ТОПИН.Лекции, задания / ТОППиН_часть1 / глава 1234

Постепенный (износовый) отказ – отказ, возникающий в результате постепенного изменения значений одного или нескольких параметров объекта. Отказ наступает при выходе параметра за границу поля допуска. Такие отказы приводят к ухудшению качества функционирования объекта и устраняются они путем ремонта или регулировки.

Постепенные отказы обусловлены постепенной потерей элементом или модулем функциональных свойств за счет износа или старения. Из статистических данных известно, что разброс параметров схемных элементов в конце срока службы ЭА обычно в несколько раз превышает разброс в начале ее эксплуатации.

Постепенный отказ может быть связан с изменением как функциональных, так и прочностных параметров физических элементов. Постепенные отказы технических средств дискретного действия имеют обычно ту особенность, что им предшествуют сбои, интенсивность которых непрерывно возрастает и, в конце концов, они переходят в устойчивый отказ.

1.2 Классификация отказов

Отказы классифицируются следующим образом.

1.2.1. По характеру возникновения: внезапный, постепенный

и перемежающийся

На рис. 1.1 показаны внезапный, постепенный и перемежающийся (временный) отказы. q – параметр изделия, и – нижняя и верхняя границы поля допуска на параметр изделия. tв – момент наступления внезапного отказа. tпер – момент наступления перемежающегося отказа. tп – момент наступления постепенного отказа (выход за границу поля допуска).

Рис. 1.1

Перемежающийся отказ – многократно возникающий самоустраняющийся отказ одного и того же характера.

11

1.2.2. По взаимосвязи отказов между собой: независимый (или первичный)

и зависимый (или вторичный)

Первичный отказ, например электрорадиоэлемента, происходит случайно, независимо от того произошли или нет отказы других элементов. Вторичный отказ (зависимый) какого-либо элемента происходит после первичного отказа другого элемента. В идеале схемы должны строиться так, чтобы не было вторичных отказов, которые приводят к увеличению объема ремонта изделия.

1.2.3. По наличию внешних признаков: явный (очевидный) и скрытый (неявный)

Явный отказ – отказ, обнаруживаемый визуально или штатными методами и средствами контроля и диагностирования при подготовке объекта к применению или в процессе его применения по назначению.

Скрытый отказ – отказ, не обнаруживаемый визуально или штатными методами и средствами контроля и диагностирования, но выявленный при проведении технического обслуживания или специальными методами диагностики.

У очевидного отказа присутствуют явные признаки (нет звука, нет изображения на экране и т.п.). Для скрытого отказа такие признаки отсутствуют.

1.2.4. По объему: полный (авария) и частичный

При полном отказе невозможно использовать изделие по назначению до устранения отказа. При частичном отказе происходит ухудшение какого-либо одного показателя, что в некоторых случаях позволяет использовать изделие по назначению до устранения причины отказа.

1.2.5. По длительности действия: окончательный (устойчивый),

сбой и перемежающийся (временный)

При окончательном отказе какой-либо из параметров изделия (или все) лежит вне допустимых пределов до тех пор, пока не будет устранен отказ.

Перемежающийся отказ возникает в результате временно действующих причин, после окончания действия которых отказ самоустраняется.

1.2.6. По причинам возникновения: конструкционный, производственный, эксплуатационный, деградационный

Конструкционный отказ – отказ, возникающий по причине, связанной с несовершенством или нарушением установленных правил и (или) норм проектирования и конструирования.

Производственный отказ – отказ, возникающий по причине, связанной с несовершенством или нарушением установленного процесса изготовления или ремонта, выполняемом на ремонтном предприятии.

Эксплуатационный отказ – отказ, возникающий по причине, связанной с нарушением установленных правил и (или) условий эксплуатации.

Деградационный отказ – отказ, обусловленный естественными процессами старения, изнашивания, коррозии и усталости при соблюдении всех установленных правил и (или) норм проектирования, изготовления и эксплуатации.

12

1.3 Модели отказов

Одной из важнейших задач, возникающих при изучении надежности, является выбор математических моделей наиболее естественно описывающих функционирование элементов и систем.

Вариации времени безотказной работы порождаются вариациями качества изготовления, условий эксплуатации и процессами старения [5].

При этом могут быть указаны следующие схемы возникновения отказов:

схема мгновенных повреждений;

схема накапливающихся изменений;

схема релаксации;

схема действия нескольких независимых причин.

