Тема№1. Основные понятия и определения теории надёжности (стр. 1 )

Тема№1. Основные понятия и определения теории надёжности

Эффективность функционирования САУ в значительной степени зависит от надежности как отдельных устройств, входящих в системы, так и аппаратуры, обеспечивающей взаимодействие между этими устройствами.

Низкая надежность аппаратуры не только приводит к значительным простоям САУ, но и удорожает стоимость их эксплуатации. Кроме того, отказы технических устройств могут привести к аварийным ситуациям, последствия которых трудно представить.

Основными причинами, определяющими повышенное внимание к проблемам надежности, являются: 1) рост сложности аппаратуры и появление сложных САУ; 2) более медленный рост уровня надежности комплектующих элементов по сравнению с ростом числа элементов в аппаратуре; 3) увеличение важности выполняемых аппаратурой функций и, как следствие этого, повышение требований к надежности аппаратуры; 4) усложнение условий эксплуатации.

Под теорией надежности следует понимать научную дисциплину, изучающую закономерности возникновения отказов и восстановления аппаратуры и исследующую эффективность различных мероприятий по повышению надежности технических средств.

Теория надежности изучает: критерии и количественные характеристики надежности; методы анализа надежности элементов и систем; методы синтеза элементов и систем с заданной надежностью; методы повышения надежности аппаратуры на этапах проектирования и эксплуатации; методы испытания ап­паратуры на надежность.

Математическая логика позволяет на языке математики представить сложные логические зависимости между состояниями системы и ее комплектующих частей.

Теория вероятностей, математическая статистика и теория вероятностных процессов дают возможность учитывать случайный характер возникающих в системе событий и процессов, формировать математические основы теории надежности.

Теория графов, исследования операций, теория информации, техническая диагностика, теория моделирования, основы проектирования систем и технологических процессов — такие научные дисциплины, без которых невозможно было бы развитие науки о надежности. Они позволяют обоснованно решать задачи надежности. В свою очередь, развитию этих научных дисциплин содействуют исследования надежности.

Основные направления развития теории надежности следующие.

1. Развитие математических основ теории надежности. Обобщение статистических материалов об отказах и разработка рекомендаций по повышению надежности объектов вызвали необходимость определять математические закономерности, которым подчиняются отказы, а также разрабатывать методы количественного измерения надежности и инженерные расчеты ее показателей. В результате сформировалась математическая теория надежности. Ее возникновение—исходный пункт создания науки о надежности.

2. Развитие методов сбора и обработки статистических данных о надежности. Обработка статистических материалов в области надежности потребовала развития существующих статистических методов и привела к накоплению большой статистической информации о надежности. Возникли статистические характеристики надежности и закономерности отказов. Работы в этом направлении послужили основой формирования статистической теории надежкости.

3. Развитие физической теории надежности. Наука о надежности не могла и не может развиваться без исследования физико-химических процессов. Поэтому большое внимание уделяется изучению физических причин отказов, влиянию старения и прочности материалов на надежность, разнообразных внешних и внутренних воздействий на работоспособность объектов. Совокупность работ в области исследования физико-химических процессов, обусловливающих надежность объектов, послужила основой физической теории надежности.

В конкретных областях техники разрабатывались и продолжают разрабатываться прикладные вопросы надежности, вопросы обеспечения данной конкретной техники (полупроводниковые при­боры, судовые установки, транспортные машины, вычислительная техника, авиация и т. д.). При этом решается также вопрос о наиболее рациональном использовании общей теории надежности в конкретной области техники и ведется разработка новых положений, методов и приемов, отражающих специфику данного вида техники. Так возникли прикладные теории надежности, в том числе прикладная теория надежности АСУ. В каждом из перечисленных направлений, в свою очередь, выделялись самостоятельные разделы. Например, в математической теории надежности самостоятельное значение приобрели модели управления запасами, резервирования, прогнозирования, эффективности с учетом экономических факторов и т. п.

Основным понятием в теории надежности является понятие системы, под которым понимается совокупность совместно действующих объектов, предназначенных для выполнения заданных функций. Понятие «система» является в определенной степени условным. В зависимости от объектов исследования, от тех задач, которые поставлены перед специалистами, в понятие «система» могут попадать различные совокупности объектов. Например, в качестве систем могут рассматриваться автоматическая система управления движением судна, электронная вычислительная машина, двигатель и т. д.

Все системы, рассматриваемые в теории надежности, могут быть разделены на восстанавливаемые, в которых после появления отказа происходит замена отказавшего объекта и невосстанавливаемые, в которых замена не производится.

