Классификация отказов и дефектов сложных технических систем

Главная цель экспериментальной отработки СТС — достижение тре­буемого уровня их надежности.

Надежность определяется как свойство объекта 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. Таким образом, надежность характеризуется свойством объекта сохранять во времени свою работоспособность. При этом работоспособное состояние объекта определяется как состо­яние, при котором значения параметров, характеризующих способ­ность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нор­мативно-технической и (или) конструкторской (проектной) доку­ментации.

Событие, заключающееся в нарушении работоспособного состо­яния, называется отказом. Основными причинами отказов являют­ся дефекты конструкции в целом, отдельных ее деталей (являющихся первичными структурными единицами практически любой техничес­кой системы) и соединений.

Под термином «дефект» понимается каждое отдельное несоответ­ствие конструкции установленным требованиям, которое может при­вести к отказу или повреждению при ее эксплуатации. Дефекты со­здаются в основном на этапах конструирования, разработки технологии, а также изготовления деталей, сборки и монтажа изде­лия и его элементов.

Отказы элементов СТС классифицируются на первичные, вто­ричные и ошибочные команды. Отказы всех этих категорий могут иметь различные причины.

Первичный отказ элемента определяется как его нерабочее состо­яние, причиной которого является он сам. Необходимо выполнить ремонтные работы для возвращение элемента в рабочее состояние. Основными причинами первичных отказов являются в основном кон­структивные, производственные (технологические) и так называе­мые деградационные дефекты.

Причинами дефектов конструкции (конструкторских недоработок) элементов (систем, узлов, агрегатов) и изделия в целом являются: неполное соответствие технических характеристик изделий предъяв­ляемым требованиям, связанное с нерациональным выбором прин­ципиальной, структурной, конструктивной схем изделий и всего комплекса; неправильный выбор комплектующих изделий, материл — лов и полуфабрикатов; недостаточный учет возможностей разработ­ки, экспериментальной отработки и ожидаемого качества изготовле­ния изделий; недостаточный учет реальных условий эксплуатации и применения; ошибки при проектировании, конструировании, экс­периментальной отработке изделий.

Производственные (технологические) дефекты возникают по сле­дующим причинам: неполное соответствие качества изготовления из­делий требованиям конструкторской документации, недостаточное качество исходных материалов, неправильный выбор технологии, ошибки в технологической документации, нарушения (при изготов­лении) требований технологии и системы контроля качества продук­ции.

Причинами деградационных дефектов являются естественные про­цессы старения, изнашивания и усталости, которые имеют место при соблюдении всех установленных правил и (или) норм проекти­рования, изготовления и эксплуатации и возникают на заключитель­ной стадии эксплуатации изделий.

Отметим, что в соответствии с причинами, их вызывающими, цервичные отказы могут быть названы конструктивными, производ­ственными (технологическими) и деградационными.

Вторичный отказ такой же, как первичный, за исключением того, что сам элемент не является причиной отказа. Вторичные отказы объясняются воздействием предыдущих или текущих избыточных на­пряжений на элемент и другими причинами. Основные причины этих отказов: избыточные (выходящие за пределы допустимых значений) напряжения электрического тока и другие нежелательные возмуще­ния, источниками возникновения которых могут быть:

• сопряженные (соседние) элементы (системы, узлы, приборы, агрегаты и т. д.);

• окружающая среда (например, метеорологические и геологи­ческие условия, связанные с районом расположения стартово­го комплекса, искусственные или естественные факторы кос­мического пространства в процессе полета);

• персонал ракетно-космического комплекса, если его действия приводят к выходу элементов из строя вследствие нарушения правил (эксплуатации изделий), предусмотренных конструктор­ской документацией (при этом первоначальной причиной воз­никновения вторичных отказов могут быть также дефекты экс­плуатационной документации).

Следует отметить, что устранение влияния источников повышен­ных напряжений на элемент не гарантирует возвращение его в рабо­чее состояние, так как предыдущая перегрузка могла вызвать в нем необратимое изменение.

Ошибочные команды представляются в виде элемента, находяще­гося в нерабочем состоянии из-за неправильного сигнала управления или помех, например — оператор не нажал аварийную кнопку (оши­бочная команда от аварийной кнопки).

Отказы также подразделяют на общие и конкретные. К общим отказам относят: преждевременное срабатывание, невключение в назначенное время, невыключение в назначенное время, отказ во время работы. К конкретным отказам относят такие отказы, как ко­роткое замыкание (электрическое), внешняя или внутренняя утечка тока, ошибочное срабатывание, ошибочная индикация и т. д.

По природе возникновения отказы могут быть внезапными и постепенными.

Внезапные отказы носят случайный характер. Этому виду отказов может не предшествовать постепенное накопление повреждений — он возникает внезапно. Технология создания современных изделий столь сложна, что не всегда удается проследить за скрытыми дефек­тами проектирования и производства, которые проявляются на ста­дии испытаний и эксплуатации. В процессе эксплуатации могут со­здаться условия, при которых скрытый дефект приводит к отказу изделия (пиковые нагрузки, вибрация, удары, линейные и угловые ускорения, температурный скачок, помехи и т. д.). При большом уровне случайных неблагоприятных воздействий внезапный отказ может произойти даже при отсутствии скрытых дефектов.

