Обеспечение надежности в процессе эксплуатации

Надежность невосстанавливаемых об­разцов РЭА однократного применения опре­деляется главным образом уровнем проек­тирования и производства, а также срока­ми и условиями хранения до момента применения. Надежность восстанавливаемой аппаратуры многократного применения в значительной степени зависит от качества эксплуатации. В начальный период эксплу­атации (после периода приработки) в аппа­ратуре возникают преимущественно внезап­ные отказы элементов, интенсивность которых почти постоянна (справедлив экспонен­циальный закон надежности). В этот период профилактическая (предупредительная) за­мена элементов не может принести пользы (скорее, наоборот, может принести вред). Вместе с тем профилактические мероприя­тия, связанные с измерением параметров РЭА и ее осмотром, позволяют предотвра­тить ряд отказов, которые вызываются не­благоприятным воздействием эксплуатаци­онных факторов (разрегулировка, ослабле­ние креплений и кабельных соединений, за­грязнение, проникновение влаги и т.д.). После истечения начального периода экс­плуатации (несколько сотен, иногда тысяч часов наработки) начинают сказываться* (превалировать) постепенные отказы. Для оценки показателей безотказности в этот период эксплуатации применимы законы распределения Вейбулла, Бернштейна, ре­же нормальный. При тяжелых внешних воздействиях (проникающая радиация, си­стематические ударно-вибрационные на­грузки, тяжелый температурный режим) изнашивание элементов может начаться значительно раньше — через несколько де­сятков часов наработки, когда наряду с внезапными возможны постепенные отказы, причем последние могут существенно пре­валировать над внезапными.

Одной из важных задач профилакти­ческого обслуживания аппаратуры после 300—500 ч наработки РЭА является устра­нение постепенных отказов. Интервалы времени, через которые необходимо прово­дить профилактические мероприятия (тех­нические осмотры, регламентные работы, ремонт), чаще всего определяют путем тщательного анализа характеристик изна­шивания и старения основных групп ком­плектующих элементов. На рис. 1-3.2 для примера представлено условное изменение во времени (при данных условиях эксплуа­тации) параметров некоторых элементов

Рис. 1-3.2. Определение периодичности профилак­тических мероприятий путем изучения характери­стик изнашивания (старения) основных группкомплектующих элементов.

1 — изменение обратного коллекторного тока транзисторов; 2 — изменение сопротивления рези­сторов; 3 — изменение емкости конденсаторов; 4 — изменение коэффициента усиления транзисто­ров; 5 — изменение крутизны характеристики ЭВП; 6— изменение емкости аккумуляторной ба­тареи.

аппаратуры, в том числе тех элементов, которые имеют наименьшее время изнаши­вания (старения). Если приведенные кри­вые являются усредненными, то простей­ший метод нахождения периодичности и объема профилактических работ состоит в следующем: с некоторым «запасом» посравнению с временем наступления отказа наименее надежных групп (5 и 6) назнача­ется первое техническое обслуживание (ре­гламентные работы) с периодом T_пр1 если по другим соображениям (например, для проверки механических узлов, регулиров­ки) этот период не должен быть меньше. В объем первого обслуживания наряду с другими необходимыми проверками и регу­лировками должна входить проверка, регу­лировка и возможно, замена элементов групп 5 и 6. При этом считается, что пара­метры замененных (или отрегулированных) элементов возвращены в начальное со­стояние.

Подобным же образом назначается второе техническое обслуживание с перио­дом Т_пр2и т.д. Естественно, что при вто­ром техническом обслуживании объем ра­бот (проверок и замен) больше, чем в пер­вом, поскольку наряду с проверкой пара­метров элементов групп 1 и 4 необходимо проверить и параметры элементов групп 5 и 6. Здесь изложен физический принцип определения периодичности профилактиче­ских работ.

