1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. АНАЛИЗ НАДЕЖНОСТИ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

1.1 Дефекты и неполадки Теоретическое обоснование:

Второстепенные неисправности, не приводящие к полному отказу системы, подразделяются на две категории.

«Дефектами называются неисправности, которые в момент их обнаружения не приводят к повреждению или нарушению регулировки прибора, но могут в будущем вызывать подобные явления. Примеры дефектов: повреждение изоляции, царапины на защитных покрытиях, загрязнение смазки и др.» [1, с. 1].

«Неполадками называются неисправности в работе прибора, не оказывающие влияния на выполнение им основных функций. Примеры неполадок: выход из строя части зарезервированного устройства, не приводящий к перерыву в выполнении задачи; выход из строя счетчика времени работы прибора; перегорание лампочки освещения шкалы; увеличение шума и др.».

Практический пример:

Для цифровой системы беспроводных наушников Sennheiser RS 175 примером дефекта является образование налета или коррозии на зарядных контактах передатчика TR 175 или наушников HDR 175. В момент обнаружения это не нарушает работу устройства: наушники заряжаются и передают звук. Однако в будущем этот дефект может привести к нарушению электрического контакта, что вызовет невозможность зарядки аккумулятора (отказ).

Примером неполадки является перегорание светодиодного индикатора состояния HDR 175 на чашке наушников или индикатора "Surround" на передатчике. Основная функция системы – беспроводная передача звука – сохраняется в полном объеме, но пользователь теряет визуальный контроль за состоянием заряда или режимом работы. Это не влияет на качество звука, но

8

снижает удобство эксплуатации.

1.2 Устройство и прибор Теоретическое обоснование:

Иерархия технических объектов в теории надежности выстраивается от простых элементов к сложным системам.

«Устройство – соединение деталей, узлов, имеющих самостоятельное эксплуатационное назначение. Например, блок питания, арифметическое устройство и др.» [1, с. 1].

«Прибор – группа блоков, имеющая конструктивно-самостоятельное назначение».

Важную роль играет база несущих конструкций (БНК), определяющая конструктивное исполнение модулей.

«Базовая несущая конструкция – несущая конструкция,

предназначенная для размещения составных частей аппаратуры, габариты которой стандартизованы» [2, с. 33].

Выделяют три уровня конструкций:

1.«Несущая (базовая несущая) конструкция первого уровня НК

(БНК)1 – конструкция, предназначенная для размещения модулей нулевого уровня, изделий электронной техники (ИЭТ) и электротехнических изделий и входящая в БНК более высокого уровня. Может быть выполнена в виде корпуса ячейки и кассеты».

2.«Несущая (базовая несущая) конструкция второго уровня НК(БНК)2 – конструкция, предназначенная для размещения радиоэлектронных средств, выполненных на основе несущей (базовой несущей) конструкции первого уровня. Может быть выполнена в виде рамы, корпуса блока и др.)»

3.«Несущая (базовая несущая) конструкция третьего уровня НК(БНК)3 – конструкция, предназначенная для размещения радиоэлектронных средств, выполненных на основе несущих (базовых несущих) конструкций второго и (или) первого уровней (я). Может быть

9

выполнена в виде корпуса шка,фа, стеллажа, стойки, пульта и др.» «Ячейка – радиоэлектронное средство, предназначенное для

реализации функций (и) приема и преобразования информации и выполненное на основе НК1».

«Блок (рама, корпус) – радиоэлектронное средство, представляющее собой совокупность ячеек (кассет), предназначенное для реализации функций (и) приема и преобразования информации и выполненное на основе НК2».

При разработке приборов и устройств необходимо учитывать эргономические требования:

«Эргономика – это прикладная наука, которая изучает человека и его деятельность в условиях современного производства с целью оптимизации орудий, условий и процесса труда» [2, с. 19]. «Соблюдение эргономических законов с самого начала разработки любого технического изделия гарантирует повышение культуры производства, удобство и эффективность человеческого труда, повышение потребительской ценности промышленной продукции».

Практический пример:

На рисунке 1 представлено визуальное представление наушников, передатчика и блока питания радиочастотной установки [3].

Рисунок 1 – Комплектация радиочастотных установки

10

В составе наушников Sennheiser RS 175:

–Устройством является блок питания NT 9-3AW, входящий в комплект. Это соединение деталей (трансформатор, выпрямитель) в едином корпусе, имеющее самостоятельное эксплуатационное назначение – преобразование сетевого напряжения 220 В в постоянное 9 В для питания передатчика.

