Влияние условий эксплуатации на показатели надежности

Факторы, влияющие на надежность. На показатели надеж­ности СЭО и ЭСА оказывают влияние большое число разнооб­разных факторов, действующих в процессах создания (проекти­рование и изготовление) и эксплуатации СЭО и ЭСА.

В процессе создания такими факторами являются: выбор схемных и конструктивных решений, выбор элементов и режимов работы, технология производства, контроль качества и др. Эти факторы оказывают значительное влияние на надеж­ность СЭО и ЭСА, поступающих в эксплуатацию.

В процессе эксплуатации на надежность СЭО и ЭСА оказывают влияние факторы объективные (климатические, механические, биологические воздействия, нагрузочные режимы и др.) и субъективные (квалификация обслуживающего персо­нала, организация ТО и ремонтов, соблюдение правил техниче­ской эксплуатации и др.).

Существенно влияют на надежность СЭО и ЭСА климатиче­ские факторы, особенно в условиях тропиков. Сочетание повы­шенной температуры, высокой влажности и наличия паров со­лей и нефтепродуктов приводит к интенсивной коррозии метал­лов, ускоренному распаду органических изоляционных материа­лов, изменению параметров полупроводниковых приборов, сни­жению сопротивления изоляции, появлению коротких замыка­ний по диэлектрическим поверхностям и др.

Под влиянием тепловых полей в общем случае изменяются физико-химические и механические свойства материалов и па­раметры отдельных элементов СЭО и ЭСА, что обусловливает­ся изменением:

агрегатного состояния (плавление или испарение) и размяг­чения материала, определяемым энергией меж молекулярной, межатомной связи, вследствие чего происходят необратимые деформации отдельных металлических элементов СЭО и потеря прочности полимерных элементов);

формы петли гистерезиса и других магнитных характеристик материалов, что вызывает изменение индуктивности обмоток, коэрцетивной силы постоянных магнитов и т. п.;

удельного электрического сопротивления проводниковых ма­териалов, что приводит к изменению сопротивления обмоток электрических машин и аппаратов и др.;

удельной проводимости, диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь, а также химического состава (вследст­вие разложения отдельных компонентов) изоляционных мате­риалов, вследствие чего изменяется качество изоляции;

электрической прочности, при котором могут произойти элек­трический пробой, поверхностное электрическое разрушение изо­ляции, а также тепловой пробой.

Электрический пробой происходит в результате образования в изоляции при нагреве электронной лавины с числом электро­нов, равным числу электронов или большим его, необходимых для пробоя.

Поверхностное электрическое разрушение изоляции может произойти в результате возникновения электрической дуги, в ос­новном в газе, находящемся над поверхностью изоляции, или в результате поверхностных дуговых разрядов.

Тепловой пробой происходит, когда количество теплоты, вы­деляющейся внутри изоляции за счет диэлектрических потерь, будет больше количества теплоты, отдаваемой в окружающую среду путем теплопроводности, излучения и конвенции.

При низких температурах также может снижаться надеж­ность вследствие нарушений пайки, соединений металлов с пластмассами, потери прочности пластмассами и снижения эла­стичности резины, нарушения герметичности.

Под воздействием влажности могут изменяться физико-хи­мические, механические свойства материалов и параметры от­дельных элементов СЭО и ЭСА, что обусловливается измене­нием:

проводимости, диэлектрической проницаемости и диэлектри­ческих потерь, электрической прочности изоляции, а также гео­метрических размеров отдельных элементов из изоляционных материалов;

химического состава металлических элементов электрообо­рудования вследствие коррозии, приводящей к изменению механических и электрических свойств материалов.

Механические воздействия, создаваемые ускорениями, уда­рами и вибрацией, могут привести к изменению электрических и механических свойств материалов и параметров отдельных элементов СЭО и ЭСА.

Так, механические воздействия могут вызвать изменение удельной электропроводимости проводниковых материалов, а значит, и изменение сопротивления обмоток электрических ма­шин и аппаратов и др. При упругих деформациях зависит от амплитуды колебаний узлов кристаллической решетки металла, которые при растяжении увеличиваются, а при сжатии умень­шаются. С увеличением амплитуды уменьшается подвижность носителей зарядов и, как следствие, уменьшается , а с умень­шением амплитуды увеличивается. Пластические деформации обычно уменьшают из-за искажения кристаллической решет­ки. Происходящее при деформациях сжатия повышение можно объяснить наличием вторичных явлений - уплотнением метал­ла, разрушением окисных пленок и др.

Изменения механических свойств и параметров отдельных элементов СЭО и ЭСА при механических воздействиях происхо­дят в результате разрушения металлов и диэлектриков. При больших механических напряжениях и сравнительно низких температурах (меньше -температура плавления) разрушение металлов и сплавов обусловлено процессом после­довательного флуктуационного (непрерывного) разрыва атом­ных связей в кристаллической решетке. При малых напряжени­ях и высоких температурах действует диффузионный механизм разрушения - происходит рост трещин из-за образования очагов нарушения межмолекулярных связей.

