Содержание

надежность радиоэлектронное устройство

Введение 2

1. Основные понятия теории надежности 3

2. резервы повышения надежности элементов и возможности их реализации 20

3 Расчет надежности типового устройства 27

Заключение 35

Введение

Надежность есть свойство изделия безотказно (исправно) работать в течение заданного времени в определенных эксплуатационных условиях.

Высокая надежность технических изделий достигается на стадии их проектирования и реализуется в процессе производства, хранения и эксплуатации изделий. Недостаточно получить хорошие конструкторские решения, обеспечивающие высокую запроектированную надежность комплектующих элементов РЭА, необходима эффективная их реализация на практике, которую достигают на основе согласованных научных, инженерно-конструкторских и организационных мероприятий.

Эксплуатационные показатели надежности элементов, под которыми будем понимать показатели надежности, определяемые при эксплуатации их в составе конкретной РЭА, могут существенно отличаться от показателей, определяемых при испытаниях элементов в соответствии с заданными техническими условиями. Понятия «надежные» и «ненадежные элементы» весьма относительны. Элементы, надежные в одних условиях и режимах, могут оказаться ненадежными в других. Надежность, подобно любому физическому свойству, проявляется всегда конкретно во времени и неразрывно связана с условиями внешней среды и режимом работы элемента. Поэтому обеспечение высоких эксплуатационных показателей надежности элементов является комплексной проблемой, успешное решение которой возможно посредством реализации научно обоснованных программ взаимоувязанных мероприятий как в области проектирования и производства самих элементов, так и в области проектирования, производства и эксплуатации РЭА.

1. Основные понятия теории надежности

Теория надежности опирается на совокупность различных понятий, определений, терминов и показателей, которые строго регламентируются государственными стандартами (ГОСТ). Все термины и определения даются применительно к техническим изделиям, под которыми понимаются объекты определенного целевого назначения, рассматриваемые в периоды проектирования, производства, эксплуатации и испытания на надежность.

С точки зрения теории надежности любое изделие можно характеризовать его свойствами, техническим состоянием и приспособленностью к восстановлению исправности (рисунок 1.1).

Важнейшим комплексным свойством изделия является его надежность.

Надежностью называют свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, хранения и транспортирования. Надежность включает в себя следующие свойства: безотказность, долговечность, сохраняемость и ремонтопригодность.

Рисунок 1.1

Безотказность - свойство изделия непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки. Свойство изделия сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов называется долговечностью.

Сохраняемостью называется свойство изделия непрерывно сохранять исправное и работоспособное состояние в течение и после хранения и транспортирования. Сохраняемость характеризуется способностью изделия противостоять отрицательному влиянию условий хранения и транспортирования на его безотказность и долговечность. Продолжительное хранение и транспортирование изделий могут снизить их надежность при последующей работе по сравнению с изделиями, которые не подвергаются транспортированию и хранению.

Ремонтопригодностью называется свойство изделия, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений и устранению их последствий путем проведения ремонтов и технического обслуживания. Данное свойство является очень важным, так как оно характеризует степень стандартизации и унификации элементов в РЭА, удобство их размещения с точки зрения доступности для контроля и ремонта, приспособленность к регулировочным операциям и т. д.

Техническое состояние изделия в данный момент времени характеризуется исправностью или неисправностью, работоспособностью или неработоспособностью, а также предельным состоянием.

Исправным состоянием (исправностью) изделия называется такое его состояние, при котором оно соответствует всем требованиям, установленным нормативно-технической документацией. Если изделие не соответствует хотя бы одному из этих требований, то оно находится в неисправном состоянии. Если изделие находится в состоянии, при котором оно способно выполнять заданные функции, сохраняя значения заданных параметров в пределах, установленных нормативно-технической документацией, то оно находится в работоспособном состоянии.

Неработоспособным состоянием изделия называется такое его состояние, при котором значение хотя бы одного заданного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям, установленным нормативно-технической документацией.

