Классификация отказов ЭУ

Отказ – событие, заключающееся в нарушении работоспособности изделия, вследствие ухода одного или нескольких параметров изделия за пределы установленных норм.

По своей физической природе отказ - событие случайное. Количественной мерой, описывающей отказ, является наработка до отказа. Под наработкой часто понимают продолжительность работы изделия, выраженную в часах, циклах переключения или других единицах в зависимости от функционального назначения изделия от момента вступления в работу (эксплуатацию) до возникновения первого отказа. Например, для интегральной микросхемы наработка выражается в часах, для переключателя, реле - в циклах переключения, для счетчикасчётчика бета - излучения — в импульсах и т.д. При этом если изделие работает с перерывами, то в суммарную наработку включаются только периоды работы (функционирования) изделия.

Предположим, что РЭУ эксплуатируется в течение определенногоопределённого календарного периода. Возникающие при эксплуатации отказы устраняются (изделие ремонтируется, заменяются или резервируются отказавшие блоки), и изделие снова используется по назначению. Изобразим процессы функционирования и устранения отказов РЭУ на временной оси (рис.).

t₁, t₂, t₃ – интервалы безотказной работы РЭУ;

t₁, t₂, t₃ – интервалы по устранению отказов

Рис. Процесс функционирования РЭУ:

t₁, t₂, t₃ – интервалы безотказной работы РЭУ;

t₁, t₂, t₃ – интервалы по устранению отказов

Тогда под наработкой на отказ понимают величину

где m - число отказовРЭУ, возникших за рассмотренный календарный период, или, что то же самое, число периодов безотказной работы.

Показатель средней наработки на отказ t₀ имеет смысл только применительно к восстанавливаемым устройствам.

НадежностьНадёжность однотипных устройств или элементов с точки зрения продолжительности их работы до первого отказа можно оценить средним временем безотказной работы, под которым понимают математическое ожидание времени безотказной работы. В общем случае рассматриваемый показатель называют средней наработкой до отказа, так как он представляет собой математическое ожидание (среднее значение) случайной величины - наработки до отказа.

Этот показатель используют как для устройств, так и для элементов. Предположим, что на испытание поставлено N изделий, и в процессе испытаний фиксируются интервалы безотказной работы каждого изделия. Тогда среднее время безотказной работы

где Ti -- время безотказной работы i-го экземпляра рассматриваемого вида изделия.

Чем больше N, тем выше точность оценки.

В инженерной практике испытания изделий выполняются в течение ограниченного промежутка времени, и не представляется возможным дожидаться отказа всех изделий. В этом случае значение Тср для неоткаэавших неотказавших экземпляров полагают равным времени испытаний. Естественно, оценка Тср оказывается заниженной, но с этим приходится мириться.

Показатели t₀ и Тср по своей физической сущности различны, однако в случае экспоненциального закона надежностинадёжности они совпадают по значению.

Также, в случае экспоненциального распределения времени до отказа показатель Тср и совпадающий с ним по значению показатель t₀ соответствуют примерно 37%-ной наработке до отказа (g = 37%). Это означает, что примерно 37% изделий данного вида проработают без отказа в течении времени Тср. Хотя из числа неотказавших изделий некоторые могут проработать значительно больше времени. (0,37»1/е).

Для гамма- процентной наработки

Т_g=90% = 0,1Т_ср; т.е. при Т=0.1Т_ср из всего числа изделий 90% будут гарантированно сохранять работоспособность

Т_g=99% = 0,01Т_ср, т.е. не менее изделий 99% будут гарантированно сохранять работоспособность

Интенсивность отказов деталей–количественная мера вероятности отказов. Пусть у некоторого устройства существует вероятность отказа F(t) в течение времени 0<t<t, Функция F(t) носит название кумулятивной (совокупной) интенсивности отказов. Понятно, что для исправного устройства F(0)=0, Р(¥)=1.

Вероятность безотказной работы можно представить как:

R(t)=1-F(t)

Эта величина называется функцией надежностинадёжности. Если положить, что f(t)=dF/dt, то будем иметь дело с плотностью распределения вероятностей, которое можно назвать распределением интенсивностей отказов. Другим важным параметром является математическое ожидание случайной величины t

Этот показатель носит название наработки до отказа или средней наработки на отказ. Первый термин используется в применении к изделиям, которые нельзя ремонтировать, а второй – в применении к ремонтопригодным изделиям.

