Надежность авиатехники_Конспект лекций
.pdf5.Создание схем с ограниченными последствиями отказов элементов;
6.Стандартизация и унификация элементов и узлов;
7.Автоматизация проверок.
Эффективность этих методов состоит в том, что они принципиально позволяют из малонадежных элементов строить надежные системы.
При изготовлении системы, изделия надежность можно повысить путем совершенствования технологии производства, автоматизации производственных процессов, применяя статистический контроль качества продукции, осуществляя тренировку изделия. Все эти методы позволяют уменьшить интенсивность отказов системы. Повысить надежность изделия в процессе эксплуатации чрезвычайно трудно. Это объясняется тем, что надежность системы в основном закладывается при ее проектировании и изготовлении, а при эксплуатации надежность только расходуется. Скорость ее расхода зависит от методов эксплуатации, условий эксплуатации, квалификации обслуживающего персонала.
Задача инженеров – эксплуатационников состоит не в повышении надежности системы, а в том, чтобы как можно дольше сохранить надежность изделия, заложенную в процессе проектирования и изготовления.
Научные методы эксплуатации включают в себя: научно обоснованные способы проведения
1.Профилактических мероприятий;
2.Восстановления (ремонтов).
Сюда в первую очередь относятся частота и глубина проверок, условия хранения, регламентация времени непрерывной работы системы и др.
Эксплуатация оказывает значительное влияние на проектирование и изготовление системы, так как данные об отказах этой системы, полученные при ее эксплуатации, полностью характеризуют ее надежность и поэтому являются часто исходными данными при проектировании.
Техническая эксплуатация изделия может быть уподоблена громадному по объему эксперименту с реальными условиями работы изделия. Поэтому сбор, научная обработка и обобщение статических данных об отказах изделия является важной функцией технической эксплуатации.
а) Резервирование как средство повышения надежности
Анализ различных методов резервирования позволяет сформулировать основные его свойства.
1.Основное положительное свойство резервирования состоит в том, что оно позволяет из малонадежных элементов проектировать надежные системы. Это свойство всякого резервирования выгодно отличает его от остальных методов повышения надежности.
2.Выигрыш надежности по вероятности отказов GQ всегда начинается с нуля (рис.1) и асимптотически стремится к единицы независимо от надежности резервированной системы и ее элементов.
81
Рисунок 1.
При этом скорость роста GQ(t) тем выше, чем менее надежна основная система и чем ниже кратность резервирования.
Выигрыш надежности резервированной системы по сравнению с нерезервированной тем выше, чем меньше время непрерывной работы резервированной системы и чем более надежна система резервируется. Это – основное противоречие всякого резервирования.
3.Выигрыш надежности по интенсивности отказов GQ(t) качественно не отличается от Gλ(t). Поэтому свойства резервированных систем, если их надежность оценивать интенсивностью отказов, будет теми же, что и при оценке
надежности вероятностью отказов. Зависимость Gλ(t)= λp/λ0 имеет тот же вид,
как и GQ(t).
4.Среднее время безотказной работы при резервировании с дробной кратностью и нескользящем резерве может быть меньше, чем среднее время безотказной работы нерезервированной системы. Это имеет место при условии, если число резервных элементов меньше числа основных. С ростом кратности резервирования выигрыш надежности по среднему времени безотказной
работы GT растет, причем скорость роста существенно убывает с ростом кратности резервирования (рис.2).
82
Рисунок 2.
Из сказанного вытекает, что значительное увеличение кратности резервирования, а следовательно и веса, габаритов и стоимости системы приводит к менее значительному увеличению среднего времени безотказной работы.
Это второе основное противоречие всякое резервирования. Оно ограничивает его применение для повышения надежности сложных систем, предназначенных для длительной эксплуатации.
5.С увеличением времени непрерывной работы резервированной системы ее
коэффициент готовности Kг и выигрыш GKг падают. В этом легко убедится, рассмотрев выражения для Kг и GKг резервной системы
|
= |
, |
= |
При |
t=0 =0 и =1, |
=1+ |
|
При t=∞ |
= и |
|
|
|
Кг = |
, |
= |
Зависимости Kг, Gг=f(t) для любого метода резервирования имею вид кривых, приведенных на рис.3.
Рисунок 3.
