Проблема надежности и ее значение для современной техники

Электронный учебный материал

Минск ◊ БНТУ ◊2015

УДК 681.2 (07)

Автор:

Суровой С.Н.

Рецензент:

Соколовский С.С.

Белорусский национальный технический университет

пр-т Независимости, 65, г. Минск, Республика Беларусь

Тел.(017) 232-77-52 факс (017) 232-91-37

Е-mail: [email protected]

http://www.bntu.by/ru/struktura/facu1t/psf/im/

Регистрационный № _______

Учебное пособие содержит ряд теоретических разделов, рассматривающих основные вопросы теории надежности измерительных устройств. Большое внимание в пособии уделено испытаниям на надежность, различным методам и способам резервирования, а также влиянию условий эксплуатации на надежность. Учебное пособие может быть использовано для самостоятельной работы студентами как заочного, так и дневного отделения специальностей, изучающих дисциплину «Теория и расчет измерительных приборов и систем».

©БНТУ, 2015

© Суровой С.Н., 2015

Содержание:

1. Проблема надежности и ее значение для современной техники……………….………...3

2. Обеспечение надежности……………………………………………………….…………...3

3. Основные понятия теории надежности………………………………………….…………4

4. Экономические показатели надежности……………………………………….…………..7

5. Выбор показателей надежности технических устройств……………………….………...8

6. Оценка функционирования технических устройств………………………..……………..9

7. Факторы, влияющие на выбор показателей надежности………………………..………...9

8. Методика выбора основных показателей надежности технических устройств…..….….11

9. Классификация и причины отказов машин и приборов…………………………..………12

9.1 Источники и причины отказов……………………………………………….………..12

9.2 Классификация отказов……………………………………………………….….…….13

10. Надежность, определяемая процессами, происходящими в элементах и узлах машин

и приборов………………………………………………………………………………..…….15

11.Надежность, определяемая повреждениями механических деталей и сопряжений…....18

12. Надежность, определяемая свойствами проводниковых и изоляционных материалов………………………………………………………………………………...…….21