Объекты, образующие системы, представляют собой элементы системы. В теории надежности под элементом понимают часть системы, которая имеет самостоятельную характеристику надежности, используемую при расчетах и выполняющую определенную частную функцию в интересах системы. Таким образом, очевидно, что деление системы на отдельные элементы нельзя осуществлять произвольным образом. Примерами элементов для систем, перечисленных выше, могут служить соответственно исполнительный механизм рулевого привода, запоминающее устройство ЭВМ, шатунно-кривошипный механизм. Каждый из этих элементов можно рассматривать в качестве системы, состоящей из более мелких элементов.

Все элементы, используемые в САУ, можно разделить на первичные (типа радиоэлементов, двигателей и т. д.) и элементы, состоящие из первичных элементов (типа электронных усилителей, электромашинных усилителей и т. д.).

Как правило, либо путем анализа физических процессов, либо путем проведения испытаний, либо из опыта эксплуатации определяют характеристики надежности первичных элементов. Для остальных элементов, в том числе и для систем, характеристики надежности определяются с учетом характеристик надежности первичных элементов различными расчетными методами.

В зависимости от конструкции и принципов работы первичные элементы, используемые в САУ, можно разделить на механические (редукторы, переключатели, кнопки и т. д.), электромеханические (электродвигатели, тахогенераторы и т. д.), электронные (электровакуумные и полупроводниковые приборы, интегральные схемы).

Каждая группа элементов имеет свои особенности относительно надежности, что приводит к необходимости учитывать эти особенности при проведении расчетов показателей надежности.

Элементы и системы могут находиться в двух состояниях: работоспособном и неработоспособном, Понятие работоспособности является одним из основных понятии теории надежности. Работоспособность — это такое состояние системы или элемента, при котором они способны выполнить заданные функции, сохраняя значения заданных параметров в пределах, установленных нормативно-технической документацией.

Событие, заключающееся в нарушении работоспособности, называется отказом. По характеру возникновения отказы можно классифицировать следующим образом: 1) внезапные отказы, характеризующиеся скачкообразным изменением параметров системы или элемента; 2) постепенные, характеризующиеся по­степенным изменением параметров системы или элемента.

Рассмотрим более подробно понятие отказа для элементов САУ. Например, для такого первичного элемента, как транзистор, очень часто отказы возникают из-за пробоя коллекторного и эмиттерного переходов. В этом случае две точки схемы оказываются соединенными накоротко. Подобный отказ носит название внезапного отказа типа «короткое замыкание». Следует отметить, что отказ типа короткого замыкания характерен также и для такого первичного элемента, как конденсатор. У транзисторов существует и другой тип отказов, когда происходит сгорание внутренних соединений кристалла с внешними контактами или нарушение внешних контактов. В этом случае сопротивление между двумя точками схемы становится равным бесконечности. Такой отказ носит название внезапного отказа типа «обрыв». Отказы типа «обрыв» характерны также и для таких первичных элементов, как резисторы.

Кроме внезапных отказов у транзисторов возможны и постепенные отказы, связанные с изменением параметров. Для транзисторов одними из основных параметров являются коэффициент передачи по току в схеме с заземленным эмиттером и обратный ток коллекторного перехода. С течением времени, как правило, значение коэффициент передачи по току уменьшается, а обратный ток коллекторного перехода увеличивается.

При достижении некоторых критических значений схема, в которой установлен транзистор, прекращает выполнять свои функции, что и является признаком отказа транзистора. Очевидно, что понятие постепенного отказа транзистора является в определенной степени условным, так как транзистор, отказавший в одной схеме, может быть использован в другой схеме, которая менее критична к изменению его параметров. Поэтому оценку надежности по постепенным отказам целесообразно проводить не для первичных элементов, а для элементов, которые состоят из первичных элементов и выполняют определенные функции (функциональные элементы типа усилителя).

Рассмотрим понятие отказа для систем автоматического регулирования и управления. Для этих систем одним из важнейших требований является требование устойчивости системы. Если система устойчива, то в этом случае обеспечивается поддержание заданного значения некоторого параметра (например, курса судна) при различных внешних воздействиях (волнение моря, ветровая нагрузка и т. д.). Отказ одного из элементов системы может привести к нарушению устойчивости, что представляет собой отказ системы. Следует заметить, что нарушение устойчивости, а следовательно, и отказ системы, может произойти за счет изменения параметров у отдельных элементов, образующих систему. Поэтому, исходя из требований к процессу функционирования системы, для отдельных элементов должны быть определены допустимые отклонения их параметров.

