125

2. Надежность объекта

Основной целью технической диагностики является поддержание установленного уровня надежности объекта, поэтому изучение начнем с рассмотрения основных понятий и определений теории надежности.

2.1. Основные понятия и определения теории надежности

Надежность  свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования. Под объектом здесь и далее понимается (если не оговорено специально) предмет определенного целевого назначения, рассматриваемый в периоды проектирования, производства, эксплуатации, исследований и испытаний на надежность. Объектами могут быть изделия, системы и их элементы, в частности, сооружения, установки, устройства, машины, аппараты, приборы и их части, агрегаты и отдельные детали.

Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость или определенные сочетания этих свойств. В технической диагностике из перечисленных составляющих надежности на первый план выдвигаются, как правило, два свойства  безотказность и ремонтопригодность объекта.

Безотказность  свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или наработки.

Ремонтопригодность  свойство объекта, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонта.

Для определения надежности и ее составляющих необходимо знать техническое состояние объекта  это такое состояние, которое характеризуется в определенный момент времени, при определенных условиях внешней среды значениями параметров, установленных технической документацией на объект. К факторам, под воздействием которых изменяется техническое состояние объекта, относятся следующие:

• действие климатических условий;

• старение материалов объекта с течением времени;

• операции регулировки и настройки в ходе изготовления или ремонта;

• замена отказавших элементов, узлов или блоков объекта.

Об изменении технического состояния объекта судят по значениям диагностических (контролируемых) параметров, позволяющих определить это состояние объекта без его разборки. В теории надежности рассматриваются следующие виды технического состояния: исправное, неисправное, работоспособное, неработоспособное и предельное.

Исправное состояние (исправность)  состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям технической документации.

Неисправное состояние (неисправность)  состояние объекта, при котором он не соответствует хотя бы одному из требований технической документации (примеры: нарушение лакокрасочного покрытия, выход значений параметров за пределы допуска, нарушение признаков нормального функционирования объекта и т. д).

Работоспособное состояние (работоспособность)  состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям технической документации. Работоспособное состояние характеризуется совокупностью определенных признаков, таких как нахождение значений заданных параметров объекта в пределах допусков, установленных для этих параметров, рядом качественных признаков, определяющих его нормальное функционирование. В отличие от исправного объекта работоспособный должен удовлетворять лишь тем требованиям технической документации, выполнение которых обеспечивает его нормальное применение по назначению. Работоспособный объект может быть неисправным  например, не удовлетворять эстетическим требованиям, если ухудшение внешнего вида объекта не препятствует его применению по назначению.

Неработоспособное состояние (неработоспособность)  состояние объекта, при котором значение хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям технической документации.

Предельное состояние  состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна, либо восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно.

Переход объекта из одного состояния в другое происходит вследствие возникновения в нем дефектов. Дефект – это каждое отдельное несоответствие объекта установленным требованиям. В зависимости от последствий дефекты подразделяются на повреждения и отказы.

Повреждение  событие, заключающееся в нарушении исправного состояния объекта при сохранении работоспособного состояния. К повреждениям относят отклонения во внешнем виде объекта от требований технической документации, нарушения в органах включения, настройки и регулировки, а также некоторые механические повреждения, не препятствующие применению объекта по назначению, но создающие неудобства обслуживающему персоналу и приводящие в будущем к отказу объекта.

Повреждением является, например, нарушение лакокрасочного покрытия, вызывающее переход объекта из исправного состояния в неисправное при сохранении его работоспособности.

Отказ  событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта. Признаками возникновения отказа являются недопустимые изменения признаков работоспособного состояния объекта (выход значений параметров за пределы допуска, нарушение признаков нормального функционирования). Для неремонтируемого объекта возникновение отказа ведет в конечном итоге к его переходу в предельное состояние и снятию с эксплуатации. Для ремонтируемого объекта последствия отказа устраняются восстановлением и ремонтом.

По типу отказы подразделяются на:

• отказы функционирования, при которых прекращается выполнение объектом основных функций;

• отказы параметрические, при которых параметры объекта изменяются в недопустимых пределах (например, потеря точности измерения напряжения вольтметром).

По своей природе отказы могут быть:

• случайные, обусловленные непредусмотренными перегрузками, дефектами материала, ошибками персонала, сбоями системы управления и т.п.;

• систематические, обусловленные закономерными явлениями, вызывающими постепенное накопление повреждений: усталость, старение и т.п.

Основными признаками классификации отказов являются:

• характер возникновения;

• причина возникновения; последствия отказов;

• дальнейшее использование объекта;

• легкость обнаружения;

• время возникновения.

По характеру возникновения отказы могут быть внезапные, постепенные и перемежающиеся. Внезапный отказ – это отказ, проявляющийся в резком (мгновенном) изменении характеристик объекта. Постепенный отказ – отказ, происходящий в результате медленного, постепенного ухудшения характеристик объекта из-за износа и старения материалов. Внезапные отказы обычно проявляются в виде механических повреждений элементов (поломки, пробои изоляции, обрывы и т.п.) и не сопровождаются предварительными видимыми признаками их приближения. Внезапный отказ характеризуется независимостью момента наступления от времени предыдущей работы. Перемежающимся называется самоустраняющийся отказ (возникающий / исчезающий, например, сбой компьютера).