–Прибором является передатчик TR 175. Он представляет собой группу функциональных узлов (ЦАП, радиопередающий модуль, зарядная станция) в едином пластмассовом корпусе, имеющий конструктивно-самостоятельное назначение.

–Ячейкой (на уровне НК1) является печатная плата с навесными элементами внутри передатчика TR 175, на которой размещены элементы приёма и обработки цифрового аудиосигнала.

Эргономика в системе RS 175 реализована через удобное расположение элементов управления (кнопки громкости, Bass, Surround) прямо на чашках наушников HDR 175, что позволяет пользователю регулировать параметры, не отвлекаясь от прослушивания, и через наличие регулируемого оголовья для комфортного ношения.

1.3 Система и классификация систем Теоретическое обоснование:

Система является наивысшим уровнем иерархии в теории надежности. «Система – это совокупность взаимосвязанных объектов, служащая для самостоятельного выполнения определенной задачи» [1, с. 1]. Для анализа систем их классифицируют по ряду признаков, представленных в таблице 1. Таблица 1 – Классификация систем

11

«Все системы можно разделить на две группы: восстанавливаемые (после отказов их можно ремонтировать) и невосстанавливаемые. Невосстанавливаемая система в случае возникновения отказа не подлежит или не поддается восстановлению либо по экономическим, либо по техническим соображениям» [1, с. 2].

Практический пример:

Система беспроводных наушников Sennheiser RS 175 классифицируется следующим образом:

1.По возможности восстановления – восстанавливаемая система. В

случае разряда или поломки аккумуляторных батарей (NiMH AAA) возможна их замена пользователем. В случае поломки передатчика возможен ремонт или замена устройства в сервисном центре;

2.По характеру обслуживания – обслуживаемая система. Инструкция по эксплуатации предписывает проведение регламентных работ: очистку наушников сухой тряпкой, периодическую замену поролоновых насадок и зарядку батарей;

3.По поведению после отказа – система относится к категории простых систем. При отказе ключевого элемента (например, передатчика TR 175 или приемного модуля в наушниках HDR 175) система полностью теряет работоспособность (звук отсутствует). При отказе второстепенного элемента (например, кнопки включения режима "Bass") система либо продолжает работать в штатном режиме без этой функции, либо полностью отказывает, не

12

определяются следующим образом:

–Работоспособное состояние наушники HDR 175 заряжены,

сопряжены с передатчиком TR 175, передают качественный цифровой звук без искажений, все кнопки управления (громкость, Bass, Surround) функционируют штатно. Параметры (например, уровень заряда батарей, качество сигнала) в норме.

–Неработоспособное состояние наступает при разряде аккумуляторных батарей ниже критического уровня (напряжение ниже допустимого). Звук в наушниках отсутствует, хотя механическая целостность корпуса сохранена. Также это состояние возникает при поломке радиопередающего модуля, когда сигнал не передается.

–Предельное состояние возникает, например, при физическом разрушении оголовья наушников или при выходе из строя динамика с необратимой деформацией мембраны. Ремонт технически возможен (замена чашки или оголовья), но экономически нецелесообразен, так как стоимость замены оригинальных частей и работ в авторизованном сервисе может приближаться к стоимости нового комплекта RS 175.

1.5 Простые и сложные системы. Теоретическое обоснование:

Классификация системы по поведению после отказа важна для выбора методов резервирования и диагностики.

«Различают также простые и сложные системы.

Простые системы при отказе элементов либо полностью теряют работоспособность, либо продолжают выполнять свои функции в полном объеме, если отказавший элемент зарезервирован. Такие системы могут находиться только в двух состояниях: рабочем и нерабочем.

Сложные системы обладают способностью при отказе элементов продолжать выполнение своих функций, но с пониженной эффективностью, т.е. они могут находиться в нескольких рабочих состояниях» [1, с. 3].

Практический пример:

14

Система Sennheiser RS 175 относится к категории простых систем.

В её конструкции отсутствует функциональная избыточность основных узлов. Например, если отказывает радиопередатчик TR 175 или приёмный модуль в наушниках HDR 175, система полностью переходит в нерабочее состояние (звук отсутствует).