Выигрыш надежности резервированной системы по коэффициенту готовности для всех значений t превышает единицу только при условии
< |
(1) |
Так как при равных условиях эксплуатации среднее время восстановления резервной системы превышает среднее время восстановления нерезервированной системы, то условие (1) может не выполняться. Это может быть при длительной эксплуатации сложных систем с высокой кратностью резервирования. Действительно, при t→∞ условие (1) можно переписать в виде
< |
(2) |
С ростом кратности резервирования среднее время безотказной работы Тср растет медленнее, чем растет сложность системы. Поэтому среднее время восстановления tвср может увеличиваться в большее число раз, чем среднее время безотказной работы Тср, и неравенство (1) будет нарушено.
83
Лекция 11
Таким образом, резервирование увеличивает готовность системы к действию лишь при определенных ограничивающих условиях.
6.Характерная особенность сложных изделий разового применения состоит в том, что большую часть времени они находятся в состоянии хранения. Очевидно, что в момент включения такого изделия в работу все его элементы должны быть исправными. Это означает, выход из строя хотя бы одного элемента резервированной системе в процессе ее хранения следует считать отказом всей системы (изделия). Так как число элементов резервированной системы всегда выше числа элементов нерезервированной системы, то первая всегда будет иметь большую опасность отказов.
Если кратность резервирования К, то тогда вероятность безотказной работы будет:
нерезервированной системы – |
P0 |
e |
λ |
t |
|
|
|
||
|
0 |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
резервированной системы – |
Pp e |
k 1 λ |
0 |
t |
. |
||||
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Очевидно при большом К вероятность безотказной работы Pp(t) будет низкой.
Отсюда следует важный вывод: надежность резервированной системы в процессе ее хранения всегда ниже надежности нерезервированной системы одного и того же назначения. Увеличение числа отказов резервированной системы при ее хранении требует увеличения в «К» раз частоты проверок, увеличение числа запасных элементов. Все это приводит к увеличению стоимости эксплуатации.
Отмеченные свойства резервирования позволяют сделать следующие вы-
воды:
1.Резервирование как средство повышения надежности наиболее целесообразно применять для повышения надежности сложных систем, предназначенных для короткого времени непрерывной работы. В случаи длительного периода непрерывной работы использования резервирования требует высокой кратности резервирования. Это ограничивает его использование в системах, которые критичны в отношении веса, габаритов и стоимости;
2.Повышения надежности изделия путем резервирования осуществляется за счет ухудшения таких характеристик, как вес, габариты, стоимость, усложнение условий эксплуатации (увеличение частоты проверок, числа запасных элементов и т.п).
Уменьшение интенсивности отказов
Снижение интенсивности отказов может быть осуществлено следующими путями:
1.Упрощением системы;
2.Выбором наиболее надежных элементов;
84
3.Облегчением режимов работы элементов;
4.Отбраковкой малонадежных элементов;
5.Созданием схем с ограниченными последствиями отказов элементов;
6.Стандартизацией и унификацией элементов и узлов;
7.Совершенствованием технологии производства;
8.Статистическим контролем качества;
9.Профилактическими мероприятиями.
Упрощение системы является пока единственным методом повышения надежности при одновременном уменьшении веса. Однако при всей его эффективности этот метод трудно реализуем. При практической реализации всегда возникает задача о минимально необходимом числе элементов системы.
Выбор наиболее надежных элементов требует увеличения их веса, габаритов и стоимости. Поэтому выбирать тот или иной тип элемента необходимо на основании анализа технических требований на надежность и предварительного расчета надежности проектируемой схемы. Может оказаться, что предъявляемые требования таковы, что при данном числе элементов и при данных условиях работы аппаратуры удовлетворить их можно, выбирая не самые надежные элементы.
Облегчение режимов работы элементов практически означает, что в систему ставятся элементы, имеющие определенный запас по мощности. Однако замена одних элементов другими, рассчитанными на большую мощность не обязательно приводит к повышению надежности. Это объясняется тем, что элементы рассчитанные на большую мощность, могут быть сами по себе менее надежными, чем маломощные. Выбирая за основной критерий качества системы в смысле надежности вероятность безотказной работы, задачу о выборе режимов работы можно сформулировать следующим образом.