Для САУ наряду с требованиями устойчивости предъявляется требование обеспечения заданного качества переходного процесса. Пусть, например, график изменения регулируемого параметра во времени имеет вид, показанный на рис. 1-1. Параметрами переходного процесса являются: — перерегулирование; — время установления переходного процесса. Кроме того, для большинства систем существует — установившаяся ошибка. Для каждой системы величины , , , являются заданными, причем представляет собой установившееся значение регулируемого параметра.

Отказы отдельных элементов, а также изменения параметров элементов могут привести к тому, что указанные выше параметры будут превышать заданные, что также представляет собой отказ системы.

Для систем автоматического регулирования и управления большое значение имеют сбои. Сбой — событие, заключающееся в том, что в результате изменения параметров элементов под воздействием внутренних или внешних причин система (или элемент) в течение некоторого времени прекращает выполнение своих функций. Правильная работа аппаратуры в этом случае восстанавливается самопроизвольно, без вмешательства извне. Таким образом, сбой —это самоустраняющийся отказ, приводящий к кратковременному нарушению работоспособности.

Сбои особенно опасны для систем, в которых используются ЭВМ, так как следствием сбоя является искажение информации (исходных данных, управляющих воздействий и т. д.), что приводит к неправильному функционированию системы. Сложность проблемы заключается в том, что сбой длится небольшое время, после чего система вновь становится работоспособной и установить наличие искажения информации становится затруднительным. Учитывая специфику появления сбоев, следует отдельно рассматривать методы расчета надежности и методы обеспечения надежности при наличии сбоев.

На основании использования понятий работоспособности и отказа можно сформулировать также очень важные для теории надежности понятия «безотказность», «сохраняемость», «ремонтопригодность» и «восстанавливаемость».

Безотказность — свойство системы или элемента непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки. Сохраняемость — свойство системы или элемента непрерывно сохранять исправное, работоспособное состояние в течение всего времени хранения. Ремонтопригодность — свойство системы или элемента, заключающееся в приспособлении к предупреждению и обнаружению причин возникновения их отказов, повреждений и устранению их последствий путем проведения ремонтов и технического обслуживания. Восстанавливаемость — свойство системы или элемента, заключающееся в проведении восстановительных работ после появления отказа с целью восстановления работоспособности. Надежность — свойство системы или элемента выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортировки. Надежность определяется безотказностью, ремонтопригодностью и сохраняемостью. Долговечность — свойство системы или элемента сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов.

Таким образом, можно видеть, что понятие надежности является фундаментальным понятием, которое охватывает все стороны технической эксплуатации элементов и систем. В первую очередь, надежность является составной частью более широкого понятия — эффективности. Под эффективностью понимается свойство системы или элемента выполнять заданные функции с требуемым качеством. На эффективность функционирования системы наряду с надежностью влияют и другие характеристики, например точность, помехоустойчивость и т. д.

В целях обеспечения надежности в САУ широко используется введение избыточности. Избыточность — дополнительные средства и возможности сверх минимально необходимых для выполнения САУ заданных функций. Резервирование — метод повышения надежности путем введения избыточности.

В процессе эксплуатации САУ проводится целый ряд работ, направленных на повышение надежности, которые носят название профилактических. Профилактические работы — совокупность планируемых осмотров и ремонтов аппаратуры, целью которых является обеспечение требуемых характеристик надежности.

Тема№2 Факторы, влияющие на снижение надежности

и определяющие надежность ИС

Все отказы ТУ происходят вследствие воздействия различных факто - ров, к которым относятся физические, физико-химические и химические, биологические и эксплуатационные факторы.

Физические причины возникновения отказов

Физические причины или факторы возникновения отказов представ - ляют собой физические явления, процессы и свойства среды, воздейст - вующие на ТУ и наносящие им вред и тем самым ухудшающие их состоя- ния.

Физические факторы делятся на внешние и внутренние.

Внешние физические факторы являются совокупностью свойств внешней окружающей среды, оказывающих влияние на работоспособность ТУ. К ним относятся чрезмерно высокая или низкая окружающая темпера - тура, осадки, высокая влажность воздуха, низкое давление, наличие в воз - духе взвешенной пыли, аномальные электромагнитные проявления окру- жающей среды.

Внутренние физические факторы представляют собой те явления и процессы, которые, развиваясь в ТУ во время их функционирования, од - новременно влияют на состояние и рабочие режимы этих же ТУ и их со - ставных элементов, а также ТУ, взаимосвязанных с ними. Сюда можно от - нести вибрацию, внутренний перегрев и другие факторы.

Под влиянием длительного воздействия на ТУ физических факторов происходит износ элементов (деталей сложных ТУ) и старение материа - лов, из которых они выполнены.