Надежность авиатехники_Конспект лекций

Иначе говоря, элемент можно считать как бы состоящим из двух частей, одна из которых подвержена внезапным отказом, а вторая – износовым. При

Ранее мы получили выражение для функции надежности

Отсюда следует, что интенсивность отказов элементов в случаи временного наличия внезапных и износовых отказов равна сумме интенсивностей внезапных и износовых отказов.

При экспоненциальном (показательном) законе внезапных отказов

λв t λв const,

поэтому в этом случае

λΣ t λв λu t .

На рис.5.1. приведены кривые, характеризующие совместное действие внезапных и износовых отказов. На рис. 5.1. а:

кривая 1 – экспоненциальная функция надежности, учитывающая вероятность внезапных отказов;

кривая 2 – нормальная функция надежности, учитывающая вероятность износовых отказов;

кривая 3 – действительная функция надежности элемента, учитывающая совместное влияние внезапных и износовых отказов и представляющая произведение кривых 1 и 2.

41

Как видно из рисунка, до момента времени t1 , функция надежности сов-

падает с экспоненциальной. Затем начинают преобладать износовые отказы, и кривая 3 опускается вниз.

На рис. 1б показан характер изменения интенсивности отказов элемента при совместном действии внезапных и износовых отказов. Здесь:

кривая 1 – интенсивность внезапных отказов λв t λ const;

кривая 2 – интенсивность износовых отказов λu t , определяемая выражени-

ем (5.17);

кривая 3 – представляющая собой действительную (суммарную) интенсивность отказов элемента λΣ t λв λu t .

+

Рисунок 5.3.

Найдем теперь зависимости, позволяющие решить при совместном действии внезапных и износовых отказов две следующие задачи:

1. Определить вероятности безотказной работы элемента в течение промежутка времени t1 , t2 (т.е. элемент уже проработал время t1 ).

2. Вероятность безотказной работы элемента в течение промежутка времени от момента включения t 0 до t .

Обозначим через A событие, заключающееся в отказе элемента вследствие внезапного отказа, и через B – событие, заключающееся в отказе элемента за счет износового отказа.

42

Лекция 6

Вероятность отказа одновременна по двум причинам практически равна 0, поэтому эти события можно считать несовместными. Отказ элемента (событие C ) будет представлять из себя сумму двух несовместных событий. По

и зависит от того, сколько элемент проработал до момента t1 .

Таким образом, первая задача решена.

Для решения второй задачи определения вероятности безотказной работы

на t 0 .

43

Таким образом вероятность безотказной работы элемента при учете од-

Параметрические отказы. Вероятность безотказной работы при параметрических отказах

При внезапных отказах изделия или элемент приходит полностью в нерабочее состояние и не может работать без ремонта или замены отказавшего элемента.

Существуют отказы, при которых изделие продолжает работать, но параметры его выходят за пределы установленных допусков. Такие отказы называются параметрическими.

Параметрические отказы могут быть временными или постоянными. Временные параметрические отказы могут быть вызваны временными внешними воздействиями, например, изменением напряжения питания, большими перегрузками, изменением температуры, влажности и т.п. при восстановлении первоначальных условий параметры возвращаются в допустимые пределы.

Постоянные параметрические отказы являются обычно следствием износа деталей или изменением структуры материала вследствие старения, т.е. являются износовыми отказами. Рассмотрим, как определяется вероятность безотказной работы при возможности параметрических отказов. Пусть имеется изделие (элемент), у которого связь между выходным y и входным x параметра-

ми (например, между входным и выходным напряжениями усилителя) выражается непрерывной зависимостью y f x . Часть эту зависимости можно аппроксимировать прямой

y kx,

где k – коэффициент пропорциональности (коэффициент передачи).

К такому роду элементам относятся датчики, усилители, исполнительные устройства систем автоматически и т.п. Если подавать на вход некоторое постоянное значение входного параметра, x x1 const.