Задано численное значение вероятности безотказной работы системы P(t) и известна ее принципиальная схема, т.е тип и число элементов. Требуется выбрать режимы работы элементов таким образом, чтобы вероятность безотказной работы системы была не ниже заданной. Пологая, что все однотипные элементы равнонадежны, можно записать
λ=
= - 
(3)
Надежность сложной системы определяется ограниченным числом типов элементов. Это – либо наиболее многочисленные элементы системы, либо менее надежные. В связи с этим режимы работы элементов лучше подбирать не для всех элементов, а лишь для тех, которые оказывают существенное влияние на надежность системы. Пусть элементы типов 1 - n или не оказывают существенного влияния на надежность, или выбор их режимов работы не представ-
ляется возможным. Тогда выражение (3) можно записать в виде |
|
|
λ= + |
, |
(4) |
|
|
|
где
85
Учитывая (3), выражение (4) можно записать в виде
= [
+
]
Отбраковать ненадежные элементы можно путем тщательной проверки элементов при тяжелых условиях их работы. Утяжелить условия работы можно либо повышая нагрузку, либо температуру. При этом возникают два вопроса – как долго необходимо испытывать элементы и при каких нагрузках (температуре).
Выбрать режим выжигания элементов можно на основании анализа кривых λ=f(t). Эти кривые для большинства элементов, из которого состоит система имеют вид, представленный на рис.4.
Рисунок 4.
Коэффициент нагрузки – отношение мощности рассеивания к номинальной мощности элемента (прикладываемому в данный момент или напряжения к номинальному).
Из рис.4 видно, что с увеличением коэффициента нагрузки (или при увеличении t0-ры) кривая λ=f(t) смещается вверх и влево.
При этом участок, где λ=const, сокращается, а начало этого участка смещается влево. Выжигать элементы можно при таком режиме, при котором имеется участок λ=const. Если интенсивность отказов на основании статистических данных об отказах сохраняет постоянную величину, а параметры элементы уходят за пределы допуска, то такой режим выжигания является вредным.
Создание схем с ограниченными последствиями отказов элементов требует учета значимости отказов по степени опасности последствия. В этом случае система не должна строиться по принципу: равносложные части системы должны быть равнонадежны. Каждому элементу, узлу, блоку и т.д должен быть в смысле надежности приписан определенный вес.
Стандартизированные и унифицированные схемы узлов всегда более надежны. Это объясняется тем, что такие узлы сами по себе наиболее надежны
86
икроме того доведены до совершенства на основании богатого опыта эксплуатации.
Совершенствование технологии производства и его автоматизация обеспечивает высокую однородность продукции. Это повышает ее надежность и уменьшает дисперсию времени возникновения отказов.
Статистический контроль качества, проводимый непрерывно, позволяет выявить причины нарушения технологического процесса, повлиять на технологический процесс и отбраковать дефектную продукцию. Этим самым он позволяет достичь высокой надежности и однородности продукции.
Профилактические мероприятия, проводимые при эксплуатации изделия
инаправленные на предупреждение отказов, позволяют выявить слабые элементы и узлы, устранить их дефекты до появления полного отказа и тем самым уменьшить интенсивность отказов всей системы. В процессе эксплуатации надежность изделия расходуется, а при проведении профилактических работ она может восстанавливаться.
Оценим эффективность, которые дают методы, обеспечивающие уменьшение интенсивности отказов системы. Оценку будем производить по выигрышу надежности.
Вероятность безотказной работы системы, интенсивность отказов которой уменьшена в К раз, при экспоненциальном законе надежности выражается формулой
= |
, |
(6) |
|
|
где – интенсивность отказов системы до ее понижения,
К– коэффициент, показывающий во сколько раз уменьшилась величина 
.
Тогда выигрыш по основным количественным характеристикам имеет
вид |
|
= |
(7) |
=k |
(8) |
= |
(9) |
= |
(10) |
Зависимости Gq( ) для различных значений К, рассчитанные по (7), |
|
приведены на рис.5. Из рисунка видно, что при малых |
выигрыш надежно- |
сти по вероятности отказов примерно равен 
, а затем он растет и при больших 
стремится к единице.
87
Рисунок 5.
При больших К понижение выигрыша с ростом 
происходит почти ли-
нейно с малым наклоном кривой GQ(
). Выигрыш надежности по среднему времени безотказной работы, как видно из (8), растет пропорционально коэффициенту уменьшения интенсивности отказов. Это выгодно отличает данный метод повышения надежности по сравнению с резервированием.
