книги / Надёжность технических систем и техногенный риск. Структурно-энергетическая теория отказов

внеслучайную величину, так как характеризует начальные параметры данного образца.

Если же учитывать рассеивание начальных параметров объекта

врезультате его работы при различных режимах, то a будет случайной величиной и для данного экземпляра объекта.

1.3.Модели отказов, учитывающие режимы работы

иусловия эксплуатации элементов

Влияние климатических факторов (температуры, влажности, радиации и т.д.) и режимов работы (электрических, тепловых, виб- рационно-ударных и др.) проявляется в изменении физического состояния, свойств и характеристик элементов системы, которое обычно обусловлено воздействием энергии и заключается в превращениях одного вида энергии в другой. Важнейшими видами энергии, которые вызывают различные физико-химические процессы, предшествующие возникновению отказов, являются:

–механическая – энергия свободно движущихся отдельных микрочастиц имакросистем и энергия упругой деформации системы;

–тепловая – энергия неупорядоченного, хаотического движения большого числа микрочастиц (атомов, молекул и др.);

–электрическая (электростатическая и электродинамическая) – энергия взаимодействия и движения электрических зарядов, электрически заряженных частиц;

–химическая – энергия электронов в атоме, частично освобож-

даемая в результате перестройки электронных оболочек атомов

имолекул при их взаимодействии в процессе химических реакций;

–электромагнитная – энергия движения фотонов электромагнитного поля;

–аннигиляционная – полная энергия системы, вещества (энергия покоя и энергия движения), освобождаемая в процессе аннигиляции (превращения частиц вещества в кванты поля).

Отказы элементов возникают вследствие воздействия различных видов энергии, которые вызывают нарушения механической,

11

Если учесть, что между вероятностью и интенсивностью отказов существует приближенное соотношение λ(t) ≈ dq(t)/dt, то можно получить выражение, связывающее интенсивность отказов с механической, электрической и тепловой прочностью материала:

Соотношения (1.2) и (1.3) позволяют учесть влияние различных климатических воздействий и режимов работы элементов на надежность системы. Однако для использования этих выражений необходимо знать вероятности отказа по каждому из запасов прочности и скорости изменения запасов прочности.

Вопросы по материалу главы 1

1.Определение внезапного отказа.

2.Определение независимого отказа.

3.Определение зависимого отказа.

4.Определение конструкционного отказа.

5.Определение производственного отказа.

6.Виды энергии, вызывающие физико-химические процессы, предшествующие возникновению отказа.

13

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ

НА НАДЕЖНОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ

Надежность, как это следует из ее определения, неразрывно связана с условиями и режимами работы элементов и систем. К условиям эксплуатации относят физические факторы внешней среды (температуру, влажность, атмосферное давление, механические воздействия, электромагнитное поле, ионизирующее излучение и другие), а к режимам работы – электрические нагрузки (ток, напряжение, рассеиваемую мощность), механические напряжения в материалах элементов, цикличность работы, продолжительность непрерывной работы и др.

Необходимость учета влияния условий эксплуатации и режимов работы элементов на их надежность общепризнанна и рассмотрена, из чего следует, что одной из основных задач теории надежности является разработка методов оценки надежности элементов

исистем исходя из ее зависимости, во-первых, от характеристик

ипараметров элементов, их изменений, определяемых физикохимическими процессами в материалах, и, во-вторых, от характеристик интенсивности эксплуатационных воздействий. Определение показателей надежности элементов в функции интенсивностей эксплуатационных воздействий весьма трудоемкое и сложное дело. В историческом плане первоначально были разработаны статистические методы оценки влияния условий эксплуатации и режимов работы на надежность элементов, основными из которых являются:

–метод эксплуатационных коэффициентов интенсивностей отказов элементов;

–метод поправочных коэффициентов интенсивностей отказов элементов;

–коэффициентный метод оценки влияния цикличности работы элементов на их надежность.

14

2.1. Метод эксплуатационных коэффициентов интенсивностей отказов элементов

В качестве количественной меры оценки влияния условий эксплуатации элементов на их надежность используется эксплуатационный коэффициент KЭ, представляющий собой отношение интенсивности отказов элементов λ при работе в реальных условиях эксплуатации к интенсивности отказов λ0 этих элементов, работающих в лабораторных условиях (при температуре внешней среды 20±5 °C, относительной влажности от 45 до 75 %, атмосферном давлении от 650 до 800 мм рт. ст., отсутствии механических воздействий), т.е.

KЭ = λλ 0 .

В табл. 2.1 приведены усредненные данные, характеризующие влияние условий эксплуатации на надежность элементов (по американским данным).

Таблица 2. 1

Эксплуатационный коэффициент для учета влияния условий эксплуатации на надежность

15

Для получения значений интенсивности отказов элементов λ, работающих в заданных условиях эксплуатации, необходимо умножить значение λ0, полученное в лабораторных условиях, на соответствующее значение эксплуатационного коэффициента KЭ

(см. табл. 2.1), т.е.

Вероятность безотказной работы определяется по формуле

Если наработка до отказа у элементов имеет распределение, отличное от экспоненциального, то учет эксплуатационных коэффициентов возможен только в предположении, что при изменении условий эксплуатации вид распределения не меняется.