Вследствие случайных изменений внутренних параметров элемента значение коэффициента пропорциональности k не остается постоянным, а несколько изменяется во времени, становится больше или меньше некоторой величины kср .

44

В связи с этим, выходной параметр также будет изменяться около некоторого среднего значения

чиняется в большинстве случаев нормальному закону распределения.

Обычно требуется, чтобы отклонение выходного параметра изделия или элемента от заданного значения в процессе работы не превышало бы некоторо-

клонениями от номинальных значений, которые принимаются обычно при расчете надежности системы. В результате комбинации отклонений параметров элементов имеется вероятность того, что выходные параметры изделия могут

45

оказаться лежащими за допустимыми пределами уже в первый момент включения системы. Поэтому необходимо бывает при проектировании изделия производить проверочные расчеты для выяснения, укладывается ли выходной параметр системы в заданные пределы при выбранных элементах (допуски, на параметры которых считаем известными). Если оказывается, что не укладывается, то необходимо применять другие элементы с меньшим разбросом параметров.

Условия эксплуатации и виды нагрузок, действующие на элементы и системы

Технические системы и их элементы при эксплуатации находятся под воздействием различного рода внешних и внутренних воздействий, которые называются нагрузками.

По физической природе нагрузки можно разделить на основные классы.

1.Механические нагрузки – вибрации, удары, постоянно действующие ускорения.

2.Климатические нагрузки – температура, влажность, атмосферное давление, пыль, песок.

3.Электрические нагрузки – ток, напряжение, рассеиваемая мощность.

4.Радиоактивные нагрузки – поток нейтронов, гамма-лучей.

Врезультате воздействия механических нагрузок отказы технических систем имеют следующий характер:

а) смещение скользящих и вращающихся деталей и узлов; б) обрыв или разрушение деталей и элементов (например, нитей накала

ламп); в) повреждение или разрушение элементов конструкции и т.п.;

г)короткое замыкание близко расположенных проводников и деталей, несвоевременное замыкание или размыкание, или стук контактов и т.п. Климатические нагрузки зависят от географического места и условий ра-

боты системы (в лаборатории или вне ее). Температура окружающей среды может лежать в пределах в разных условиях от –50 (иногда –700С) до +600С, а влажность от 20 до 100%. Атмосферное давление в зависимости от высоты мо-

100км.

Врезультате воздействий климатических нагрузок отказы технических систем носят следующий характер:

а) изменение значений электрических параметров: сопротивление, емкость, индуктивность и т.д.;

б) изменение изоляции – размягчение или потеря эластичности, растрескивание, уменьшение поверхностного и объемного сопротивлений изоляции вплоть до возникновения короткого замыкания вследствие образования льда или водяной пленки;

в) замыкание или размыкание контактов вследствие температурных деформаций элементов (коробления);

г) короткое замыкание из-за ухудшения изоляционных свойств воздуха с увеличением высоты или в результате повышения влажности;

46

д) потеря смазывающих и других свойств масел и рабочих жидкостей и, следовательно, нарушение работы гидросистем и большой износ подвижных частей или их задание;

е) ухудшение работы резиновых и других изолирующих материалов вследствие их размягчения или отверденения;

ж) изменение прочности конструкционных материалов.

Электрические нагрузки зависят от принципиальной электрической схемы и конструкции системы. Электрическая нагрузка определяет режим работы элемента и обычно характеризуется коэффициентом электрической нагрузки по

отношение действительных значений тока, напряжения и рассеиваемой мощности к их номинальным значениям для рассматриваемого элемента

Характерными отказами систем вследствие воздействия электрических нагрузок являются:

а) обрыв элементов в результате перегорания; б) короткое замыкание в результате пробоя.

Повышение электрической нагрузки (например, по току) характерно для режимов включения и выключения систем, переходных режимов, а также в случае выхода из строя резервных элементов.