Рассмотрим общую задачу, позволяю­щую связать показатели надежности с пе­риодом T_пр между очередными профилак­тическими работами. В качестве показателя надежности принимается вероятность того, что в произвольный момент tаппаратура работоспособна и безотказно работает в те­чение времени t₁, примыкающем справа к моменту t.Будем считать, что вероятность Р(t₁) не зависит от t. Кроме того предполо­жим, что после проведения профилактиче­ских мероприятий работоспособность аппа­ратуры восстанавливается до первоначаль­ного состояния, что эквивалентно замене аппаратуры на новый экземпляр. Время вы­полнения профилактики считаем случайной величиной θ_п, распределенной по закону F_п(τ)=P{θ_п≤τ}. Время ремонта θ_р явля­ется также случайной величиной с законом распределения F_р(τ)=P{θ_р≤τ}. Время безотказной работы Т распределено по за­кону F(t)=P{Т≤ t}. Средние значения слу­чайных величин θ_п, θ_р и Т соответственно составляют T_п, Т_р, Т_ср. После проведения очередной профилактики следующая назна­чается но истечении неслучайного проме­жутка времени Т_0.пр.

Возможны несколько способов (страте­гии) планирования работ:

1. Помимо проведения запланированной профилактики после каждого отказа (ре­монта) проводится внеплановая профилак­тика, после чего планируется заново время до проведения очередной профилактики.

2. Вне зависимости от того, возникали или нет отказы аппаратуры в меж профилактический период, проводится только плановая профилактика.

3. Профилактика назначается в зависи­мости от текущего состояния работоспособ­ности РЭА, определяемого при периодиче­ском инструментальном контроле.

В первом случае оптимальная перио­дичность (Т_о.пр) проведения профилактиче­ских мероприятий, для которой величина Р(t₁) максимальна для заданного проме­жутка времени t₁, определяется из условия:

где λ(T_о.пр)—интенсивность отказов за межпрофилактический промежуток времени; P(y)=1-F(y) –вероятность безотказной работы за время у.

Во втором случае, если принять, что поток отказов является простейшим неста­ционарным (с переменной интенсивностью отказов), оптимальное значение T_о.пр на­ходится из условия:

При условии, что Т_п/Т_р<Т_срλ(Т_ср), первый способ оптимального планирования профилактических работ имеет преимуще­ства. Это обычно имеет место при планиро­вании профилактики по постепенным от­казам.

Наряду с высококачественным выпол­нением профилактических работ надежность аппаратуры в процессе эксплуатации обес­печивается: широким применением методов прогнозирования отказов; обязательной ин­струментальной проверкой и тренировкой в условиях, близких к эксплуатационным, тех комплектующих элементов, которые устанавливаются взамен отказавших; повы­шением уровня организации процесса экс­плуатации.

Прогнозирование отказов. Методы прогнозирования отказов можно разделить на «инструментальные» и «ста­тистические».

«Инструментальное» прогнозирование связано с возможностью выявления глав­ным образом постепенных отказов. Их ко­личество, выявляемое при прогнозировании, зависит от точности применяемых для кон­троля приборов и глубины контроля. Все большее углубление контроля работоспо­собности с помощью современных измери­тельных приборов может привести к инстру­ментальному прогнозированию и тех отка­зов, которые проявляются как внезапные. Исключение в данном случае составят, конечно,непосредственные поломки аппара­туры, происходящие, например, при резких ударах или при неумелом обращении с ап­паратурой обслуживающего персонала.

Известны различные способы инстру­ментального прогнозирования (для практи­ческих целен они разработаны еще недо­статочно). Так, один из способов состоит и прогнозировании отказов по характеру изменения параметров элемента или по вы­ходным параметрам узла. Подчеркнем, что инструментальное прогнозирование основано на построении характеристик случайных величин.

Рис. 1-3.3. Способ экстраполяции результатов из­мерений при прогнозировании постепенных отка­зов.

1 — случай возрастания параметра; 2 — случайуменьшения параметра.

