. 1.18 — к слюдяным конденсаторам из фольги, на рис. 1.19 — к поверхност­ ным углеродистым сопротивлениям.

Р и с . 1.18. Влияние условий применения слюдяных конденсаторов из фольги на их интенсивность выхода из строя.

поверхностных углеродистых сопротивле­ ний на их интенсивность выхода из строя.

§ 1.6. ВИДЫ ОТКАЗОВ ЭЛЕМЕНТОВ И СИСТЕМ

Выходы из строя (отказы) элементов можно классифицировать по различным признакам, в частности:

1)По длительности действия различают окончательные и пере­ межающиеся (то появляющиеся, то исчезающие) отказы.

2)По легкости обнаружения отказы могут быть очевидными или скрытыми.

32

3) Для каждого определенного типа элементов отказы разли­ чаются по внешним проявлениям-. Например, различные отказы кон­ денсаторов можно разбить на две группы: типа «обрыв» и типа «замыкание».

4) По характеру возникновения отказы могут быть или внезап­ ными, состоящими в резком, практическом мгновенном изменении характеристик элементов, или постепенными, происходящими за счет медленного, постепенного ухудшения качества элементов.

Первые два принципа разделения отказов более подробно рас­ сматриваться не будут. Установленные в них различия отказов могут иметь большое значение для технической эксплуатации оборудова­ ния, но с точки зрения технической надежности не используются. Различные внешние проявления отказов будут учтены и несколько более подробно рассмотрены в § 3.4 и 3.5 третьей главы.

Рассмотрим более подробно характер возникновения отказов. Внезапные отказы обычно состоят в механическом повреждении элемента (трещины, обрывы, пробои изоляции и т. п.). Типичными примерами внезапных отказов могут служить трещины стеклянных баллонов электронных ламп и обрывы нитей накала этих ламп.

■^-Внезапные отказы получили свое название из-за того, что обыч­ но отсутствуют видимые признаки их приближения, т. е. перед отка­ зом обычно не удается обнаружить количественных изменений характеристик элементов. Поэтому внезапные отказы считаются слу­ чайными, и предсказывать их появление можно лишь статистически.

Выпускаемые промышленностью элементы не являются совер­ шенно одинаковыми. Одни из них более прочные, другие — более слабые. У слабых элементов имеются всякого рода скрытые пороки (элементы с явными дефектами отбраковываются ОТК завода). Когда эти слабые элементы попадают в тяжелые условия работы, то часто они не выдерживают этих условий и внезапно, с механиче­ ским повреждением, выходят из строя.

В авиационной аппаратуре элементы находятся в тяжелых ударно-вибрационном и температурном режимах работы. Эти два фактора и определяют в основном более низкую, чем в других обла­ стях техники, надежность военной авиационной аппаратуры. Пред­ назначенные для работы в этих условиях элементы должны обладать высокой динамической прочностью. Большая часть внезапных отка­ зов элементов авиационных устройств является следствием разброса значений динамической прочности этих элементов. Таким образом, число внезапных отказов можно снизить как увеличением однород­ ности элементов, так и облегчением условий их работы.

Постепенные отказы связаны с износом деталей и старением материалов. Каждый элемент .имеет определяющий параметр ?], который может служить мерой качества элемента (например, кру­ тизна электронной лампы). Определяющий параметр элемента прак­ тически не бывает точно равен своему номинальному значению, почти всегда существуют отклонения от поминала. Эти отклонения можно считать состоящими из трех слагаемых:

1. Начальное отклонение. Обычно указывается в каталогах, паспортах деталей или инструкциях по их применению. Например, •+5°/о для углеродистых сопротивлений.

2.Кратковременное отклонение. Большинству деталей свой­ ственны случайные флюктуации параметров около номинального значения, происходящие из-за изменения окружающей обстановки. Эти флюктуации обычно малы и их можно не учитывать.