Рис. Кривая интенсивности отказов.

Обычно зависимость вероятности возникновения отказов от времени имеет вид, представленный на рис. Такую графическую зависимость называют корытообразной кривой. Традиционно на этой кривой выделяют три участка: участок, на котором происходит уменьшение интенсивности отказов, участок, где интенсивность отказов является постоянной, и участок возрастания интенсивности отказов.

Первый участок соответствует интервалу времени, на котором отказы могут возникать из-за того, что не удалось в достаточной степени устранить недоработки, имевшие место при проектировании. Такой интервал времени называют интервалом начальных отказов. За счет принятия на этапе проектирования соответствующих мер можно добиться снижения интенсивности появления отказов на начальном интервале. Но это не означает, что интенсивность отказов становится равной нулю. Второй участок кривой, на котором интенсивность отказов постоянна, называют интервалом случайных отказов. Возникновение таких отказов носит совершенно случайный характер. При рассмотрении таких отказов можно воспользоваться вероятностными методами и довольно легко осуществить моделирование. Последний участок на кривой интенсивности отказов носит название интервала усталостных отказов. На этом участке интенсивность отказов возрастает по мере старения устройства.

Экспериментально установлено, что время до отказа элементов хорошо описывается экспоненциальной моделью. При экспоненциальном распределении времени до отказа интенсивность отказов постоянна и численно равна параметру экспоненциального распределения. Поэтому интенсивность отказов и параметр экспоненциального распределения обозначены одной и той же буквой - l. в справочниках надежность элементов задают значением интенсивности отказов.

Под интенсивностью отказов понимают величину
	где	n(Dti) – количество элементов, отказавших в i- ом временном интервале Dti – ширина i- го временного интервала Ni.СР – среднее количество элементов, исправно работающих в i- ом временном интервале

Интенсивность отказов элементов определяют обычно опытным путемпутём для номинального электрического режима работы элементов при нормальных условиях эксплуатации (лабораторных условиях). При этом в инженерной практике часто пользуются планом испытаний типа [N, V, Т]. Этот план означает, что испытывается N элементов, фиксируются отказы V, а испытания проводятся в течение времени Т. Оценку интенсивности отказов дают в этом случае с помощью формулы

где t_i — время до отказа i- го элемента из числа отказавших; V — количество отказавших элементов.

Знаменатель формулы примерно равный N • Т, называют количеством отработанных приборо - часов (элементо - часов). Чтобы не совершить большую ошибку при оценке l, значение V должно быть не менее 5. Очевидно, что для того, чтобы подтвердить экспериментально значение l, = 10^-6 1/ч, значение величины N • Т должно быть равным 10⁷. Предположим, что N = 1000, тогда Т = 10000 ч, что составляет более года. Поэтому на практике используют ускоренные (форсированные) испытания, позволяющие получить ту же информацию о надежностинадёжности, но за более короткий срок. В настоящее время величина ускорения испытаний может достигать 100 и более единиц.

Для высоконадежныхвысоконадёжных видов элементов при определении значений величины l используют расчетрасчёт и прогнозирование, принимая при этом во внимание структурную сложность нового типа элемента и данные из опыта эксплуатации аналогичных элементов.

Размерность интенсивности отказов [l] = 1/ч = ч^-1. За рубежом в качестве размерности величины l используют также процент на 1000 ч работы, что равносильно введению множителя 10⁵. В качестве единицы интенсивности отказов также используют фит; 1 фит = 10^-9 отк/час.

надежностьНадёжность электронных элементов зависит от коэффициентов электрической нагрузки, характеризующих степень электрической нагруженности элементов относительно их номинальных или предельных возможностей, указываемых в ТУ.

Количественно коэффициенты электрической нагрузки (часто говорят: коэффициент нагрузки) определяют по соотношению

В качестве нагрузки F выбирают такую электрическую характеристику элемента (одну или несколько), которая в наибольшей степени влияет на его надежность. Например, для резисторов в качестве характеристики берут мощность рассеивания, для конденсаторов – напряжение, прикладываемое к обкладкам.

Справочные значения интенсивностей отказов элементов соответствуют коэффициентам нагрузки К=1 и нормальным условиям эксплуатации. На практике с целью повышения надежности РЭУ коэффициенты нагрузки элементов выбирают меньше единицы. Соответственно, при ускоренных испытаниях выбирают К>1. Другой фактор ускорения испытаний – температура.