12.1. Надежность изоляционных материалов………………………………………….…21

12.2. Надежность, определяемая свойствами проводниковых материалов………….…21

13. Общая схема изменения показателей работоспособности………………………...…….23

14. Сроки службы прибора при различных видах отказа. ………………………...…….......24

14.1 Сроки службы при износовых постепенных отказах……………………….………25

14.2 Сроки службы при внезапных отказах………………………………………………26

14.3 Вероятность безотказной работы детали при совместном действии

внезапных и износовых отказов……………………………………………………….…..27

15. Методы и способы функционального резервирования…………………………………..28

15.1 Резервирование элементов электронных схем по нагрузке………………….……..31

15.2 Смешанное резервирование элементов……………………………………….……..32

16. Основные методы повышения безотказности работы……………………………...…....32

17. Виды испытаний на надежность и их классификация……………………………...…....35

18. Планы определительных испытаний……………………………………………...……....36

19. Определение минимального числа объектов наблюдений……………………..……….37

20. Определительные испытания……………………………………………………...……....38

21. Метод однократной выборки………………………………………………………………38

22. Ускоренные испытания. ………………………………………………………….………..39

22.1 Метод усиления режима работы изделия………………………………..………...40

22.2 Метод сокращения простоев и холостых ходов…………………………………..40

22.3 Метод увеличения точности измерения параметров……………………………..40

22.4 Метод условных полей допусков………………………………………………….41

22.5 Метод сопряженных распределений. ……………………………………………..41

22.6 Метод испытаний с использованием закономерностей отказов…………………41

23. Контрольные испытания…………………………………………………………..……..42

24. Контрольные испытания при числе допустимых отказов, равных нулю…….……....43

25. Испытания по методу последовательного анализа……………………………….……43

26. Методы исследовательских испытаний на надежность……………………….……....46

27. Лабораторные испытания……………………………………………………….……….47

28. Граничные испытания……………………………………………………………..……..48

28.1 Аналитический способ…………………………………………………….………..49

28.2 Графический способ. ……………………………………………………………….49

28.3 Графо-аналитический способ………………………………………………………50

29. Условия эксплуатации и их влияния на показатели надежности…………….……….51

29.1. Климатические зоны и факторы, влияющие на надежность…………………….51

30. Особенности имитации действия внешних факторов при организации испытаний

на надежность. …………………………………………………………………………..…...54

30.1 Испытания на вибропрочность……………………………………………………..55

30.2 Испытания на виброустойчивость………………………………………………….55

30.3 Испытания на ударную прочность………………………………………………….55

30.4 Испытания на транспортирование………………………………………………….56

30.5 Испытания на устойчивость к воздействию центробежного ускорения…………56

30.6 Климатические испытания…………………………………………………………..56

31. Назначение гарантийных сроков……………………………………………………..…..58

32. Определение оптимального уровня надежности………………………………….…….59

Литература ……………………………………………………………………………….……61

Проблема надежности и ее значение для современной техники

Проблемой надежности занимались всегда с тех пор, как появилась техника. Ненадежные изделия никогда никому не были нужны.

В последнее время проблема надежности технических систем и входящих в них элементов сильно обострилась. Это обусловлено следующими причинами:

1) ростом сложности современных технических систем, включающих до отдельных элементов.

2) интенсивностью режимов работы системы или ее отдельных частей.

3) сложностью условий, в которых эксплуатируется техническая система.

4)требованиями к качеству работы системы.

5) повышением ответственности функций, выполняемых технической системой, высокой технической и экономической ценой отказа.

6)полной или частичной автоматизацией и исключением непосредственного участия человека при выполнении технической системы ее функций.

Сложность условий, в которых может эксплуатироваться современная техническая система, характеризуется работой в широких диапазонах температур(от до ), наличием вакуума, высокой влажностью (98-100%), вибрациями с большой амплитудой и широким спектром частот, наличием линейных ускорений (10..30)g до 20000g, наличием высокой солнечной радиацией.

Ответственность функций, выполняемых современными техническими системами, связаны с тем, что отказ их приводит к крупным техническим и экономическим потерям, а в ряде случаев это может вызвать катастрофические последствия. Примеров этому очень много: отказ элемента стоимостью в 4 цента привел к аварии в парижском аэропорту Боинга 707, в результате аварии самолет полностью сгорел. В Москве в конце 2005 года произошла авария в системе энергоснабжения. В течении 10 часов огромная территория с более 10 миллионным населением оставалась без света. Убытки составили более 100 млн $. Самой грандиозной аварией, связанной с низкой надежностью оборудования, явилась авария на Чернобыльской АЭС, последствия которой будут оценены лишь будущими поколениями.

Обеспечение надежности

Проблема обеспечения надежности связана со всеми этапами создания изделия, а также со всем периодом его практического использования. Надежность изделия закладывается в процессе его конструирования и расчета, и обеспечивается в процессе его изготовления путем правильного выбора технологии производства, контроля качества материалов, полуфабрикатов, а также условий и режимов изготовления. Надежность сохраняется применением правильных способов хранения изделий и поддерживается правильной эксплуатацией его, планомерным уходом, контролем и ремонтом.

I. При проектировании изделия должны быть учтены следующие факторы:

1).Качество применяемых комплектующих и деталей. Выбор комплектующих и деталей должен быть проведен с учетом условий работы изделия (климатических и производственных условий). Разработка сложных изделий показала, что использование унифицированных узлов и элементов значительно повышает надежность изделия, что связано с тем, что унифицированные элементы лучше отработаны в схемном и конструктивном отношении и имеют установившуюся и хорошо контролируемую технологию изготовления.

2).Режимы работы компонентов и деталей. Режимы должны соответствовать их физическим возможностям. Использование компонентов и деталей в режимах, не предусмотренных для их применения, является одним из источников отказа. Неправильный выбор рабочих режимов обычно происходит от незнания конструктором свойств элементов, их характеристик, влияния различных физических факторов и особенностей применения.

3).Доступность всех частей изделия (деталей, узлов, блоков) для осмотра, контроля, ремонта или замены.

4).Защитные устройства. При проектировании машин необходимо такое построение схем и конструкций, чтобы отказ элемента или узла не приводил к аварийному состоянию всего изделия.

