fd02aed

ления и оптимизации эксплуатации элементов систем по ресурсу. Используют ряд моделей, учитывающих влияние обслуживания на надежность сложных систем.

При построении этих моделей учитывают свойства и характеристики восстанавливаемости сложных систем, возможности обеспечения надежности при длительной эксплуатации путем предварительной замены элементов. Используют также модели эксплуатации с различными видами резервирования и применяют разнообразные модели оценки числа запасных элементов с учетом периодичности их пополнения.

Организационно-методические вопросы ремонта включают определение показателей ремонтопригодности систем, выбор методов их статистического оценивания, обоснование и планирование ремонта систем.

Важным вопросом в исследовании надежности систем при эксплуатации является техническая диагностика, которая направлена на предупреждение и выявление неисправностей. Задача диагностирования заключается в определении технического состояния системы. Для сложных технических систем все более возрастает необходимость решения задач технической диагностики на этапах проектирования, производства и эксплуатации.

В условиях эксплуатации большое значение имеют внешние воздействующие факторы. Всякая система предназначена для эксплуатации в определенных условиях окружающей среды. На систему воздействуют такие внешние факторы, как температура, влажность, давление, осадки в виде дождя и снега, биологические вредители, режимы работы и др. В зависимости от условий эксплуатации изменяются количественные значения показателя надежности. В связи с этим при конструировании технических систем одним из важнейших моментов является прогнозирование условий их эксплуатации с целью максимально возможной защиты системы от неблагоприятно воздействующих факторов. Точное знание условий эксплуатации позволяет учесть основные воздействующие факторы при разработке программы испытаний системы или отдельных ее узлов и блоков. Однако моделирование условий эксплуатации в полном объеме не всегда возможно. Поэтому при разработке программы испытаний с помощью исследования необходимо выбрать такие воздействия, которые оказывают наибольшее влияние на надежность, учитывая при этом наличие стендового оборудования.

261

Таким образом, как разработчику, так и эксплуатационнику системы важно знать и характеристики условий эксплуатации и вызываемые этими условиями последствия, сказывающиеся на надежности.

3.7.5.Организационныеметодыобеспечениянадежноститехники

Корганизационным методам обеспечения надежности сложных технических систем следует отнести обеспечения: собственно

организационное, программное, техническое, информационное

инормативное. Эти методы применяют на уровне предприятия, отрасли и межотраслевом уровне.

Организационное обеспечение предусматривает общий порядок создания и применения техники на всех стадиях жизненного цикла.

При создании достаточно простой техники массового производства вопросы качества и надежности решают на этапе разработки. Серийные изделия изготовляет аттестованный инженернотехнический и рабочий персонал по отработанной конструкторской

итехнологической документации. На предприятиях в организационном плане действует система управления качеством продукции. Эта система предусматривает жесткую регламентацию технологических процессов и контрольных операций, а также контроль стабильности характеристик качества продукции, установленных стандартами отрасли или межотраслевыми стандартами. В этой системе накапливают оперативную информацию обо всех видах неполадок производства, об отказах, браке продукции и мероприятиях по их устранению, но такую систему управления качеством нельзя ис-

пользовать при изготовлении уникальных	изделий единичного
и мелкосерийного производства, которые	отличаются новизной
и сложностью.

При создании и производстве сложной техники более приемлемы нормативные документы, разработанные на межотраслевом и отраслевом уровнях, т. к. в создании и производстве подобной техники участвуют многие предприятия страны. В этих документах предусматривают порядок планирования, координации и контроля выполнения проектно-конструкторской разработки и экспериментальной отработки, изготовления и эксплуатации технической системы и ее составных частей, порядка проведения межведомственных и государственных испытаний; метод взаимного обмена информацией о срывах сроков проведения работ, об отказах и других от-

262

клонениях от нормального хода процесса создания системы и ее составных частей; порядок принятия решений в процессе ее создания и использования; порядок обеспечения и контроля качества продукции при разработке, отработке, производстве и эксплуатации.

Организационная структура должна обеспечивать практическую реализацию мероприятий по достижению и обеспечению качества и надежности сложной технической системы на всех стадиях ее жизненного цикла. Работы по созданию сложной технической системы должны проводиться согласно международному стандарту

DEF STAN 00-60.

3.7.6. Конструирование систем электроавтоматики

Система электроавтоматики представляет собой сложное техническое устройство, состоящее из совокупности соединенных определенным образом элементов радиоэлектронной аппаратуры, кабелей, электромеханизмов. При конструировании системы электроавтоматики конструкторские подразделения специализируются по следующим направлениям: по разработке функциональных и принципиальных схем, пультовой аппаратуре, кабельной сети и применению комплектующих элементов. В функцию специалистов, занимающихся комплектующими элементами, входит контроль, связанный с разрешением применения элементов и использования их

внештатных условиях и режимах. Необходимость такого разрешения объясняется тем, что часто из-за ограничения массы и габаритных размеров конструкция должна допускать кратковременные перегрузки элементов, которые бы не приводили к отказу системы.