Но практически в процессе прогно­зировании характеристики изменения пара­метра во времени чаще всего могут не строиться. Представим, что в процессе испытаний элементов или аппаратуры ста­тистически установлен характер изменения параметров во времени, т. е. на основании многочисленных опытов построены усред­ненные кривые (1 или 2 на рис. 1-3.3, причем экспериментальные точки представ­ляют собой средние значения, а не резуль­таты одного опыта). Параметрами прогно­зирования могут быть: для элементов —крутизна характеристики ЭВП, коэффициент усиления транзисторов, сопротивление ре­зистора, емкость конденсатора, время вос­становления газового разрядника и т.д.; для узлов — коэффициент усиления каска­да, напряжение ид выходе каскада, дли­тельность импульса и частота повторения импульсов блокинг-генератора и др. Под­черкнем, что в процессе эксплуатации аппа­ратуры подобные характеристики построить не удается, т. к. при профилактических ме­роприятиях параметры регулируются до нормы. Такие характеристики можно полу­чить при специальных испытаниях элемен­тов (узлов) или строить их на период меж­ду профилактиками. Обычно нижнее (верх­нее) допустимое значение параметра, назы­ваемое также уровнем отказа, известно пли устанавливается разработчиками аппа­ратуры или узлов. Поскольку при испыта­ниях устанавливается и дисперсия значений параметра, то с учетом этого можно по­строить области изменения параметра. В месте пересечения нижнего участка обла­сти (рис.1-3.3) с линией уровня отказа на­ходится абсцисса t_зам, определяющая возможный момент отказа (с учетом разбро­са), т. е. время замены элемента, время регулировки узла (аппаратуры) или времяремонта узла (аппаратуры). Однако наблюдение за параметрами прогнозирований обычно ведется не непрерывно, а только в процессе проведения профилактических ме­роприятий.

Чтобы за время между очередными, профилактическими работами параметр про­гнозирования не уменьшился до уровня ни­же уровня отказа, время замены (ремонта)определяют как t_зам= t’_зам—Т_пр.По вели­чине t_зам определяют критическое значение параметра прогнозирования.

Таким образом, если параметры прогно­зирования изменяются закономерно, что ха­рактерно для многих элементов и узлов РЭА, то в лабораторных условиях по изло­женной методике можно определить уро­вень прогноза параметров (рис.1-3-3), а при эксплуатации РЭА, во время профилакти­ческих работ, необходимо только сравни­вать результаты измерений того или иного параметра с известным уровнем прогноза. Если при этом оказывается, что параметр прогнозирования достиг критического зна­чения, это указывает на то, что до следую­щей профилактики может возникнуть отказ, а значит, необходимо произвести восстанов­ление (регулировку).

Недостатком данного метода является необходимость использования априорных статистических данных. Результаты прогно­зирования будут более ощутимыми, если использовать апостериорные данные контро­ля параметров РЭА. Подобные методы прогнозирования в настоящее время разра­ботаны математически [8], но методически еще не доведены до инженерного уровня. Определенная сложность математической обработки результатов прогнозирования сдерживает пока широкое применение ука­занных методов.

Если параметр элемента или узла из­меняется закономерно (в одном направле­нии), то с целью сократить время испыта­ний кривые изменения параметров могут «достраиваться» путем экстраполяции (пунктирное продолжение кривой 2 на рис.1-3.3). Для этого необходимо иметь минимум три точки, характеризующие зна­чение параметра в различные моменты вре­мени. Если эти значения позволяют устано­вить направление дрейфа параметра, то экстраполяция производится как продолже­ние кривой, построенной по методу наи­меньших квадратов. При достраивании ди­спепсия параметра принимается неизмен­ной, равной среднему значению дисперсии вдоль экспериментальной кривой.

В ряде случаев применяется метод прогнозирования, основанный на контроле работоспособности элементов и узлов РЭА путем создания специальных режимов ра­боты элементов или узлов с целью выявле­ния близости контролируемых параметров к неисправному состоянию. Так, пусть из­вестно, что при номинальном режиме рабо­ты изменение параметра происходит по времени в соответствии с кривой 1 на рис. 1-3.4. Если несколько перегрузить элемент и электрическом, механическом или другом отношении (иногда же, наоборот, недогрузить его), то изменение параметра прогнозирования во времени может прохо­дить иначе (например, кривая 2 на рис. 1-3-4). Известно, что при электрической перегрузке изношенных транзисторов их ко­эффициент усиления по току падает быстрее, чем у новых;

Рис. 1-3.4. Применение специальных режимов ра­боты при прогнозировании отказов.

1 — нормальный режим;* 2 — специальный режим.