По причине возникновения отказы могут быть конструкционные, производственные и эксплуатационные. Конструкционный отказ появляется в результате недостатков и неудачной конструкции объекта. Производственный отказ связан с ошибками при изготовлении объекта по причине несовершенства или нарушения технологии. Эксплуатационный отказ вызывается нарушением правил эксплуатации объекта.

По признаку дальнейшего использования объекта отказы могут быть полные и частичные. Полный отказ исключает возможность работы объекта до его устранения. При возникновении частичного отказа объект может частично использоваться.

По признаку легкости обнаружения отказы бывают очевидные (явные) и скрытые (неявные).

По времени возникновения отказы подразделяются на приработочные, возникающие в начальный период эксплуатации, отказы при нормальной эксплуатации, износовые отказы, вызванные необратимыми процессами износа деталей, старения материалов и т.п.

Отключение – перевод объекта из рабочего в нерабочее состояние.

Преднамеренное отключение – отключение , намеченное и выполненное обслуживающим персоналом.

Восстановление – событие, заключающееся в переходе из неработоспособного состояния в работоспособное.

Включение – перевод объекта из нерабочего состояния в работоспособное.

Старение – процесс постепенного изменения физико-химических свойств объекта, вызываемый действием факторов, независимых от режима работы объекта.

Износ – процесс постепенного изменения физико-химических свойств объекта, вызываемый действием зависящих от режима работы объекта факторов.

Обслуживание – совокупность мер, предпринимаемых для сохранения или восстановления исправности объекта.

Ремонт – совокупность мер, предпринимаемых для восстановления работоспособности объекта.

Оперативные отключения – изменения схемы или режима работы объекта, выполняемые обслуживающим персоналом.

Схема перехода объекта из одного состояния в другое представлена на рис. 2.1.

Ряд важных свойств объекта характеризуют выходные параметры, называемые пороговыми (например, максимальная нагрузка, при которой сохраняется работоспособность изделия, максимально допустимая температура, минимально различимая амплитуда сигнала и др.). Под пороговыми выходными данными подразумеваются граничные значения внешних параметров, при которых еще выполняется тот или иной оговоренный признак правильности функционирования объекта.

Требования к выходным параметрам, как правило, задаются в техническом задании (ТЗ). Величины, характеризующие эти требования, называются техническими требованиями (ТТ). Они удовлетворяются за счет изменения управляемых параметров Х.

В процессе проектирования представляют интерес только те значения управляемых параметров Х, которые принадлежат множеству D, образованному пересечением множеств D_x и D_g :

, (2.1)

. (2.2)

Выражения (2.1)…(2.2) означают, что множество D состоит из всех тех векторов x=(x₁, x₂,…, x_n), для которых одновременно выполняются системы неравенств

, (2.3)

. (2.4)

Множество D называется допустимой областью изменения управляемых параметров Х. Любой вектор х, принадлежащий допустимой области D, определяет работоспособный (в смысле удовлетворения техническим требованиям) вариант проектируемого устройства. Иными словами, соотношения между выходными параметрами и техническими требованиями называют условиями работоспособности.

По своей структуре допустимая область D может оказаться выпуклым или невыпуклым множеством, которое, в свою очередь, может быть односвязной или многосвязной областью.

Допустимая область D называется многосвязной, если она состоит из нескольких отдельных частей (выпуклых или невыпуклых), которые не связаны между собой. В противном случае допустимая область D называется односвязной. На рис. 2.2 приведены примеры односвязной D и многосвязной D₁ и D₂ областей.

Для односвязной области:

.

Для многосвязной области , состоящей из двух частейD₁ и D₂

Пример 2.1. Техническое задание на разработку принципиальной схемы электронного усилителя. Коэффициент усиления K₀ на средних частотах должен быть не менее 10⁴; входное сопротивление R_вх на средних частотах – не менее 1 МОм; выходное сопротивление R_вых – не более 200 Ом; верхняя граничная частота f_в не менее 100 кГц; температурный дрейф нуля U_др – не более 50 мкВ/град; усилитель должен нормально функционировать в диапазоне температур от 50^о до +60^о С; напряжения источников питания +5 и 5 В; предельные отклонения напряжения источников питания должны быть не более ±0,5%, усилитель эксплуатируется в стационарной установке.

В данном случае выходными параметрами являются коэффициент усиления, входное и выходное сопротивления, граничная частота, температурный дрейф, т.е. Y =.

К внешним параметрам относятся температура окружающей среды и напряжения источников питания.

Внутренние параметры в техническом задании не упоминаются, их перечень и смысл выявляются после синтеза структуры схемы. К внутренним относятся параметры резисторов, конденсаторов, транзисторов (параметры элементов схемы).

Обозначим вектор технических требований через ТТ, т.е. ТТ = (10⁴, 1 МОм, 200 Ом, 100 кГц, 50 мкВ/град).

В рассмотренном примере условия работоспособности имеют вид следующих неравенств: K₀ ≥ 10⁴, R_вх ≥ 1 МОм, R_вых ≤ 0,2 кОм, f_в ≥ 100 кГц, U_др ≤ 50 мкВ/град.