Понятие исправности шире понятия работоспособности. Неисправное изделие может быть работоспособным и неработоспособным - все зависит от того, какому требованию нормативно-технической документации не удовлетворяет данное изделие. Так, например, если погнут кожух или шасси, нарушено их лакокрасочное покрытие, повреждена изоляция проводников, однако параметры аппаратуры находятся в пределах нормы, то изделие считается неисправным, но в то же время работоспособным. Исправное изделие всегда работоспособно.

При длительной эксплуатации изделие может достигнуть предельного состояния, при котором его дальнейшая эксплуатация должна быть прекращена из-за неустранимого нарушения требований безопасности, или ухода заданных параметров за установленные пределы, или неустранимого снижения эффективности эксплуатации ниже допустимой, или необходимости проведения среднего или капитального ремонта.

Исходя из возможности дальнейшего использования после отказа и приспособленности к восстановлению все изделия можно подразделить на ремонтируемые и неремонтируемые, восстанавливаемые и невосстанавливаемые.

Восстанавливаемым называется изделие, работоспособность которого в случае возникновения отказа подлежит восстановлению в рассматриваемой ситуации. Если же в рассматриваемой ситуации восстановление работоспособности данного изделия при его отказе по каким-либо причинам признается нецелесообразным или неосуществимым, то изделие называется невосстанавливаемым.

Ремонтируемым изделием называется изделие, исправность и работоспособность которого в случае возникновения отказа или повреждения подлежат восстановлению. В противном случае изделие называется неремонтируемым.

Неремонтируемое изделие всегда является и невосстанавливаемым (например, резистор, конденсатор, полупроводниковый прибор и т. д). В то же время ремонтируемое изделие может быть как восстанавливаемым, так и невосстанавливаемым - все зависит от существующей системы технического обслуживания и ремонта, конкретной ситуации в момент отказа. Например, в условиях эксплуатации телевизоров отказавший кинескоп является изделием невосстанавливаемым, но на ремонтном заводе - уже восстанавливаемым, отказавший силовой трансформатор может оказаться в руках радиолюбителя восстанавливаемым изделием, если отсутствует запасной трансформатор.

Другими важными понятиями в теории надежности и практике эксплуатации РЭА являются повреждение и отказ.

Повреждением называется событие, заключающееся в нарушении исправности изделия или его составных частей из-за влияния внешних условий, превышающих уровни, установленные в нормативно-технической документации на изделие.

Отказ - это событие, заключающееся в нарушении работоспособности изделия. Повреждение может быть существенным и явиться причиной отказа и несущественным, при котором работоспособность объекта сохраняется.

В качестве показателей безотказности невосстанавливаемых элементов применяют следующие количественные характеристики: вероятность отказа, вероятность безотказной работы, интенсивности отказов и средняя наработка до отказа.

Для статистического определения этих показателей ставят на испытания N(0) однотипных исправных элементов при одинаковых электрических нагрузках и одинаковых условиях воздействия внешней среды, определяемых техническими условиями испытаний. В процессе испытаний один элемент откажет через интервал , другой - через,i-й элемент — через интервал и т. д. Отказавшие элементы не заменяются исправными. Значенияслучайной величины наработки до отказа фиксируются документально. При обработке результатов испытаний время их проведения разбивают на одинаковые интервалы.

Для каждого k-го интервала определяют:- число отказавших элементов в k-м интервале,- число исправных элементов, оставшихся к началу рассматриваемого k-го интервала, т. е. к моментугде k=1, 2, 3, ...; n(t_k) - число отказавших элементов за время .

Показатели безотказности элементов определяются по приводимым ниже формулам.

Вероятность отказа элементов за время

. (1.1)

Вероятность безотказной работы элементов за время

. (1.2)

Интенсивность отказов элементов в момент

1/ч. (1.3)

По полученным значениям показателей строятся экспериментальные графики функций .

Если для каждого i-го элемента в процессе испытаний зафиксирована наработка до отказа, то средняя наработка до отказа определяется по формуле

. (1.4)

Вероятность отказа элемента есть вероятность того, что в пределах заданной наработки t возникнет отказ элемента, а вероятностьбезотказной работы - вероятность того, что за время t отказа элемента не произойдет. В теории вероятностей показывается, что статистическое значение вероятности при достаточно большом числе событий (опытов) можно принять за приближенное значение вероятности. Поэтому точность определения статистическим путем значенийитем выше, чем больше числоиспытываемых элементов.