Постепенный отказ возникает в результате постепенного накоп­ления повреждений, главным образом вследствие износа и старения материалов. Такие отказы называют также параметрическими, по­скольку они связаны с изменением параметров, характеризующих техническое состояние изделия.

Изделия авиационной и ракетно-космической техники являются высоко компьютеризированными объектами. Отказы компьютерно­автоматизированной системы управления полетом ЛА разделяются на аппаратные и программные.

Аппаратным отказом принято считать событие, при котором та или иная компьютерно-автоматизированная система утрачивает ра­ботоспособность и для ее восстановления требуется ремонт или заме­на отказавшей аппаратуры (компьютерного оснащения) на исправ­ную. Программным отказом считается событие, при котором та или иная система изделия утрачивает работоспособность по причине не­доработки программы (несовершенство алгоритма решения задачи, отсутствие программной защиты от сбоев, отсутствие программного контроля за состоянием изделия и т. д.).

Отказ может быть кратковременным, самоустраняющимся. В этом случае он называется сбоем. Характерный признак сбоя заклю­чается в том, что восстановление работоспособности после его воз­никновения не требует ремонта аппаратуры. Причиной сбоя может быть кратковременно действующая помеха, дефекты программы, при­водящие к неблагоприятным временным характеристикам работы ап­паратуры, и т. д.

По стохастическим свойствам отказы разделяются на две груп­пы. К первой группе относятся отказы, которые проявляются детер­минирование и устраняются также детерминированно путем доработ­ки конструкции при принятии нового технологического решения, полностью исключающего повторение подобного отказа. К таким от­казам относятся грубые ошибки в конструкторской или технологи­ческой документации или незнание условий функционирования.

Ко второй группе относятся отказы, связанные со случайной при­родой проявления и (или) случайным характером их устранения. К этой категории относятся отказы изделий, при доработке которых невозможно по каким-либо причинам существенно повысить запасы работоспособности и всегда остается некоторая вероятность их появ­ления. Это — отказы, вызываемые случайным характером протека­ния физико-химических процессов; отказы, причины которых не оп­ределяются однозначно; отказы, вызываемые нестабильным качеством изготовления комплектующих элементов и т. д.

Отказы также можно разделить на фактические и потенциаль­ные. Отказы, которые проявляются на стадии испытаний изделия и его элементов, а также в процессе эксплуатации, называют факти­ческими. Возможные отказы, которые выявляются в результате экс­пертных оценок безопасности и надежности на первоначальных эта­пах проектирования изделия с целью их предотвращения, называют потенциальными. Отметим, что в процессе рассмотрения отказов (в том числе ошибочных команд) и причин их возникновения важно определить значимость каждого вида отказа с тем, чтобы правильно оценить необходимость исключения или уменьшения негативных по­следствий их появления.

В соответствии с делением отказов на потенциальные и факти­ческие мероприятия, направленные на обеспечение безопасности и надежности сложных технических изделий, также принято подразде­лять на две основные группы. Первая из них планируется и разраба­тывается на ранних стадиях опытно-конструкторских работ и направ­лена на устранение причин различных несоответствий, допущенных при разработке схемных и конструкторских решений, приводящих к возникновению отказов и нештатных ситуаций (нештатная ситуация определяется как состояние объекта, не предусмотренное програм­мой штатного функционирования объекта). Мероприятия, состав­ляющие первую группу, называются предупреждающими. Вторая груп­па мероприятий разрабатывается на более поздней стадии опытно­конструкторских работ и направлена на устранение причин дефектов и отказов, обнаруженных в результате контроля и испытаний уже изготовленных первых образцов элементов (агрегатов, узлов, систем) и изделия в целом. Мероприятия, составляющие вторую группу, на­зывают корректирующими.

Мероприятия первой группы разрабатываются на основе каче­ственного анализа с применением специально разрабатываемых экс­пертных методик. Мероприятия второй группы разрабатываются на основе количественного анализа, осуществляемого по результатам кон­троля и испытаний.

Следует также особо отметить, что наряду с рассмотренными группами мероприятий важную роль в обеспечении качества проек­тируемого изделия играют общие организационные и научно-техни­ческие мероприятия, проводимые в сфере проектирования, произ­водства, испытаний и эксплуатации. Они включают мероприятия по совершенствованию и внедрению: систем автоматизированного про­ектирования (САПР), а также современных достижений в области информационных технологий; методов и средств контроля качества; методов автоматизации испытательных стендов и комплексов; систем обеспечения адекватности условий наземных испытаний полетным условиям; эффективных методов и средств диагностирования; мероп­риятий по совершенствованию методов и средств эксплуатации (по­вышения готовности к полету, повышения качества наземного об­служивания, ремонта и т. д.).

Контрольные вопросы

14.