Надежность системы электроавтоматики, подбирая нагрузку

элементов, не превышающую нагрузку элементов, не превышающую коэффициента нагрузки: kн ≤ 0,5…0,6. Одновременно проводят расчеты тепловых режимов в замкнутом объеме пультовой аппаратуры, предусматривают принудительную вентиляцию или теплообмен с помощью специальных устройств и конструкций.

Для предотвращения окисления контактной группы элементов

всистеме электроавтоматики при конструировании пультовой аппаратуры (пульты, разводные коробки, блоки) предусматривают использование уплотнительных материалов (резиновых прокладок), которые бы не содержали сернистые соединения, т. к. выделение от сернистых соединений вызывает сильное окисление поверхности

263

контактной группы, что приводит к отказу. Для предотвращения подобного типа отказов необходимо использовать покрытие контактов серебром, золотом или платиной. Такой метод существенно предотвращает отказ контактной группы от окисления, но он значительно увеличивает стоимость изделия, поэтому его применяют лишь в тех случаях, когда отказ приводит к аварийной ситуации или невыполнению поставленной задачи.

Важную роль при конструировании системы электроавтоматики играет защита элементов от прямого попадания на них воды во время мойки изделия или дождя, а также наличие конденсата внутри замкнутого объема. Для защиты элементов от прямого попадания воды на них при мойке изделия герметизируют с помощью кожухов, козырьков, чехлов, а также используют резиновые и другие материалы для уплотнения крышек пультов, блоков и коробок. С целью герметизации разъемных соединений используют специальные герметизированные разъемы. Удаление влаги с внутренних поверхностей пультов, блоков от воздействия конденсата осуществляют с помощью влагопоглощающих материалов, например селикогеля, который чаще всего изготовляют в виде порошка и размещают внутри замкнутой поверхности в мешочках.

Для обеспечения надежности кабельных соединений предусматривают применение штепсельных разъемов, отличающихся как числом штырьков, так и формой исполнения, а также, по возможности, выбирают такие длины кабелей, которые бы стыковались только с нужным разъемом.

Важное место при разработке функциональной схемы электроавтоматики занимает способ повышения надежности резервированием как отдельных элементов, так и каналов. Различные способы резервирования по-разному влияют на количественные показатели надежности.

При разработке системы электроавтоматики её надежность целесообразно оценивать по критериям, основанным на оценке физических свойств элементов схемы. Различают четыре группы основных критериев:

• группа 1 – критерии, по которым оценивают правильность формулировки технического задания и устанавливают необходимость дополнительной его проработки и корректирования; с помощью этой группы критериев анализируют структурную, функцио-

264

нальную и принципиальную схемы системы электроавтоматики, а также дают характеристику надежности функционирования схемы и получения ее параметров, заданных в техническом задании на разработку;

•группа 2 – критерии, по которым оценивают качество и надежность элементов, применяемых в системе электроавтоматики; по этой группе критериев определяют режимы работы элементов

ивлияние выбранных режимов на надежность системы электроавтоматики;

•группа 3 – критерии, по которым оценивают эффективность

идостаточность принятых мер при разработке конструкции самой системы электроавтоматики, её блоков, пультов и других элементов для обеспечения надежной работы изделия в реальных условиях эксплуатации;

•группа 4 – критерии для оценивания эксплуатационных характеристик системы электроавтоматики и влияние этих характеристик на надежность.

Перечисленные критерии основаны на тщательном изучении исходных данных, выдаваемых для разработки системы электроавтоматики, анализе схем, режимов их работы, конструкции, т.е. на изучении физических процессов, которыми сопровождается работа системы электроавтоматики. Оценка критериев тесно связана с проектированием, отработкой, серийным производством и эксплуатацией изделий. Анализ критериев, выполняемый в процессе разработки системы, помогает разработчику найти правильные решения при ее конструировании. Необходимо отметить, что рассмотренные критерии не дают исчерпывающих сведений о разрабатываемой системе электроавтоматики, однако могут служить в качестве определенного направления разработок таких схем.

Оценку выполнения критериев можно производить методом расчетного анализа схем и конструкций и изучением результатов испытаний. По своей сути критерии надежности предназначены для оценки безотказности, долговечности, ремонтопригодности, сохраняемости изделия на этапе разработки и выдаются в виде указаний по устранению недостатков и совершенствованию методов проектирования.