Отметим, что в основу метода эксплуатационных коэффициентов положены следующие допущения:

– интенсивность отказов всех типов элементов изменяется в зависимости от условий эксплуатации, но в одинаковой степени независимо от их режимов работы;

– вид закона распределения наработки до отказа в зависимости от условий эксплуатации не изменяется.

Экспериментальным исследованиям надежности элементов эти допущения не подтверждаются. Поэтому метод эксплуатационных коэффициентов может использоваться только лишь для грубой ориентировочной оценки влияния условий эксплуатации элементов на их надежность.

2.2. Метод поправочных коэффициентов интенсивностей отказов элементов

Метод поправочных коэффициентов позволяет помимо условий эксплуатации оценить влияние режимов работы элементов на их надежность. В отличие от эксплуатационного коэффициента KЭ, поправочный коэффициент ai представляет собой отношение интенсивности отказов элементов i-го типа λi при реальных режимах

16

PNRPU

работы и условиях эксплуатации к интенсивности отказов того же элемента λ0 при номинальных режимах и условиях эксплуатации, определяемых техническими условиями на элементы:

ai = λλ i ,

0

откуда

Выражение (2.3) позволяет производить более точную оценку надежности элементов, чем соотношение (2.1), где условия эксплуатации учитываются очень обобщенно, а режим работы элементов вообще не принимается во внимание.

Поскольку интенсивность отказов элементов λ0 в лабораторных условиях считается известной, то и определение интенсивности отказов элементов типа λ, как следует из формулы (2.3), сводится, по существу, к нахождению поправочных коэффициентов.

Поправочные коэффициенты, учитывающие влияние отдельных эксплуатационных воздействий, задаются в виде полинома

где n – число учитываемых эксплуатационных воздействий;

xi – параметр учитываемого эксплуатационного воздействия; Ci – коэффициенты полинома, определяемые эксперименталь-

ным путем.

Число учитываемых эксплуатационных воздействий невелико. Обычно учитывают температуру t и коэффициент нагрузки Kн. В этом случае выражение (2.4) является функцией двух переменных

a(x1, x2) = a(t, Kн).

Примеры зависимости поправочных коэффициентов интенсивности отказов некоторых типов элементов от температуры окружающей среды и коэффициента нагрузки приведены на рис. 2.1, 2.2.

В большинстве случаев поправочный коэффициент a(x1, x2, …, xn) задается в виде произведений частных поправочных коэффициен-

17

тов ai(xi), каждый из которых учитывает влияние только одного эксплуатационного воздействия, т.е.

Поправочные коэффициенты ai(xi) определяются либо графическим, либо аналитическим способами. При графическом способе поправочные коэффициенты определяются с помощью графиков, построенных по результатам испытаний элементов для различных условий эксплуатации и режимов работы. Наибольшее распространение получили зависимости поправочных коэффициентов интенсивностей отказов от температуры a1(t) и электрической нагрузки

a2(Kн).

Зависимости поправочных коэффициентов a1(t) и a2(Kн) получают для исходных интенсивностей отказов λ0, соответствующих номинальной температуре 20 °С и заданному значению коэффициента электрической нагрузки. Примеры зависимостей коэффициента a1(t) от температуры, а коэффициента a2(Kн) от электрической нагрузки приведены на pис. 2.3, 2.4.

18

При аналитическом способе определения поправочных коэффициентов интенсивностей отказов элементов используются зависимости, полученные на основе экспериментальных данных, что представляет собой трудоемкий и дорогостоящий процесс. Поэтому такие зависимости имеются лишь для некоторых типов элементов, причем в них главным образом учитываются влияния температуры внешней среды и режима работы элементов. Зависимости поправочных коэффициентов a1(x1) и a2(x2) для элементов, отказы которых являются следствием воздействия электрического напряжения и температуры, задаются выражениями

19

где Uн, U – соответственно номинальное и рабочее напряжение; tн, t – соответственно номинальная и рабочая температура; n и k – коэффициенты.

В зависимости от типа элемента значение коэффициента n изменяется от 4 до 10, а коэффициента k от 1,02 до 1,15.

Аналитические и графические зависимости поправочных коэффициентов получают по одним и тем же экспериментальным зависимостям, поэтому оба способа определения коэффициентов одинаковы по точности.

2.3. Коэффициентный метод оценки влияния цикличности работы элементов на их надежность

В результате обобщения статистических данных об отказах элементов и систем различного назначения и конструктивного исполнения установлено, что увеличение числа включений и выключений увеличивает число отказов элементов. Количественной мерой оценки влияния цикличности работы элементов на их надежность принимается коэффициент γ, представляющий собой отношение интенсивности отказов элементов в циклическом режиме работы λц (интенсивности отказов на один цикл «включено – выключено») к интенсивности отказов при непрерывной работе λн, т.е.

Исследования показывают, что коэффициент γ зависит от включений K за один час непрерывной работы элементов. Пример такой зависимости приведен на рис. 2.5.

Полная интенсивность отказов λп, обусловленная влиянием непрерывной работы и циклическим режимом работы элементов, задается приближенным эмпирическим выражением

20