Даже если отказывает второстепенный элемент, например, светодиодный индикатор или кнопка включения режима виртуального пространственного звучания (SURR), основная функция – воспроизведение звука – либо продолжает выполняться в полном объеме (если сбой не блокирует сигнал), либо полностью прекращается (если отказ приводит к блокировке питания). Промежуточных состояний «работы с пониженной эффективностью» (например, работа только одного канала или снижение дальности без потери связи) у данной модели, в отличие от многоканальных сложных систем, не предусмотрено конструкцией.

1.6 Испытания сложных систем Теоретическое обоснование:

«Существует целый ряд особенностей испытания сложных систем:

1.Ограниченное число испытуемых объектов (это приводит к снижению вероятности достоверности оценки надежности).

2.Прямые непосредственные испытания на надежность связаны с расходом рабочего ресурса, а часто и с полным разрушением образца.

3.Сложно определить надежность такой системы, поскольку при ее работе возникают сложные процессы.

4.Большая перегруженность различными проверками и испытаниями технологии их производства и обслуживания.

5.Особенность самой технологии изготовления сложной системы. Такая система создается в результате длительного и сложного технологического процесса, который включает большое число разнообразных проверок и испытаний» [1, с. 3-4].

Для анализа надёжности сложных систем применяются

15

детерминистические методы: «методы ,,проверочного листа’’ и ,,что будет, если … ?’’, методы ,,Анализа видов и последствий аварий’’ (АВПО), логикографические методы анализа ,,деревьев отказов’’ и ,,деревьев событий’’».

Практический пример:

Хотя система RS 175 является простой, при её разработке и испытаниях учитываются аналогичные проблемы:

1.Ограниченное число образцов. Производитель не может испытывать на ресурс (например, на 10 000 циклов включения/выключения) всю серию наушников. Выборочное тестирование ограниченной партии HDR 175 на надежность кнопок и оголовья несет риск пропуска брака.

2.Расход ресурса. Испытания ёмкости аккумуляторов (заявлено до 18 часов работы) требуют полного цикла разряда, что расходует ресурс батарей.

3.Методы анализа. При проектировании передатчика TR 175 мог быть применен метод «Анализа видов и последствий отказов» (АВПО). Например, анализ ситуации «Что будет, если нарушен контакт в гнезде зарядки?». В

инструкции в пункт «Устранение неполадок» можно было бы указать решение: «система перестает заряжаться, требуется чистка контактов»

–предотвращая более серьёзные последствия (короткое замыкание) [3, с. 27].

1.7 Разновидности надежности Теоретическое обоснование:

Для точной оценки состояния технического объекта различают

несколько уровней надёжности, зависящих от этапа жизненного цикла изделия.

«Иногда для большей определенности и конкретизации различают следующие разновидности надежности: нормальную, эксплуатационную и техническую» [1, с. 4].

«Под номинальной надёжностью понимается надёжность, достигаемая в результате проектирования и проверяемая в ходе испытаний опытных образцов».

«Под эксплуатационной надёжностью понимается надёжность,

16

определяемая в реальных условиях эксплуатации с учётом комплексного воздействия внешних и внутренних факторов, связанных с климатическими и географическими особенностями эксплуатации, реальными режимами работы системы и условиями ее обслуживания».

«Под технической надежностью понимается надежность, которая формируется с учетом технологических условий производственных процессов и оценивается по результатам контрольных испытаний партий изделий».

Взаимосвязь видов надежности: «надёжность номинальная должна быть больше надёжности технической, а та, в свою очередь, должна быть больше эксплуатационной».

Практический пример:

Для системы Sennheiser RS 175 различия проявляются следующим образом:

–Номинальная надёжность. Заявленная производителем дальность передачи сигнала до 100 м и время работы до 18 часов. Эти показатели были достигнуты инженерами при проектировании и подтверждены на этапе испытаний опытных образцов в идеальных условиях (прямая видимость, температура 20°C);

–Техническая надёжность. Соответствие характеристик серийных партий, сходящих с конвейера. Контрольные испытания выборки из партии могут выявить, что среднее время работы составляет, например, 17,5 часов из-за разброса ёмкости аккумуляторов или различий в качестве пайки плат;

–Эксплуатационная надёжность. Реальные показатели, которые получает пользователь. В условиях квартиры с железобетонными стенами дальность действия RS 175 снижается с 100 м до 20-30 м, а время работы сокращается из-за естественного старения батарей или эксплуатации при низких температурах. Это значение всегда ниже первых двух из-за воздействия окружающих факторов.

17