крутизна характеристики ЭВП при понижении напряжения накала для ламп с изношенным катодом падает значительно быстрее, чем для новых ламп. Таким образом, зная допустимое значение пирометра прогнозирования, можно преду­смотреть отказ элемента в ближайшем бу­дущем (до очередной профилактики) и произвести предупредительную замену эле­мента (узла) или регулировку. Процедура дозирования иллюстрируется на рис. 1 - 3 .4Если во время очередной профилакти­ки оказывается, что параметр прогнозиро­вании лежит на уровне ниже х_пр, то это означает, что соответствующий элемент (узел) подлежит замене (регулировке).

В некоторых случаях прогнозирование работоспособности изделий электронной техники и узлов может производиться с помощью использования косвенных призна­ков нарушении работоспособности, называ­емых иногда «предвестниками» отказов.Так известно, что весьма чувствительными признаками приближающегося ухудшения характеристик электронных приборов явля­ются их шумовые характеристики, изменяю­щееся раньше, чем наступают заметные из­менении других характеристик приборов, повышение уровня собственных шумов ЭВП предшествует заметному изменению крутизны и анодного тока по наработке приборов до нескольких десятков и даже сотенчасов. Для транзисторов подобным предвестником является возрастание обратного тока коллектора. К сожалению, при профилактических работах на РЭА не удается измерить параметры отдельных элементов узлов и блоков, что затрудняет использовать предвестники отказов элементов прогнозирования отказов аппаратурыпроцессе ее эксплуатации.

Статистические методы прогнозированияслужат дляпредупреждения возникновения главным образом внезапных отказовтех элементов, у которых распределение времени безотказной работы не соответ­ствует экспоненциальному закону надежно­сти (это относится к приборам, работаю­щим в тяжелом электрическом режиме).

Анализ статистических данных по от­казам различных типов РЭА показывает, что элементы, имеющие сравнительно лег­кий электрический и температурный режим работы, сохраняют во время эксплуатации в среднем постоянное значение параметра по­тока отказов. Статистическое прогнозиро­вание внезапных отказов этой группы эле­ментов практически трудно осуществить, так как при простейшем потоке отказов время безотказной работы элементов не за­висит от предыстории.

Однако в аппаратуре обычно имеется* небольшое число элементов, которые рабо­тают в тяжелом режиме (генераторные и модуляторные радиолампы, магнетроны, га­зовые разрядники, высоковольтные кено­троны и другие элементы). Эти элементы, несмотря на свою немногочисленность (их число составляет обычно не более 1—2% всех элементов образца аппаратуры), дают тем не менее до 25% (иногда до 50%) всех отказов [20]. Оказывается, что для этой небольшой, но важной с точки зрения на­дежности группы элементов экспоненциаль­ный закон неприменим. Достаточным для практики приближением можно считать нормальный закон распределения проме­жутков времени между отказами.

Для каждого типа элементов по ре­зультатам эксплуатации можно определить статистически среднюю наработку до отка­за Т₀, а также величину среднего квадра­тического отклонения времени безотказной работы.

Если бы отсутствовал разброс значений времени безотказной работы, то предупре­дительная замена элементов должна была бы проводиться по истечении времени нара­ботки, равной Т^*₀. С учетом разброса Т^*₀предупредительную замену данных элемен­тов следует производить после времени на­работки:

t_зам=Т^*₀– k_пр σ^*_t

где k_пр = 1—3 — коэффициент прогнозиро­вания, определяющий степень уверенности, что замена будет произведена до того, как элемент откажет (в большинстве случаевдостаточно брать k_пр = 1÷1.5); σ^*_t— сред­нее квадратическое отклонение времени без­отказной работы.

«Тренировка» элементов. Одним из важнейших путей обеспечения надежности РЭА в процессе эксплуатации является тре­нировка элементов, узлов и аппаратуры в целом. Необходимость тренировки элемен­тов, которые устанавливаются в аппарату­ру, вытекает из того, что интенсивность их отказов на первом этапе эксплуатации обычно резко повышена. Поэтому эксплуа­тация элементов и аппаратуры, не прошедших соответствующей тренировки, нежела­тельна. Если же пользоваться при замене отказавших элементов элементами, не про­шедшими тренировки, то вероятность уста­новки в аппаратуру малонадежных элемен­тов остается, как показывает опыт, доволь­но высокой. Эффективность тренировки элементов возрастает при искусственном создании условий работы тренируемых эле­ментов, близких к условиям эксплуатации РЭА (например, при использовании вибро­стендов).