Вероятность безотказной работы может характеризовать как множество элементов, так и один элемент из данного множества. Применительно к совокупностиэлементов, физический смысл вероятности безотказной работы сводится к ожидаемому числуэлементов, которые могут безотказно проработать в течение времени t. Чем больше, тем точнее количество не отказавших на практике элементов совпадает с ожидаемым значением. Применительно к одному элементу величинаопределяет факт наличия 100шансов из 100 возможных того, что элемент не откажет за время t. Смысл вероятностиотказа заключается в ожидаемом числеэлементов, которые могут отказать за время t. По отношению к одному элементуозначает наличие 100шансов из 100 возможных, что он откажет за время t.

Поскольку за время наработки t каждый элемент либо откажет, либо нет, то справедливо равенство

, (1.5)

что также следует из выражений (1.1) и (1.2), поскольку

.

Число отказавших элементов с увеличениемувеличивается и приближается к, а число исправных элементовуменьшается и стремится к нулю. На некоторых интервалахзначенияимогут не изменяться, если отказов элементов не происходит. В некоторый момент, когда откажет последний изэлементов,и. Поэтому, как это следует из (1.1) и (1.2), функциядля любых законов распределения времени безотказной работы является невозрастающей функцией времени, т. е. она либо убывает, либо на отдельных участках может оставаться постоянной. При увеличении t от 0 дозначениеизменяется отдо. Функция же- всегда неубывающая функция времени и при увеличении времени от 0 довозрастает от нуля до единицы (рисунок 1.2б).

Рисунок 1.2

Из формулы (1.3) видно, что интенсивность отказов представляет собой отношение числа отказавших элементов за единицу времени к числу исправныхэлементов к моменту времени t. Величинуизмеряют относительным числом отказов в час, т. е. размерность этого показателя безотказности принимают равной 1/ч. В зависимости от закона распределения случайной величины наработки до отказа характер изменения функцииможет быть различным. Поскольку интенсивность отказов является локальной характеристикой безотказности, то она показывает, каким образом изменяется безотказность данного элемента во времени.

Зависимость интенсивности отказов от времени имеет для многих типов элементов (например, резисторов, конденсаторов, транзисторов) три характерных участка (рисунок 1.2в). Первый участок соответствует периодуприработки во время которой после начала работы всехэлементов проявляются наиболее грубые скрытые производственные дефекты, приводящие к внезапным отказам некоторых элементов. Их называют отказами периода приработки.

Период соответствующий наименьшему и практически постоянному значению интенсивности отказов, называют периодом нормальной эксплуатации элементов. В этот период эксплуатации внезапные отказы возникают вследствие несовершенства конструкции, производственных дефектов и эксплуатационных перегрузок.

Третий участок соответствует периоду увеличения, когда начинают проявляться последствия процесса старения и износа материалов и элементов в целом: количество внезапных отказов увеличивается. Этот период называется периодом старения, он предшествует предельному состоянию элементов.

В период старения за счет увеличения числа отказов в единицу времени скорость изменения функций иувеличивается (рисунок 1.2в).

Если на производстве хорошо поставлен технологический процесс и проводится отбраковка элементов со скрытыми производственными дефектами, то период приработки может отсутствовать. Для таких элементов, как полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы, интенсивность внезапных отказов остается постоянной в течение длительного времени их работы. Процессы старения в таких элементах характеризуются увеличением интенсивности постепенных отказов, обусловленных необратимыми изменениями параметров.

Рассмотрим теперь проявление только постепенных отказов, когда изменяющиеся во времени параметры Х различных однотипных элементов, работающих в одинаковых условиях, пересекут, например, нижнюю границу поля допуска в моментыи т. д. В эти моменты фиксируются постепенные отказы (рисунок 1.3,а). Для постепенных отказов показатели безотказности определяются статистически таким же образом, как и для внезапных отказов, и рассчитываются по формулам (1.1) - (1.4). Очевидно, что до момента появления первого отказаи(рисунок 1.3,б). С появлением постепенных отказов значениеуменьшается, aрастет. Из рисунка 1.3 видно, что изменение поля допуска влияет на ход функцийи. Например, уменьшениедоувеличиваетна,наи т. д., что вызывает сдвиг функций вправо. Таким образом, показатели безотказной работы зависят от положения границ поля допуска. Значение же поля допуска для элементов устанавливается не только техническими условиями, но и условиями их применения в конкретных схемах. Поэтому показатели безотказной работы в отношении постепенных отказов могут быть определены для заданного поля допуска либо их необходимо определять как функцию не только времени, но и ширины поля допуска.