Наряду с использованием характеристических критериев часто выявляется необходимость применения вероятностных методов

265

оценки надежности изделий на этапе разработки. Обе группы критериев не исключают друг друга, а лишь дополняют наши сведения о надежности изделия. Вероятностные критерии позволяют дать количественную оценку надежности изделия, как на этапе разработки, так и по результатам испытаний и эксплуатации.

3.7.7. Пути повышения надежности систем электроавтоматики при проектировании

В состав сложной технической системы, наряду с механическими, гидравлическими и пневматическими системами, обязательно входит система электроавтоматики. Мероприятия по повышению надежности этой системы проводят на этапах проектирования, изготовления и эксплуатации. Стоимость эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры значительно превышает стоимость ее разработки и изготовления, поэтому гораздо выгоднее основные средства направлять на создание надежных систем, чем обеспечивать работоспособность готового изделия с недостаточной надежностью.

Методы повышения надежности системы электроавтоматики на стадии проектирования определяются схемными и конструктивными решениями.

Схемные методы повышения надежности реализуют по четырем направлениям, они относятся к числу важных и перспективных, чему способствуют следующие обстоятельства.

Во-первых, когда конструктор приступает к проектированию какой-либо системы, он вынужден использовать те детали, которые может изготовлять промышленность. Кроме того, из-за ряда ограничений (на массу, объем, стоимость и т. д.) конструктор вынужден применять далеко не лучшие, с точки зрения надежности, элементы. Поэтому поиски способов получения надежных схем из недостаточно надежных элементов – одна из наиболее важных проблем надежности.

Во-вторых, схемные методы, в отличие от других методов повышения надежности, не требуют проведения больших организаци- онно-технических мероприятий и перестройки производства, для осуществления которых нужно довольно значительное время. Поэтому схемные методы дают возможность в кратчайший срок повысить надежность многих систем.

266

Создание простых схем – одна из сложнейших задач проектирования системы электроавтоматики. Простота решения задачи характеризует эрудицию, талант и опыт конструктора и ученого. Уменьшение сложности систем при одновременном увеличении их надежности сопутствует уменьшению массы и объема системы.

Создание схем с ограниченными последствиями отказов имеет большое значение для систем ответственного назначения. Отказы таких систем подразделяют на две группы: 1) отказы с опасными последствиями, к числу которых относятся схемы, вызывающие чрезвычайные происшествия: разрушения зданий, вынужденные посадки самолетов, аварии, катастрофы и т. д.; 2) отказы без опасных последствий. Схемы систем электроавтоматики, выполняющие ответственные функции, желательно составлять таким образом, чтобы исключить возможность появления отказов с опасными последствиями.

Резервирование является одним из эффективных и перспективных схемных методов повышения надежности элементов и систем. Резервирование широко распространено в живой природе. Несмотря на малую надежность отдельных клеток животных и растений, живые организмы успешно существуют в довольно трудных условиях. Повреждения целых групп клеток далеко не всегда вызывают прекращение жизнедеятельности организма. Следует отметить, что в последнее время инженеры все чаще пытаются проводить аналогии между живыми организмами и машинами с целью нахождения оптимальных схемных решений. Эти попытки отражают стремление использовать комбинации, которые оказались устойчивыми

врезультате естественного отбора в течение миллионов лет. Примерами может служить использование каната, созданного по аналогии со строением деревьев и лиан, в противовес цепи, не имеющей аналогов в природе. Канат, состоящий из многих параллельных волокон, продолжает выполнять свои функции при повреждении многих из них. В цепи, собранной из последовательно соединенных звеньев, достаточно разрушить одно звено, чтобы вся цепь рассыпалась. Этот пример показывает, что изучение и обобщение композиций, оказавшихся устойчивыми при естественном отборе, может быть очень полезным для создания надежных устройств. Поэтому попытки инженерного осмысления биологических связей помогут

вбудущем оказать благотворное влияние на прогресс науки и техники.

267

Благодаря резервированию можно создавать очень надежные системы и элементы. В связи со всё более широким внедрением малогабаритных элементов радиоэлектронной автоматики и сверхминиатюрных деталей электроники появляется реальная возможность широкого применения резервирования систем в малогабаритной аппаратуре.

Схемы с большими допусками изменений параметров элементов и внешних воздействий обеспечивают исправность системы даже в случае применения малостабильных элементов, а также в разнообразных условиях эксплуатации. Такие схемы особенно важны в устройствах для переработки информации, в которых случайные колебания напряжения питания и обратимые изменения параметров элементов при колебаниях температуры и влажности могут привести к трудно обнаруживаемым скрытым отказам, состоящим в потере импульсов или возникновении ложных импульсов.

Конструктивные методы повышения надежности системы электроавтоматики состоят в создании надежных элементов, обеспечении благоприятных режимов их работы, правильном подборе параметров элементов, принятии мер по облегчению ремонта, унификации элементов и систем и микроминиатюризации электронной аппаратуры.