II. При производстве изделий должен соблюдаться ряд условий, связанных с поддержанием технологической дисциплины.

1).Должный контроль качества, т.е. физико-химических свойств, характеристик и параметров материалов и комплектующих.

2).Недопущение нарушения режимов технологии сборки и правил электрического монтажа.

3).Должный контроль по операциям при выпуске готовой продукции.

4).Периодическая проверка качества и надежности готовой продукции.

III. При эксплуатации изделий основными факторами, влияющими на надежность, являются:

1).Условия эксплуатации (производственные и климатические).

2).Тщательно продуманная система технического обслуживания.

3).Квалификация и ответственность обслуживающего персонала имеют немаловажное значение для обеспечения надежности и долговечности изделий.

Можно оценить хотя бы приближенно значение отдельных факторов на надежность изделия. Исследование отказов и дефектов различных видов оборудования показывает, что 40-45 % от общего числа отказов происходит от ошибок, допущенных при проектировании, 20 % - от ошибок при производстве, 30 % приходится на долю эксплуатационных условий и неправильных режимов использования, 5-7 % - на отказы естественного износа и старения.

Основные понятия теории надежности

В настоящее время в РБ действует ГОСТ 27.002 «Надежность в технике. Основные понятия, термины, определения», регламентирующий терминологию в области надежности в технике. ГОСТ направлен на решение ряда задач, из которых важнейшими являются:

1).Достижение единства основных терминов, применяемых в документации всех отраслей промышленности, в технической и учебной литературе.

2).Введение во вновь разрабатываемые стандарты показателей надежности промышленных изделий.

3). Применение объективных методов математической статистики при оценке надежности, долговечности изделий.

ГОСТ содержит 120 основных терминов по надежности, общих для разных отраслей техники, без которых не возможно взаимопонимание специалистов различного профиля. Все термины можно разделить на 10 групп:

1).Общие понятия

2).Состояния

3).Дефекты, повреждения, отказы

4).Временные понятия

5).Техническое обслуживание, ремонт

6).Показатели надёжности

7).Резервирование

8).Нормирование надёжности

9).Обеспечение, определение и контроль надёжности

10). Испытания на надёжность

Понятие работоспособности и неисправности не тождественны. Это связано с тем, что все параметры, характеризующие изделия, можно разделить на 2 группы:

1).Параметры, влияющие на эксплуатационные показатели изделия.

2). Параметры, не влияющие на эксплуатационные показатели изделия.

Исправность предполагает, что выполняются все требования, относящиеся к 2 группам, а работоспособность – лишь к первой группе.

Важнейшие исходные понятия теории надёжности, а именно работоспособность изделия определяется как такое его состояние, когда оно способно выполнять свои основные функции, с параметрами, удовлетворяющими требованиям технической документации.

Изделие будет иметь возможность, т.е. будет нормально выполнять свои функции до тех пор, пока не случится какого либо события, вследствие которого оно перейдёт из работоспособного в неработоспособное состояние.

Переход изделия из работоспособного состояния в неработоспособное называется- отказом.

Возвращение изделия из неработоспособного состояния в работоспособное состояние называется восстановлением работоспособностиизделия, и обычно для восстановления работоспособности требуется ремонт, регулировка либо другое вмешательство со стороны обслуживающего персонала. Но возможно и самовосстановление– когда вышедший за границу области допустимых значений параметр возвращается в неё за счёт самопроизвольного изменения условий эксплуатации.

При этом переход одного или нескольких параметров через границу области допустимых значений может происходить как непрерывно, так и скачкообразно. Если речь идет об отдельной детали или элементе, то характеристикой ее работоспособности является срок службы или наработка.

Срок службы – календарная продолжительность работы изделия или детали.

Наработка – это продолжительность работы изделия в часах, или в единицах, характеризующих длительность работы изделия.

Общее понятие куда входит группа свойств содержит:.

1) безотказность

2) ремонтопригодность

3) сохраняемость

4) надежность

5) долговечность

Свойство изделия сохранять свою работоспособность в течение заданного времени без вынужденных перерывов называется его безотказностью. Безотказность конкретного изделия измеряется наработкой до первого отказа.