Рисунок 1.3

В реальных условиях эксплуатации необходимо учитывать как внезапные, так и постепенные отказы элементов (рисунок 1.4, а). Характер изменения функций идля этого случая представлен на рисунке1.4б. С появлением постепенных отказовначинает быстро уменьшаться, авозрастать.

Для периода нормальной эксплуатации элементов, когда можно принять показатели безотказности можно вычислять по формулам:

; (1.6)

; (1.7)

, (1.8)

где е — основание натуральных логарифмов.

Из выражений (1.6)—(1.8) видно, что чем меньше , тем большеии меньше, т. е. выше безотказность элементов.

Закон безотказности при называется экспоненциальным. Он характеризуется тем, что вероятностьбезотказной работы элемента на любом интервалене зависит от времениt предшествующей его работы, а зависит только от интервала . В теории надежности показано, что вероятностьбезотказной работы элемента с моментадоопределяется отношением

.

Так, например, для =10 ч вероятность безотказной работы элемента будет одинакова при работе от 0 до 10 ч или от 990 до 1000 ч, если в обоих случаяхи одинакова.

Рисунок 1.4

Если элемент проработает время то в соответствии с (1.6) и (1.8) вероятность его безотказной работы равна. Это означает, что, например, из 1000 однотипных элементов, работающих в одинаковых условиях, за времямогут отказать приблизительно 630 элементов и только 370 окажутся работоспособными. Отсюда следует, что при конструировании РЭА необходимо выбирать элементы, средняя наработкадо отказа которых намного больше необходимой (заданной). Это один из путей обеспечения требуемой безотказности аппаратуры.

Интенсивность отказов является удобным показателем, так как для основного периода эксплуатации элементов при их безотказность оценивается просто числом, а остальные показатели безотказности определяются по (1.6) - (1.8) для любого периода времени. Например, если для элементов1/ч и время работыt=1000 ч, то получим:;;ч.

Показателями долговечности элементов являются технический ресурс и срок службы. Техническим ресурсом элемента называется его наработка от начала эксплуатации до наступления предельного состояния, а сроком службы - календарная продолжительность эксплуатации от ее начала до наступления предельного состояния.

Для характеристики долговечности применяют такие показатели, как средний ресурс и средний срок службы элементов, определяемые математическим ожиданием ресурса и срока службы.

Следует отметить, что показатели надежности являются усредненными характеристиками. Если, например, для элементов определенного типа указана долговечность, то это не означает, что любые элементы этого типа проработают точно данный срок. Долговечность конкретных элементов может быть существенно меньше и больше указанной, т. е. по поводу отдельного элемента нельзя сказать точно, как долго он будет работоспособным. Можно лишь указать вероятность того, что элемент исправно проработает данный срок. Но чем больше элементов данного типа работает в одинаковых условиях, тем ближе их средняя долговечность будет приближаться к указанной.

Наиболее сильное влияние надежность элементов оказывает на надежность РЭА в том случае, когда отказ любого одного элемента приводит к отказу РЭА в целом. Такая ситуация имеет место в РЭА без резервирования. Для этого случая вероятность безотказной работы РЭА, состоящей изN элементов за время t определяется произведением вероятностей безотказной работы элементов

.

Для условий, когда эксплуатационную интенсивность отказов всех элементов можно принять постоянной единичные показатели безотказности РЭА определяются равенствами:

, (1.9)

, (1.10)

где интенсивность отказов РЭА

, (1.11)

а средняя наработка РЭА до отказа

. (1.12)

Из (1.9) - (1.12) видно, что уменьшение эксплуатационной интенсивности отказов элементов повышает безотказность РЭА в целом.