Иногда после определенной наработки элементов электронной техники производят их предупредительную замену (без учета реальной надежности) новыми элементами, не прошедшими тренировки. Подсчитано, что вероятность установки плохого элемен­та в этом случае превосходит вероятность того, что заменяемый элемент окажется плохим. Подобная замена элементов, не связанная с анализом их надежности, не дает выигрыша с точки зрения профилакти­ческого предупреждения отказов.

1.4 Основные понятия теории надёжности

Теория надёжности это наука, изучающая закономерности особого рода явлений - отказов технических устройств.

Надёжность - это более узкая характеристика изделия, чем качество изделия.

Качество изделия - это совокупность свойств, определяющих пригодность изделия для работы в соответствии со своим назначением. К таким свойствам относятся надёжность, точность, удобство и т.д.

Надёжность - свойство изделия выполнять заданные функции в заданных условиях эксплуатации.

Надёжность - свойство изделия сохранять значения заданных параметров в заданных пределах при определённых условиях эксплуатации.

Надёжность находится в противоречии с точностью, габаритами и весом изделия. Чем меньше габариты изделия, тем менее оно надёжно.

Вторым фундаментальным понятием теории надёжности является понятие отказа.

Отказ - это событие, после наступления которого изделие перестаёт выполнять свои функции.

Отказы делят на внезапные, постепенные, перемежающиеся.

Внезапный отказ - происходит в результате скачкообразного изменения характеристик изделия.

Постепенный отказ - отказ, возникший в результате постепенного изменения характеристик изделия вследствие износа, старения элементов изделия.

Перемежающийся отказ - самоустраняющийся отказ, возникающий в результате временно действующих причин.

Отказы в АСУ целесообразно подразделять на аппаратурные и программные.

Аппаратурным отказом принято считать событие, при котором изделие утрачивает работоспособность и для его восстановления требуется проведение ремонта аппаратуры или замена отказавшего изделия на исправное.

Программным отказом считается событие, при котором объект утрачивает работоспособность по причине несовершенства программы (несовершенство алгоритма решения задачи, отсутствие программной защиты от сбоев, отсутствие программного контроля за состоянием изделия, ошибки в представлении программы на физическом носителе и т.д.). Характерным признаком программного отказа является то, что устраняется он путём исправления программы.

Второстепенные неисправности: дефекты и неполадки.

Дефект - это неисправность, которая приводит к отказу не сразу, а через некоторое время. Пример: нарушение изоляции провода, а впоследствии короткое замыкание.

Неполадки - неисправности, не приводящие к отказу изделия (перегорание лампочки освещения шкалы).

Ремонтопригодность - приспособленность изделия к предупреждению, обнаружению и устранению отказов.

Сохранность изделия - свойство изделия сохранять свою способность к работе в определённых условиях хранения.

Долговечность (технический ресурс) - это суммарная продолжительность работы изделия, ограниченная износом, старением или другим предельным состоянием.

Ресурс - это установленное время, по истечению которого эксплуатация изделия недопустима. Пример: авиационный двигатель: ресурс 500 часов.

Безотказность - свойство изделия непрерывно сохранять работоспособность в течении некоторого времени или некоторой наработки.

Работоспособность - такое состояние изделия, при котором оно способно выполнять заданные функции, удовлетворяя требованиям нормативно - технической документации. Работоспособность характеристика состояния изделия в некоторый момент времени.

Наработка - это продолжительность или объём работы изделия.

Наработка до отказа - продолжительность или объём работы изделия до возникновения первого отказа.

Средняя наработка до отказа - математическое ожидание наработки изделия до первого отказа.

Однако для АСУ, информационных сетей и вычислительной техники оказалось, что этих понятий для характеристики надёжности недостаточно. В практике создания и использования АСУ находят применение дополнительные понятия, без учёта которых нельзя в полной мере представить комплексное понятие “надёжность”. Рассмотрим эти понятия.

