Введение
1. Роль теории надежности в решение задач повышения качества и эффективности.
Проблеме повышения качества радиотехнических и электронных изделий, в том числе важнейшей составляющей качества-надежности у нас в стране и во всем мире придаётся первостепенное значение. Обусловлено это следующими причинами.
Во-первых, возросшая сложность технических изделий-систем автоматики, радиоэлектронной аппаратуры, станков, самолётов, не позволяет обеспечить их работоспособность без обеспечения специальными методами необходимого уровня надежности этих изделий.
Во-вторых, высокоэффективная и безопасная работа технических изделий в том числе и РЭУ определяется высоким уровнем их качества и надежности.
В-третьих, проблема качества и надежности теснейшим образом связана с экономикой: надежность РЭУ приводит к большим экономическим потерям.
2. Теория надежности РЭУ: особенности, основные задачи, методы исследования. Связь со смежными дисциплинами.
Предмет "Основы теории надежности" является базовым; он дает теоретическую основу для изучения прикладных вопросов качества и надежности конкретных РЭУ, которые будут рассматриваться в соответствующих предметах специального цикла.
В предмете "Основы теории надежности" рассматриваются основы прогнозирования, вопросы планирования и оценки результатов испытаний на надежность, вопросы рациональной эксплуатации РЭУ.
Особенностью теории надежности является то, что количественные характеристики носят вероятностные характер. В связи с этим, для изучения основ теории надежности учащимся необходимо знать элементы теории вероятностей и математической статистики.
Многие положения теории надежности стандартизированы – имеются Государственные стандарты по терминам и определениям, программам обеспечения надежности, испытаниям по определению количественных показателей надежности. Стандарты содержат многочисленные статические таблицы, которыми учащиеся должны научиться ими пользоваться.
Тема 1. Основные понятия и определения теории надежности.
1. Причины обострения проблемы надежности РЭУ.
В настоящее время проблема надежности РЭУ заметно обострилась. Объясняется это следующим:
1. РЭУ заметно усложнились в схемотехническом отношении. Ужесточились условия, в которых эксплуатируется со временная радиоэлектронная аппаратура. Они часто характеризуются большим перепадом температур, высокими или низкими давлениями, наличием механических воздействий и т.д.
2. Повысились - требования к точности функционирования РЭУ.
3. Повысилась "цена" отказа РЭУ: он может привести к серьезным техническим и экономическим потерям.
4. В ряде случаев человек-оператор не имеет непосредственного контакта с РЭУ (электронные датчики контроля хода технологических процессов в агрессивных средах, РЭУ на непилотируемых летательных объектах и т.п.).
2. Основные понятия и определения теории надежности
Теория надежности — это научная дисциплина, занимающаяся вопросами обеспечения высокой надежности технических изделий при наименьших затратах.
Основными понятиями теории надежности являются понятия "надежность" и "отказ".
Под надежностью понимают свойство изделия 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.
Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения изделия и условий его применения может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость или определенные сочетания этих свойств.
Нередко под надежностью в узком смысле слова понимают безотказность изделия.
Многие понятия и определения теории надежности базируются на таких понятиях, как работоспособность и безотказность
Безотказность — свойство изделия непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки. Под работоспособным состоянием (кратко — работоспособностью) понимают состояние изделия, при котором оно способно выполнять предписанные ему функции, имея значения выходных параметров в пределах норм, оговоренных в технической документации.
Долговечность — свойство изделия сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.
Ремонтопригодность — свойство изделия, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонта:
Сохраняемость — свойство изделия сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способность изделия выполнять требуемые функции, в течение и после хранения и (или) транспортирования.
С точки зрения восстанавливаемости различают восстанавливаемые и невосстанавливаемые изделия. Восстанавливаемые изделия в случае возникновения отказа подвергаются ремонту и далее снова используются по назначению. Невосстанавливаемые изделия не подлежат либо не поддаются ремонту по техническим или экономическим соображениям.
В теории надежности различают надежность устройств и надежность входящих в него элементов. Устройства чаще являются изделиями восстанавливаемыми. Элементы — обычно изделия невосстанавливаемые.
РЭУ, как системы, с точки зрения надежности могут быть простыми и сложными. Для простой отказ системы в целом наступает в случае выхода из строя хотя бы одного из элементов (пример — телевизор). Для сложной системы в случае отказа ее составных частей происходит снижение эффективности ее функционирования, так как функцию вышедшего из строя устройства может взять на себя оператор. Например, при отказе устройства автоматического поворота антенны эту функцию берет на себя человек, выполняя операцию поворота вручную.
В теории надежности различают системы и элементы.
Под системой понимают совокупность совместно действующих элементов, обеспечивающих решение определенных задач.
Элемент не имеет самостоятельного эксплуатационного назначения при решении конкретной задачи и выполняет определенные функции системы.
Объект – предмет определенного целевого назначения, рассматриваемый с целью его использования по назначению, изучения, исследования или испытания на надежность.
Объект может быть системой или её элементом.
Изделие – единица промышленной продукции, количество которой может исчисляться в штуках(экземплярах).
3. Понятие отказа. Классификация отказов.
Под отказом понимают полную или частичную потерю изделием работоспособности вследствие ухода одного или нескольких параметров изделия за пределы установленных норм.
По своей физической природе отказ — событие случайное. Случайной величиной, описывающей отказ, является наработка до отказа.