Воздействия, создаваемые вибрацией, вызывают рост дефор­маций и трещин и таким образом способствуют накоплению ло­кальных дефектов и возникновению усталостных явлений. Такие воздействия зависят от частоты собственных колебаний элемен­тов СЭО и ЭСА. При совпадении частоты вибраций с собствен­ными частотами колебаний элементов в них могут возникнуть значительные механические напряжения, приводящие к различ­ным разрушениям (обрывы выводов кабелей, резисторов, нару­шение пайки и др.).

Для конструктивных элементов аппаратуры наиболее опас­ными являются вибрации с частотами 15...150Гц, вызывающи­ми резонансные явления; при морских перевозках наиболее ве­роятна вибрация в диапазоне 0...30Гц. Например, при эксплу­атации полупроводниковых приборов высокая или низкая температура вызывает растрескивание кристаллов полупровод­ников и изменение электрических характеристик приборов. Под действием высокой температуры происходит высыхание и де­формация защитных покрытий, выделение газов и расплавление припоя. Высокая влажность приводит к коррозии корпусов и выводов вследствие электролиза. Низкое давление уменьшает пробивное напряжение и ухудшает теплоотдачу. Удары и виб­рация вызывают механические напряжения и усталостные яв­ления в элементах конструкции, механические повреждения вплоть до обрыва выводов и др. Для уменьшения отрицатель­ного воздействия внешних механических факторов конструкцию с полупроводниковыми приборами нужно амортизировать, а для улучшения влагостойкости — покрывать защитным ла­ком.

Пыль и другие твердые частицы могут оказывать абразив­ное действие в подвижных частях элементов: автоматических выключателях, щетках, кольцах, коллекторах и подшипниках. Это приводит к ускоренному износу подвижных частей, возни­кающие повреждения могут привести к замыканию между точ­ками с высокими разностями потенциалов.

Биологические факторы, в основном грибковые образования в виде плесени, в наибольшей мере проявляются при повышен­ных влажности и температуре (25...35 ⁰С). Они снижают по­верхностное сопротивление диэлектриков, образуя проводящие перемычки, и разрушают металлические и неметаллические эле­менты выделяемыми кислотами.

Большое влияние на надежность оказывает квалификация обслуживающего персонала, которая проявляется в умении эф­фективно использовать СЭО и ЭСА по назначению, предупре­ждать, отыскивать и устранять отказы. По данным американ­ских исследований, до 30% отказов аппаратуры является след­ствием недостаточной квалификации. Уменьшить влияние этого фактора можно путем автоматизации процессов управления, контроля и поиска дефектов.

Организация ТО и ремонтов оказывает безусловное влияние на эксплуатационную надежность СЭО и ЭСА, так как путем свое­временного и качественного проведения работ по ТО и ремонту обеспечиваются необходимая долговечность и безотказность СЭО и ЭСА с наименьшими затратами времени и средств. Не­соблюдение обслуживающим персоналом ПТЭ приводит к раз­личным повреждениям и отказам оборудования, сокращает его ресурс.

Таким образом, надежность элементов СЭО и ЭСА зависит от многих факторов, и для создания высоконадежных СЭО и ЭСА необходимо изучать эти зависимости и учитывать их.

Учет влияния различных факторов. Одним из практических путей учета влияния таких факторов может быть введение по­правочных коэффициентов. Так, относительное увеличение ин­тенсивности отказов , электрооборудования по сравнению со значениями _н, полученными в нормальных условиях,

где коэффициент, учитывающий изменение величины под воздействием i-го эксплуатационного фактора; к — общее число учитываемых эксплуатационных факторов.

В частности, могут быть приняты следующие поправочные коэффициенты ; для увеличения интенсивности отказов при эксплуатации оборудования в судовых условиях: от действия вибрации— 1,3; от действия ударных нагрузок—1,05; от совместного воздействия этих двух факторов—1,37; от клима­тических условий — при влажности 60...70% и температуре 20...40 °С — 1,0, при влажности 90...98 % и температуре 20-... 25 °С 2,0, при влажности 90...98 % и температуре 30...40 °С -2,5.

Элементы СЭО и ЭСА имеют номинальные уровни электри­ческих нагрузок по току, напряжению, мощности. Для учета фактической нагрузки элемента в процессе эксплуатации вводят коэффициент нагрузки к_н, представляющий собой от­ношение фактического нагрузочного параметра П к его номи­нальному значению П_н:

Под нагрузочным параметром понимают характер­ный для данного элемента параметр (параметры), в наиболь­шей степени определяющий его надежность. Например, нагру­зочный параметр резистора - рассеиваемая мощность, а кон­денсатора - напряжение.

Зависимость интенсивности отказов элементов от коэффи­циента нагрузки обычно является нелинейной и представляется в виде графиков (рис. 3.9, 3.10).

С целью повышения надежности СЭО и ЭСА рекомендуется в ряде случаев принимать коэффициенты нагрузки меньше еди­ницы (табл. 3.6).

При этом следует иметь в виду, что облегчение режимов на­грузки элементов СЭО и ЭСА приводит не только к увеличению надежности, но и к определенному ухудшению КПД и массогабаритных показателей.