3.Долговременное отклонение представляет собой непрерыв­ ное изменение определяющего параметра, происходящее в течение месяцев и лет. Этот процесс часто называют старением деталей. При старении изменение определяющего параметра элемента обычно происходит в одном направлении. Так, например, с течением времени увеличивается величина углеродистых сопротивлений, уменьшается крутизна характеристики электронных ламп и т. д.

Определяющий параметр элемента при своем изменении может достигнуть критического значения, при котором состояние элемента считается неудовлетворительным, т. е. элемент выходит из строя. Это критическое значение определяющего параметра устанавливает­ ся постоянным для группы находящихся на хранении одинаковых элементов, не соединенных в систему. Если рассматривать состоя­ щие из разнообразных элементов устройства (системы), то критиче­ ское значение параметра т, для каждого элемента будет определять­ ся местом элемента в принципиальной схеме системы. Другими сло­ вами, при выборе критического значения определяющего параметра элемента системы, вообще говоря, необходимо учитывать влияние

состояния этого элемента на работоспособность системы. В изложен­ ном выше методе расчета надежности это влияние места элемента в принципиальной схеме системы на момент появления постепенного отказа специально не учитывалось. При обработке эксперименталь­ ных данных критическое значение автоматически бралось средним значением. Более того, до данного параграфа мы даже не различали виды отказов элементов. Это оказалось возможным потому, что

вработающих системах отказы элементов являются в основном вне­ запными. Внезапный характер отказов особенно типичен для эле­ ментов авиационных систем, так как эти системы имеют сравни­ тельно небольшой срок службы и находятся в тяжелых условиях эксплуатации.

Старение элементов происходит непрерывно, независимо от того, работают ли элементы (т. е. находятся ли под действием тока или напряжения) или нет. Старение ускоряется, когда элемент попадает

втрудные условия хранения или эксплуатации. Если учесть кратко­ временный и эпизодический характер работы большинства авиаци­ онных устройств, то становится очевидно, что для них постепенные отказы за счет старения являются основным видом отказов находя­ щихся на хранении систем, тогда как внезапные отказы характерны для периодов работы систем.

Постепенные отказы являются случайными в том смысле, что заранее неизвестен характер изменения определяющего параметра каждого конкретного элемента. Вместе с тем, если продолжительное

34

время наблюдать изменение определяющего параметра некоторого элемента, то можно с большой долей уверенности предсказать даль­ нейшее изменение этого параметра и, следовательно, момент появ­ ления постепенного отказа данного, находящегося под наблюдением элемента. Поэтому возможны два пути подхода к предсказанию отказов систем из-за постепенных отказов элементов: статистический, изложенный в § 1.7—1.9, и конструктивный, изложенный ниже,

В § 2.5.

Как отказы за счет старения, гак и внезапные отказы элементов состоят в выходе за допустимые границы значений определяющего

изменяется до значения т) = У|кр. Поэтому отказы за счет старения называются «постепенными» отказами. Для удобства дальнейшего рассмотрения вопроса условимся выбирать определяющие параметры

§ 1.7. РАСЧЕТ СОХРАННОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ

До сих пор мы рассматривали в основном надежность работаю­ щих элементов и систем. Однако часть военной техники, особенно авиационной, может значительное время храниться не работая. Очевидно, что при долгом хранении часть систем ухудшит свое каче­ ство, а некоторые выйдут из строя. Например, по американским дан­ ным [44], в течение второй мировой войны 50°/о оборудования и запасных частей вышло из строя в процессе складского хранения. Поэтому имеет смысл учитывать надежность хранящихся (нерабо­ тающих) элементов и систем. В связи с этим введем понятие сохран­

ности — способности элементов и систем находиться в исправном состоянии в процессе хранения.

Рассмотрим вопрос о расчете и предсказании сохранности эле­ ментов и систем.

Если расчет надежности элементов и систем производят по экспериментальным графикам X(t ), то при расчете сохранности практически невозможно получить экспериментальным путем какиелибо законы распределения времени нахождения элементов в исправ­ ном состоянии. Нужны годы, чтобы получить необходимые статисти­ ческие данные. Конструкция и технология изготовления элементов меняются так быстро, что статистические данные об отказах, полу­ ченные в результате наблюдения за хранящимися элементами, и системами, большей частью имеют лишь историческое значение. Для того чтобы в этих условиях иметь возможность предсказать поведе­ ние элементов при их дальнейшем хранении, приходится производить экстраполяцию тех или иных числовых характеристик.