Надежность элемента определяется, в первую очередь, принципом его устройства. Обычно более надежны те элементы, которые не имеют перемещающихся деталей, нитей накала и тонких обмоток. Надежность элемента зависит также от его конструкции, способа изготовления и условий применения. Элементы необходимо применять только в режимах, оговоренных для них техническими условиями. Следует отметить, что при снижении электрических, тепловых и вибрационных нагрузок на элементы интенсивность выхода их из строя значительно уменьшается (иногда в десятки раз). Поэтому конструктор должен стремиться максимально облегчить режимы работы элементов.

При проектировании электронных схем необходимо выполнять следующие рекомендации:

• применять детали с большими запасами по электрическим параметрам – мощность рассеяния на сопротивлениях и напряжение

268

на конденсаторах не должны превышать 50 % номинальных значений; для существенного повышения надежности желательно применять эти и другие элементы в еще более облегченных режимах – 5…10 % номинала;

•выбирать минимально допустимые питающие напряжения, которыми обладают режимы работы элементов схемы, особенно для полупроводниковых приборов;

•максимально облегчать тепловой режим элементов;

•при конструировании транспортируемой электронной аппаратуры особое внимание обращать на ее защиту от ударов и вибраций; правильная амортизация аппаратуры часто является основным фактором, определяющим ее надежность.

При проектировании аппаратуры необходимо учитывать изменение параметров материалов и деталей со временем, т. е. их старение. Учет этого явления обязателен не только для систем, работающих непрерывно, но и для систем, работающих кратковременно. Разброс параметров элементов в конце срока службы или хранения обычно в несколько раз превосходит разброс параметров в начале эксплуатации. Если проектировать аппаратуру с учетом возможных предельных значений параметров элементов в конце срока их службы или хранения, то аппаратура получается сложной и громоздкой. Поэтому при разработке схемы часто предполагают, что все элементы имеют максимальные значения параметров, соответствующие началу эксплуатации, а любой элемент имеет максимальное значение параметра, соответствующее концу срока службы.

Большое внимание должно быть уделено контрольно-измери- тельной аппаратуре, которая является составной частью проектируемой системы. Встроенная в систему, контрольная аппаратура

осуществляет автоматический контроль исправности системы и, по возможности, сигнализирует о месте возникновения отказа.

При конструировании закладывают основы правильной организации технической эксплуатации систем. В первую очередь это относится к мерам по обеспечению ремонта. Процесс восстановления большинства систем после их отказа состоит из двух этапов – отыскания отказавшего элемента и устранения причин его отказа. Анализ статистических данных показывает, что время простоя при ремонте в основном тратится на поиски места возникновения отказа.

269

Второй этап простоя при ремонте, т.е. время устранения отказа, можно уменьшить, если построить систему из блочно-узловых элементов. В этом случае всю систему разбивают на отдельные функционально законченные блоки, которые в электронных системах соединяют между собой кабелями. При таком построении систем весь ремонт состоит в замене вышедших из строя блоков, что значительно ускоряет процесс восстановления. Блочно-узловое конструирование тесно связано с унификацией элементов и систем, которую проводят на основе отбора наиболее надежных вариантов. Это приводит не только к повышению надежности элементов и систем, но и к снижению их стоимости и упрощению изготовления. В ряде случаев удастся создать очень сложные системы из элементов двух-трех типов. Унификация элементов позволяет существенно облегчить ремонт системы.

Микроминиатюризация электронной аппаратуры состоит в значительном уменьшении массы и габаритных размеров аппаратуры, что приводит к одновременному снижению потребляемой мощности

иувеличению возможностей для автоматизации производства. Микроминиатюризация связана с применением совершенно новых принципов конструирования и производства аппаратуры. Различают три основных направления разработки этих принципов – создание микромодулей, создание микросхем и молекулярная электроника.

Микромодули представляют собой наборную конструкцию из микроэлементов – стандартных тонких (доли миллиметра) пластин из керамики площадью в несколько квадратных миллиметров. На каждую пластину наносят один из элементов схемы – конденсатор, сопротивление, катушку индуктивности, диод и т. д. Собранный микромодуль регулируют и затем заливают специальной мастикой. Каждый микромодуль является отдельным блоком системы (усилителем, генератором импульсов и т. д.).

Микросхемы создают, применяя специальную технологию печатного монтажа в сочетании с вакуумным напылением тонких металлических пленок. При этом одни и те же пленки могут быть использованы в различных целях, например в качестве сопротивлений

иобкладок конденсаторов. Существуют различные способы напыления тонких пленок металлов. Применяют «молекулярную металлургию», состоящую в одновременном испарении в соответствующих пропорциях нескольких металлов и напылении на поверхность

270