После отказа работоспособность изделия, как правило, может быть восстановлена. При этом обнаружение отказа, выявление его причин и устранение могут потребовать больших или меньших затрат времени и труда в зависимости от конструкции изделия, наличия запасных частей, необходимого инструмента.

Приспособленность изделия к восстановлению его работоспособности после отказа и к поддержанию работоспособности путем предупреждения отказов называется ремонтопригодностью.

Надежность изделия зависит также от его приспособленности к хранению и транспортировке. Не редки случаи, когда изделия, например приборы, после транспортировки либо вовсе теряют свою работоспособность, либо их показатели точности на столько снижаются, что при использовании прибора отказ наступает достаточно скоро.

Свойство изделия сохранять свою безотказность и тем более работоспособность в определенных условиях его хранения и транспортировки называется его сохраняемостью.

Указанные три свойства (безотказность, ремонтопригодность и сохраняемость) в совокупности определяют надежность изделия, т.е. свойство его выполнять заданные функции, сохраняя эксплуатационные показатели (основные параметры) в заданных пределах в течение требуемого времени.

Основным показателем надежности является вероятность безотказной работы P(t) в пределах заданного времени t.

P(t)<1

Часто вероятность безотказной работы называется коэффициентом надежности. Она оценивает вероятность того, что за период времени t или же в заданном интервале времени при регламентированных режимах работы и условиях эксплуатации прибора отказ не возникает.

где –суммарная интенсивность отказов

При оценке безотказности прибора нас интересует сам факт прекращения нормального функционирования прибора и не интересует время и средства, необходимые для восстановления утраченной работоспособности.

Значение P(t) имеет смысл лишь при указании периода времени, в течение которого должно выполняться условие выполнения безотказности работы прибора.

Безотказность работы машины или прибора характеризуется и другими показателями. Например такими, как наработка на отказ Тср. – среднее время работы или наработка между отказами, –интенсивность отказов – вероятность отказа неремонтируемого изделия в единицу времени после данного момента времени t при условии, что отказ до этого момента не возникал. Безотказность характеризует непрерывное сохранение работоспособности прибора или машины. Длительность отказа, т.е. время которое требуется для восстановления утраченной работоспособности при этом не рассматривается.

К этим свойствам непосредственно примыкает и долговечность. Это свойство изделия сохранять свою работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонта.

Время работы изделия или его наработка до предельного состояния, оговоренная в технической документации, называется ресурсом.

Предельное состояние обуславливается физической стойкостью изделия, опасностью его дальнейшей эксплуатации либо экономическими факторами. Для многих машин и приборов – это время до капитального ремонта либо весь период эксплуатации до наступления морального износа. Долговечность изделия зависит главным образом от долговечности деталей. Определить долговечность любой детали сравнительно просто, так как она определяется числом часов работы или наработки. Значительно труднее определить долговечность всего изделия в целом.

Любое изделие можно ремонтировать много раз, заменяя изношенные детали. Стремиться при всех условиях к максимальной долговечности технического изделия было бы неправильно, т.к. необоснованно завышенные сроки работы машин и приборов могут привести к техническому застою, затормозить темпы технического прогресса. Очевидно, что для каждого вида изделия должны быть выбран и обоснован показатель не машинальной, а оптимальной долговечности. Необходимо подчеркнуть, что долговечность и безотказность не идентичные понятия. Они отражают разные стороны одного явления.

Рассмотрим 6-ую группу показателей:

Они разбиты на 5-ть подгрупп по свойствам и выделена подгруппа комплексных показателей.

В ГОСТ приводится 29 терминов, характеризующих показатели надежности. Часть из них могут быть достаточно просто выражены с помощью математических формул, которые приводятся в приложении ГОСТа.

Показатели:

1. -процентный ресурс

2. наработка на отказ

3. средняя наработка до первого отказа

4. среднее время восстановления

5. коэффициент готовности

6. коэффициент технического использования

7. интенсивность отказов

8. параметр потока отказов

Ряд показателей в общем виде трудно выразить с помощью формул:

1. ресурс

2. назначенный ресурс

3. срок службы

4. срок гарантии

5. гарантийная наработка