Уменьшение интенсивности отказов, наблюдаемых в процес­се эксплуатации, можно рассмотреть на примере некоторых электрорадиоэлементов при их недогрузке в два раза по сравне­нию с предельной нагрузкой, указанной в технических условиях на элемент. Данные приводятся для окружающей температуры 60 °С, которая может иметь место возле деталей внутри ЭСА. При двойной недогрузке по мощности непроволочных резисторов интенсивность их отказов уменьшается примерно в пять раз. При двойной недогрузке по напряжению кон­денсаторов интенсивность их отказов уменьшается: для керами­ческих конденсаторов - в 5...7, для слюдяных-в 10 и для конденсаторов с бумажной изоляцией— в 15...20 раз.

Рис. 3.9. Зависимость поправочного коэффициента от коэффициента нагрузки для электродвигателей и сельсинов

Рис. 3.9. Зависимость поправочного коэффициента от коэффициента нагрузки для электродвигателей и сельсинов

Следует также учитывать, что изменение режимов нагрузки может привести к изменению соотношения между отказами ти­па „обрыв" и „короткое замыкание" (КЗ) для элементов СЭО и ЭСА (табл. 3.7).

Таблица 3.6.

Рекомендуемые величины коэффициента нагрузки

Наименование элемента	Нагрузочный параметр	Продолжительный режим	Кратковременный режим
Резисторы различного типа Конденсаторы Диоды полупроводниковые   Триоды полупроводниковые   Электродвигатели, генераторы, электромагнитные муфты, электромагнитные усилители Вращающиеся трансформаторы Сельсины,тахогенераторы   Реле и автоматические переключающиеся устройства Трансформаторы силовые     Монтажные элементы(панели, платы)	мощность рассеивания   Напряжение Выпрямленный средний ток Обратное напряжение Ток коллектора Мощность рассеивания Рабочее напряжение   Ток якоря Напряжение якоря Напряжение возбуждения     ток возбуждения   напряжение возбуждения   напряжение переключателя ток контактов   ток нагрузки плотность тока в первичной и вторичной обмотках ток контактов напряжение между соседними контактами	0,4…0,7   0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5   0,9 0,9…1,0 0,9…1,0     0,9   0,8   0,6 0,5   0,7 0,8 0,8   0,7	0,4…0,8   0,7 0,7 0,7 0,5 0,5 0,7   1,0 0,9…1,0 1,0     1,0   1,0   0,8 0,7   0,9 0,9 0,8   0,7

Таблица 3.7.

Соотношение между отказами типа «обрыв» и КЗ при разных

Тип элемента	Тип отказа	При ,равном
0,0…0,3	0,3…0,7	0,7…1,0
Резисторы Конденсаторы бумажные и слюдяные Обмотки   Полупроводниковые диоды   Полупроводниковые триоды	Обрыв КЗ Обрыв КЗ Обрыв КЗ   Обрыв КЗ   Обрыв КЗ	0,9…1,0 0,1…0,0 0,25…0.90 0,75…0,10 - -   0,75 0,25   0,0…0,2 1,0…0,8	0,9…0,7 0,1…0,3 0,5…0,1 0,5…0,9 0,02…0,05 0,98…0,95   0,75…0,95 0,25…0,05   0,20…0,05 0,80…0,95	0,7 0,3 0,5…0,1 0,5…0,9 0,05 0,95   0,55 0,45   0,0…0,05 1,0…0,95

Таблица 3.8.

Показатели надежности некоторых видов СЭО и ЭСА

Наименование элементов	,ч-1
Синхронные генераторы Асинхронные электродвигатели Электрические машины постоянного тока Электрические машины разные( возбудители к синхронным генераторам, преобразователи постоянно-переменного тока, сельсины) Трансформаторы Автоматические выключатели воздушные Контакторы Реле, электромагнитные Путевые и конечные выключатели, кнопки Электроизмерительные приборы Резисторы различные Конденсаторы различные Полупроводниковые диоды Транзисторы и тиристоры Транзисторно-логические элементы Полупроводниковые интегральные схемы Судовая управляющая микро ЭВМ фирмы «Роботрон» (ГДР) Лампы, электрические патроны, предохранители Клеммные колодки и контакты Шины и монтажные провода	25…105 1…48 11…70     7…54 4…5 13…16 5…22 5…15 3…12 8…12 0,6…18 0,3…11 0,5…8 5…19 9,2 0,6…0,9   0,1…10 0,01 0,01	3,0 1,5…2,5 1,2…4,3     0,8…2,2 1,5…1,6 0,8 1,1…1,3 0,8…0,9 0,2…1,2 - 0,8…1,0 0,8 0,7 0,9…1,2 1,5 -   0,2…0,3 -

-на один контакт

-на один выход

Все вышеперечисленные факторы и ряд других должны учитываться при определении показателей надежности по спра­вочным данным. В расчетах надежности судовых электрических систем обычно используются показатели надежности элементов, полученные в результате обработки данных по отказам и из тех­нической документации (табл. 3.8).