1. Живучесть - свойство объекта сохранять работоспособность (полностью или частично) в условиях неблагоприятных воздействий, не предусмотренных нормальными условиями эксплуатации. Главный смысл требования к живучести объекта состоит не только в том, чтобы он длительное время работал непрерывно без отказа в нормальных условиях эксплуатации и чтобы его можно было быстро отремонтировать, но также и в том, чтобы он в ненормальных условиях эксплуатации сохранял работоспособность, хотя бы и ограниченную.

2. Достоверность информации, выдаваемой объектом. При работе вычислительной машины или тракта передачи информации могут отсутствовать отказы. Поэтому объект может обладать высокой безотказностью, хорошей долговечностью, сохраняемостью и ремонтопригодностью. Однако в нём могут иметь место сбои, искажающие информацию. В изделии “ломается”, “портится” не аппаратура, а информация. Это не менее опасная “поломка”.

1.5 Виды надёжности

При исследовании надёжности часто ставится задача определить причины, приводящие к формированию той или другой стороны надёжности. Без этого невозможно наметить правильную программу работ по повышению надёжности. Это приводит к делению надёжности на:

Аппаратную надёжность, обусловленную состоянием аппаратуры;

Программную надёжность объекта, обусловленную состоянием программ;

Надёжность объекта, обусловленную качеством обслуживания;

Надёжность функциональная.

Особого внимания заслуживает понятие “программная надёжность”, так как её важная роль в обеспечении надёжности АСУ является одной из самых характерных особенностей прикладной теории надёжности АСУ. Понятие “программная надёжность” возникло в результате следующих основных причин. В инженерной практике всё большее значение приобретают программно-управляемые изделия: программно-управляемые станки; вычислительные машины и системы машин; системы передачи данных АСУ и др. Для этих изделий характерно то, что они являются органическим слиянием технических средств (аппаратуры) и программы. Без программного обеспечения вычислительный комплекс, или тракт передачи данных, - это “мёртвый” набор технических устройств, который оживает тогда и только тогда, когда он используется как единое целое с программой. Поэтому говорить о надёжности таких устройств бессмысленно, если не учитывать влияния программного обеспечения.

Учёт влияния программного обеспечения приводит к необходимости выделять в особый вид программную надёжность объектов.

Надёжность функциональная - надёжность выполнения отдельных функций, возлагаемых на систему. АСУ, как правило, система многофункциональная, т.е. она предназначается для выполнения ряда

функций, различных по своей значимости. Требования к надёжности выполнения различных функций могут быть различными (например, для функции “расчёт зарплаты” требуется высокая точность, но не требуется жёсткого ограничения времени). Поэтому может оказаться целесообразным задавать различные требования к выполнению различных функций. Примером функциональной надёжности в АСУ может быть надёжность передачи определённой информации в системе передачи данных.

Основные понятия и теоремы теории вероятностей

Надёжность изделия зависит от многочисленного комплекса факторов, определяемых как внутренними свойствами изделия, так и воздействием внешних условий.

Это приводит к тому, что процесс возникновения отказов, а также другие характеристики надёжности носят случайный характер.

Для исследования случайных явлений используются вероятностные методы.

Рассмотрим понятие событие.

Событие - это всякий факт, который в результате опыта может произойти или не произойти.

Примеры событий:

А - появление герба при бросании монеты.

В - попадание в цель при выстреле.

С - отказ изделия.

Д - безотказная работа изделия.

Событие достоверное - если оно обязательно появляется в результате данного опыта.

Невозможное событие - если оно не может появиться в результате данного опыта.

Случайное событие - событие, которое может появиться, а может и не появиться в результате данного опыта.

Вероятность события - это степень возможности появления этого события.

Более вероятными являются те события, которые происходят чаще.

Менее вероятными являются те события, которые происходят реже.

Мало вероятными являются те события, которые почти никогда не происходят.

Достоверному событию можно приписать вероятность, равную единице.

Невозможному событию можно приписать вероятность, равную нулю.

Р(А) - вероятность события А.

Рассмотрим последовательность п одинаковых опытов. Предположим, что в результате каждого опыта регистрируется появление или непоявлениенекоторого события А.

Пусть: m - число появлений события А при n опытах;

n - общее число произведённых опытов,

^; Здесь - частота события А.

При .

Частота события при сходится по вероятности квероятности этого события .

где Е - любое наперёд заданное, сколь угодно малое положительное число.