Схема мгновенных повреждений (внезапных отказов) имеет место в том случае, когда нагрузка превышает некоторый уровень, допустимый для данного элемента. Характерным является то, что отказ элемента наступает независимо от того, сколько времени он до этого находился в эксплуатации.

Схема накапливающихся изменений действует в тех случаях, когда отказ образуется за счет постепенного накопления изменений: старения или износа. При этом выход параметра за допустимые пределы считается отказом (постепенным).

Схема релаксации – это скачкообразное изменение состояния изделия, возникающего вследствие накопления повреждений. Например, отказ резервированной системы из-за отказа резервных элементов и возрастания нагрузки на рабочие элементы.

Схема действия нескольких независимых причин является в практике наиболее типичной, так как действует одновременно несколько факторов. Так отказ транзистора возможен по причине случайной «пиковой» нагрузки в совокупности с постепенным старением.

К каждой из указанных схем применяются те или иные законы распределения времени безотказной работы, которые приведены на рис. 1.2 и в таблице

1.1.

Приведенные распределения могут иметь сдвиг по оси времени, т.е. начинаться не от начала координат. В таком случае вместо времени t следует брать t – b, где b – сдвиг на оси абсцисс. Это не распространяется на логарифмическинормальное и усеченное нормальное распределения.

Кроме того, все рассматриваемые в литературе распределения имеют, как правило, правостороннюю асимметрию, т.е. левый склон кривой распределения более крутой, чем правый. Однако на практике часто имеет место левосторонняя асимметрия. В этих случаях можно пользоваться известным асимметричным распределением, развернутым на 180о, т.е. с так называемым обращенным аргументом [64].

13

Таблица 1.1. Основные соотношения для показателей надежности при различных законах распределения времени до отказа

14

15

Значения числовых характеристик (параметров) распределений находятся, как правило, экспериментально методом моментов или максимального правдоподобия. При этом следует иметь в виду, что эти значения сильно зависят от типа предполагаемого распределения времени наработки до отказа. При различных предположениях о виде наработки до отказа значения средней наработки до отказа, вычисленные по одним и тем же опытным данным могут отличаться в сотни раз [37; 66]. Расчеты показателей надежности для различных распределений следует проводить по [65].

Нормальное распределение обычно используется для описания износовых отказов. Но как отмечается в [37] при отказах элементов за счет старения распределение наработки до отказа будет далеко не всегда нормальным.

Нормальное распределение является двухпараметрическим: Т – математическое ожидание (среднее время работы) и σ – среднее квадратическое отклонение времени безотказной работы.

При Т σ частью кривой распределения при t 0 можно пренебречь и перейти к усеченному нормальному распределению.

Обычно нормальный закон можно использовать (и при том с неплохой точностью), если плотность распределения f(t) имеет одновершинный симметричный вид и σ Т [37].

Усеченное нормальное распределение используется в связи с тем, что нормальное распределение лежит в пределах –∞, +∞, а наработка до отказа может быть только положительной, т.е. усечение на интервале 0, +∞. Усеченное нормальное распределение наблюдается при постепенных отказах электрических и механических элементов, и широко используется для анализа сложных систем с учетом ухода параметров элементов за пределы поля допуска.

Логарифмически-нормальное распределение не рекомендуется использо-

вать для описания распределения времени безотказной работы, но оно хорошо подходит для описания распределения времени восстановления [68].

Логарифмически-нормальное распределение используется при исследовании надежности полупроводниковых приборов. Этим распределением довольно удачно аппроксимируются результаты ускоренных испытаний некоторых видов изделий. Оно также используется для описания износовых отказов.

Распределение Релея может применяться также для аппаратуры, имеющей элементы с выраженным эффектом старения. В законе Релея σ1, является параметром распределения, а не средним квадратическим отклонением.

Гамма-распределение может явиться характеристикой времени возникновения отказов сложных электромеханических систем, если имеют место мгновенные отказы элементов на начальной стадии эксплуатации или в процессе отработки системы, т.е. гамма-распределение является удобной характеристикой времени возникновения отказов аппаратуры в течение времени ее приработки.

Гамма-распределение с параметрами о и k получается в результате композиции k независимых случайных величин, имеющих одинаковое экспоненциальное распределение с параметром . В данном случае k – целое число отказов. Например, если изделие состоит из одного рабочего элемента и п резервных (резерв ненагруженный) и если каждый резервный элемент включается по-

17

сле отказа предыдущего, и все они имеют одинаковое экспоненциальное распределение с параметром , то наработка такого изделия до отказа будет иметь гамма-распределение с параметрами о и k = п + 1.