Как уже упоминалось, в условиях хранения отказы обычно наступают из-за постепенного ухудшения качества элементов за счет старения. При отказах за счет старения закон распределения вре­ мени нахождения элементов в исправном состоянии близок к нор­ мальному. Нормальный закон распределения имеет место, если при хранении на элементы действует большое количество примерно равноценных факторов, т. е. условия хранения являются идеаль­ ными. Однако можно ожидать, что в реальных условиях среди опре­ деляющих характер старения климатических и производственных факторов всегда найдутся превалирующие. Поэтому нормальный закон распределения времени нахождения в исправном состоянии будет несколько искажен. Примерно такое же положение имеет место

втеории точности производства [3], где условия обработки изделий определяют вид законов распределения параметров изделия. Однако

вотличие от ряда задач, связанных с точностью и надежностью изде­ лий, при хранении очень трудно установить влияние различных фак­ торов на вид закона распределения времени нахождения хранящихся элементов в исправном состоянии. Это объясняется длительностью испытаний, к окончанию которых элемент считается устаревшим.

Таким образом, любой метод расчета сохранности элементов должен учитывать изложенные обстоятельства: практическую невоз­ можность получения действительного закона распределения времени нахождения элементов в исправном состоянии, наличие несколько искаженного нормального закона распределения и необходимость экстраполяции каких-либо характеристик.

Так как для находящихся на хранении устройств наиболее характерны постепенные отказы элементов, то дальнейшее рассмот­ рение вопросов сохранности будем сначала вести в предположении, что все отказы элементов являются постепенными. Затем будет рас­ смотрен вопрос о сведении общего случая наличия отказов обоих видов к рассмотренному перед этим случаю постепенных отказов.

Если на хранении находится группа одинаковых элементов, то для каждого из них зависимость -»](£) будет различной. Определяю-

36

щий параметр элемента данного типа будет случайной функцией

ния времени нахождения элемента в исправном состоянии. Однако, как уже отмечалось выше, эти исторические сведения о превратив­ шихся в хлам элементах практической ценности не имеют. Поэтому рассмотрим способ предсказания поведения элементов при дальней­ шем хранении по их состоянию в настоящий момент.

По аналогии с общепринятым количественным определением надежности, за количественную меру сохранности примем вероят­

функцией S(t), которую в дальнейшем будем называть функция сохранности.

Предположим в первом приближении, что закон распределения времени нахождения элемента в исправном состоянии является нор­ мальным. Тогда для нахождения функции сохранности надо знать среднее время нахождения элемента в исправном состоянии tK и среднеквадратическое отклонение от среднего времени нахождения элемента в исправном состоянии <з( . Рассмотрим задачу о прибли­ женном определении tK и af по двум измерениям параметра г\ в про­ цессе хранения элементов. Пусть в моменты времени tt и С+ь отсчитываемые с начала хранения, проведены измерения значений определяющего параметра т, некоторой части находящихся на хра­ нении элементов. Для полученных в результате измерений случай­ ных величин Н,. и LI/fi можно найти статистические числовые

где I — номер элемента;

п— число элементов, у которых измеряется определяющий параметр;

i— номер измерения.

Предполагая, что определяющие параметры элементов изменя­ ются в процессе хранения линейно, найдем приближенные количе­ ственные соотношения для_ определения tK и at Статистическое

38

где

Будем считать среднеквадратическое отклонение з, постоян­ ным и равным среднему значению его за период времени (0, £к):

Экстраполируя линейно среднеквадратическое отклонение пара­ метра элемента от среднего значения (рис. 1.22), имеем:

В силу линеаризации всех реализаций •»]. (£) и постоянства дис-

Персии зТ!с = пост., имеем:

а‘

а Ф (л) — нормированная функция Лапласа.

39