Радиоактивные нагрузки могут иметь место в системах, расположенных поблизости от источника радиоактивных излучений. Наибольшее влияние оказывают при этом на элементы электронных схем нейтроны и гамма-лучи.

Влияние условий и режимов работы на интенсивности отказов элементов

Интенсивность отказов элементов обычно изменяются при изменении условий и режимов их работы. Увеличение нагрузок приводит к повышению интенсивности отказов.

Для экспоненциального закона безотказности имеем

Пренебрегая всеми членами кроме первого, будем иметь

Q t λt ,

47

Интенсивность отказов при экспоненциальном законе надежности, таким образом, приближенно, равна вероятности отказа за интервал времени t , разделенной на длину этого интервала.

Интенсивность отказов λ обычно выражается как число отказов на один

на 1000 часов работы (реже на 100 часов).

Большое значение для безотказности многих элементов имеет частота включения и выключения элементов. Рост частоты циклов включения и выключения приводит часто к значительному повышению интенсивности отказов λ . Так, для электронных ламп, например, отношение интенсивности отказов λt

при циклической работе к интенсивности отказов λ0 при непрерывной работе, показано на рис.6.1.

Рисунок 6.1.

Из графика видно, что при частоте в десять циклов (включений) в час интенсивность отказов возрастает в 100 раз. Отсюда следует очень важный вывод:

снижение интенсивности отказов элементов можно добиться, если снизить нагрузки, действующие на элементы, т.е. если обеспечить для элементов облегченный режим работы.

Этим приемом часто пользуются на практике. Интенсивность отказов при этом может быть уменьшена в десятки раз без каких-либо изменений существующих элементов лишь путем постановки в изделие элементов, рассчитанных на большие номинальные токи, напряжение или механические и другие нагрузки, чем это может иметь место в данной системе.

Однако такой способ не всегда возможен, ибо приводит, как правило, к повышению веса, габаритов и стоимости системы.

48

Структурная надежность. Структурные схемы надежности

Всякое (неэлементарное) изделие состоит из частей или элементов, тем или иным образом соединенных между собой и воздействующих друг на друга. Для расчета надежности изделия соответственно необходимо знать характеристики надежности отдельных частей или элементов изделия.

Структурной надежностью изделия (системы) называют результирующую надежность изделия при заданной его структуре, т.е. при известном порядке соединения и известных значения надежности всех входящих в него частей и элементов. В дальнейшем, при рассмотрении структурной надежности, будем считать, что значение надежности всех элементов нам известны.

Схемы, изображающие различные соединения элементов (в смысле надежности) изделия или системы, называют структурными схемами надежности изделия или системы.

Структурные схемы надежности автоматических систем и других изделий составляются следующим образом:

1.элементы изображаются в виде прямоугольников и обозначаются номером или индексом;

2.одна сторона прямоугольника считается входом, другая выходом;

3.элемент считается работающим безотказно, если условный сигнал (воздействие) с входа элемента проходит на выход. (Сигнал через элемент схемы может проходить только в одном направлении);

4.отказ элемента означает невозможность передачи через него условного сигнала. (Иначе говоря, отказ элемента рассматривается как разрыв цепи передачи воздействия);

5.линии на схеме, соединяющие элементы, характеризуются абсолютной безотказностью;

6.путь передачи сигнала воздействия состоит из последовательного соединения линий и элементов.

Втеории надежности соединения элементов различаются в зависимости от того как надежность отдельных элементов влияет на надежность всего соединения. Под словом «соединение» понимается группа или система элементов, соединенных между собой определенным образом. В этом смысле различают три основных (простейших) способа соединений элементов: последовательное, параллельное, параллельно-последовательное.

Последовательное соединение элементов

Последовательным в теории надежности называют такое соединение элементов, при котором отказ одного элемента приводит к отказу всего соединения.

Структурная схема приведена на рис.6.2.

49