Под наработкой в общем случае понимают продолжительность работы изделия, выраженную в часах, циклах переключения или других единицах в зависимости от вида и функционального назначения изделия. Например, для интегральной микросхемы наработка выражается в часах, для переключателя — в циклах переключения, для счетчика бета-излучения — в импульсах и т.д. При этом, если изделие работает с перерывами, то в суммарную наработку включаются только периоды работы (функционирования) изделия.
Под наработкой до отказа понимают наработку изделия от момента вступления в работу (эксплуатацию) до возникновения первого отказа.
В настоящее время существуют различные схемы классификации отказов. Одна из схем, широко используемая в теории и практике надежности РЭУ, представлена в табл.1
Таблица 1. Классификация отказов РЭУ и их элементов
| Классификационный признак | Вид отказа |
| Характер возникновения отказа | Внезапный (мгновенный) Постепенный (параметрический) |
| Время существования отказа | Постоянный Временный Перемежающиеся (временные отказы, следующие один за другим) |
| Зависимость отказов между собой | Зависимый Независимый |
| Причина возникновения отказа | Конструктивный Производственный Эксплуатационный Деградационный |
Внезапный отказ — это отказ, характеризующийся скачкообразным изменением значения одного или нескольких параметров изделия.
Под постепенным (параметрическим) понимают отказ, возникающий в результате постепенного (обычно непрерывного и монотонного) изменения значений одного или нескольких параметров изделия.
Четкой границы между внезапным и постепенным отказами провести не удается. Внезапный отказ: это отказ, наступление которого не может быть предсказано предварительным контролем или диагностированием.
Сбой (временный отказ) — это самоустраняющийся отказ или однократный отказ, устраняемый незначительным вмешательством оператора.
Перемежающийся отказ — это многократно возникающий самоустраняющийся отказ одного и того же характера.
Под явным понимают отказ, обнаруживаемый визуально или штатными методами и средствами диагностирования при подготовке объекта к применению или в процессе его применения по назначению.
Под скрытым (неявным) отказом понимают отказ, не обнаруживаемый визуально или штатными средствами и методами контроля и диагностирования, но выявляемый при проведении технического обслуживания или специальными методами диагностирования.
Независимым называют отказ, не обусловленный другими отказами.
Зависимым называют отказ, обусловленный другими отказами.
Под конструктивным понимают отказ, возникший по причине, связанной с несовершенством или нарушением установленных правил и (или) норм проектирования.
Под производственным понимают отказ, связанный с несовершенством или нарушением установленного процесса изготовления или ремонта.
Под эксплуатационным понимают отказ, возникающий по причине, связанной с нарушением установленных правил или условий эксплуатации.
Под деградационным понимают отказ, обусловленный естественными процессами старения, изнашивания, коррозии и усталости при соблюдении всех установленных правил и норм проектирования, изготовления и эксплуатации.
 |
Рисунок 1 – Схема формирования отказа
4. Схема соединения элементов в устройстве с точки зрения надежности.
В теории и практике надежности РЭУ различают три схемы (модели) соединения элементов с точки зрения надежности.
 |
Рисунок 2 – Схемы (модели) соединения элементов в устройстве с точки зрения надежности:
а – последовательное соединение;
б – параллельное соединение;
N – количество элементов в устройстве
1. Последовательное соединение элементов (рисунок 2, а). В этом случае отказ РЭУ возникает в случае отказа хотя бы одного из элементов.
2. Параллельное соединение элементов (рисунок 2, б). В этом случае отказ устройства наступает лишь при отказе всех элементов. Эта модель обычно характерна для устройств или частей РЭУ, имеющих резервирование.
Например, параллельное соединение элементов характерно для многожильного монтажного провода, если каждый проводник (жилу) рассматривать как элемент.
3. Смешанное соединение элементов. Это сочетание двух видов соединений.
Пример.
Требования к уровню надежности различных систем самолета или даже их отдельных элементов различны и зависит от опасности отказов.
Так, вероятность отказа системы основного управления самолетом не должна превышать 10-7…10-9 на 1 час полета, системы кондиционирования 10-5…10-6, гидравлической системы 10-7…10-8.
Причины отказов РЭУ
Замечено. Что на долю ошибок проектирования РЭУ приходится до 40…50% всех отказов (таблица 2).
Отказы из-за ошибок (дефектов) производства возникают в 30…40% случаев (таблица 3).
На долю ошибок оператора приходится (по зарубежным данным) примерно 20…30% всех отказов РЭУ.
Таблица 2 – Распределение отказов в зависимости от ошибок проектирования
| Причина отказа | Примерное число отказов, % |
| Недостатки электрических схем | До 30 |
| Недостатки механической конструкции | Примерно 10 |
| Неправильный учет возможностей оператора | Нет данных |
| Неправильный выбор элементов | |
| Неправильный выбор режимов работы элементов |
Замечено, что примерно в 75…80% случаев различные причины отказов дают о себе знать в виде отказа комплектующих элементов. Это накладывает заметный психологический отпечаток на потребителей относительно истинных причин отказов.
Таблица 3 – Распределение отказов в зависимости от ошибок производства
| Причина отказа | Примерное число отказов, % |
| Плохая механическая сборка: чисто механическая герметизация упаковка и транспортировка | |
| Дефекты монтажа | 20…25 |
| Другие технологические операции |