Параметр k характеризует асимметрию и эксцесс гамма-распределения. При k = 1 гамма-распределение обращается в экспоненциальное распределение. Гамма-распределение при целом k иногда называют распределением Эрланга.

Случайное время восстановления равно сумме двух случайных величин: времени обнаружения неисправности и времени ее устранения. При приблизительной одинаковости их экспоненциальных распределений суммарное время восстановления будет подчиняться гамма-распределению с k = 2.

Экспоненциальное распределение (или показательное) наработки до отказа применяется чаще других. Особенно для сложных систем, в которых содержится большое количество элементов с разными распределениями наработки до отказа или если эти элементы восстанавливаются.

Экспоненциальное распределение используется для характеристики систем на основном участке их работы при внезапных отказах.

Как отмечается в [63], длительность периода нормальной эксплуатации системы до наступления старения может оказаться существенно меньшей, чем среднее время работы до отказа, вычисленное для модели экспоненциального распределения.

Важное свойство экспоненциального распределения состоит в том, что если изделие, подчиняющееся этому распределению, проработало без отказов до какого-то момента времени, то дальнейшее распределение времени безотказной работы изделия будет таким же, как и в момент его первого включения. Это свойство характерно только для экспоненциального распределения, другие распределения им не обладают. Указанное свойство экспоненциального распределения не выполняется, если на систему воздействуют факторы, влияющие на длительность ее дальнейшей безотказной работы.

Экспоненциальное распределение используется для описания процессов, не имеющих последействия (марковские процессы).

Экспоненциальное распределение является однопараметрическим распре-

среднеквадратическое отклонение времени возникновения отказа (t) To 1 ,

т.е. они равны (t) (t) . Поэтому, если после обработки статистических данных испытаний или эксплуатации для определения (t) и (t) , они получают-

ся не равными друг другу, то это означает, что экспоненциальный закон для наблюдаемого процесса несправедлив.

Экспоненциальное распределение используется также при расчетах восстановления изделия.

Распределение Вейбулла используется на всех этапах «жизни» электронной аппаратуры, благодаря своей универсальности [36]:

при k = 1 распределение превращается в экспоненциальное;

18

при k = 2 функция (t) – линейная и распределение Вейбулла превращается в распределение Релея;

при k = 3,3 (k 1) распределение Вейбулла близко к нормальному. Это распределение может использоваться наряду с гамма-распределением,

для характеристики надежности аппаратуры в течение времени ее приработки. Оно может использоваться в период нормальной эксплуатации, а также для описания «стареющих» элементов.

Распределение Вейбулла используется для описания надежности некоторых механических изделий и, в частности, шарикоподшипников.

Распределение Вейбулла является двухпараметрическим распределением: параметры о и k. Параметр о определяет масштаб по оси абсцисс: при его изменении кривая распределения растягивается или сжимается. Параметр k определяет асимметрию и эксцесс распределения. Из-за наличия двух параметров это распределение широко применяется при оценке надежности изделий: подбирая параметры добиваются соответствия теоретического распределения опытным данным.

Этому закону достаточно хорошо подчиняется распределение отказов в изделиях, содержащих большой количество однотипных неремонтируемых элементов (электровакуумные приборы, полупроводниковые приборы, микромодули и др.).

Выбор закона распределения при оценке надежности может осуществляться двояко:

по статистическим данным, полученным из испытаний или эксплуатации;

на основе изучения физических процессов, вызывающих отказы. Необходимо отметить, что несимметричные функции распределения (гам-

ма-, Вейбулла, лого-нормальная) трудно различимы при наблюдениях за моментами отказов. Поэтому для выбора нужной функции распределения следует учитывать физику отказов.

Используются также композиции распределений, например экспоненциального и нормального распределений или экспоненциального и гаммараспределения для описания надежности изделий, в которых имеют место отказы элементов, работающих как на участке основной работы, так и на участке старения (схема действия нескольких независимых причин).

1.4 Факторы, влияющие на надежность

ЭА является системой, находящейся под воздействием внешней (или окружающей) среды. Под окружающей средой обычно понимается совокупность всех условий, в которых протекает производство, эксплуатация, хранение и транспортировка изделий. В этих условиях имеют место многочисленные факторы, которые оказывают воздействия на ЭА и тем самым влияют на ее надежность. Они классифицируются в соответствии с этапами «жизни» аппаратуры: эксплуатационные, конструкционные и производственные, рис. 1.3 [6].

19