Недостатком данного метода по сравнению с резервированием является незначительный выигрыш надежности по интенсивности и вероятности отказов
при малых значениях 
.
Сокращение времени непрерывной работы
Данный метод фактически не является методом повышения надежности, так как повысить надежность изделия варьированием времени не представляется возможным. Поэтому этот способ позволяет лишь разумно расходовать надежность.
Сократить время непрерывной работы системы можно путем многократного ее включения и выключения. Примерами подобных систем могут быть системы коррекции, некоторые типы комбинированных систем управления, отдельные системы навигации и т.п.
Рассмотрим, какой эффект получается при сокращении времени непрерывной работы. Для простоты предположим, что справедлив экспоненциальный закон надежности. Тогда вероятности P1(t) и P2(t) безотказной работы идентичных систем соответственно для непрерывной и дискретной работы будут равны
= |
, |
= |
, |
(11) |
где К – коэффициент, показывающий во сколько раз время работы второй системы меньше первой.
88
Ограничимся рассмотрением выигрыша по вероятности отказов
= |
(12) |
Сравнивая формулы (12) и (7), видим, что они одинаковы. Это означает, что сокращение времени непрерывной работы эквивалентно уменьшению в тоже число раз интенсивности отказов системы.
Особенно большой эффект дает сокращение времени непрерывной работы резервированной системы. Это легко понять из рис.6. на этом рисунке изображены зависимости P=f(t) резервированной (кривая А) и нерезервированной (кривая Б) систем. Из кривых видно, что при большом t, равном t2,
Рисунок 6.
вероятности P(t2) отличаются незначительно и выигрыш надежности очень мал. Если уменьшить время непрерывной работы вдвое (t=t1), то вероятность безотказной работы резервированной системы будет значительно выше вероятности безотказной работы нерезервируемой системы, и выигрыш надежности будет значителен.
Подобный эффект основывается на основном противоречии резервирования – выигрыш надежности резервированной системы тем выше, чем меньше время непрерывной ее работы.
Уменьшение среднего времени восстановления
Время восстановления не влияет на основные количественные характеристики надежности. Оно оказывает влияние на коэффициенты надежности – коэффициент готовности, вынужденного простоя, профилактики и частоты профилактики. Уменьшая время восстановления, можно увеличить готовность системы к действию в любой момент времени, уменьшить ее простой и тем самым повысить эффективность ее действия.
89
Сравнение приведенных методов повышения надежности дает следующий важный вывод:
–наиболее эффективным методом повышения надежности сложных систем, предназначенных для кратковременной работы, является резервирование.
–уменьшение интенсивности отказов системы – наилучший метод повышения надежности сложных систем длительного использования.
Спектральный метод расчета надежности
Во всех предыдущих методах расчета надежности предполагалось, что параметры элементов изделия с течением времени изменяются монотонно. Такое изменение параметров происходит вследствие явлений старения и износа. Этот процесс происходит достаточно медленно и в процессе эксплуатации системы можно заменить постепенное ухудшение ее выходных характеристик. На практике часто встречаются случаи перемежающихся отказов, когда после возникновения отказа система восстанавливается и в дальнейшем работает надежно. Такие отказы, хотя и длятся короткое время, могут приводить к невыполнению задачи, возложенной на систему. Типичным примером перемежающихся отказов служит сбой работы вычислительных машин дискретного действия.
Причинами таких отказов служат флуктуационные изменения параметров, возникающие из-за случайных изменений питающего напряжения, климатических воздействий, внутренних помех и т.п. Рассмотренные выше методы расчета надежности не могут быть применимы для оценки надежности сложных систем, если у них превалируют перемежающиеся отказы, так как в этом случаи параметры элементов и выходные характеристики имеют флуктуационный характер.
Расчет надежности в этом случаи можно выполнить, если предположить, что изменение параметров элементов во времени представляет собой стационарный случайный процесс. При таком предположении выходные характеристики представляются в виде случайных функций, удовлетворяющих условиям стационарного случайного процесса.
Рисунок 1.
Если у1 и у2 – допустимые пределы изменения выходной величины Yi, то очевидно, что при условии y2<Yi<y1 наступает отказ.
90