Учебник по Технологии

результатам испытаний ограниченного числа экземпляров. Имеются два варианта постановки этой задачи, обычно связанные с различным назначением испытаний:

1)может быть поставлен вопрос, соответствуют ли значения показателей надежности заданным требованиям. Этот вопрос обычно возникает при контрольных и приемо-сдаточных испытаниях. При такой постановке задачи решение обычно ищется путем проверки статистических гипотез;

2)можно ставить вопрос об определении численных значений показателей надежности испытуемых объектов. Такие вопросы возникают при испытаниях блоков, узлов, макетов аппаратуры в ходе

ееконструирования и применения. В данном случае обычно применяются методы оценки параметров распределения наработки на отказ.

Общие методы решения подобных задач в математической статистике разрабатываются уже давно. Применение этих методов для оценки результатов испытаний на безотказную работу обычно не вызывает принципиальных затруднений.

Испытания на безотказную работу различаются по значению и характеру внешних воздействий на испытываемые изделия.

До проведения определительных и контрольных испытаний проводятся аппроксимация имеющихся экспериментальных данных каким-либо теоретическим распределением и проверка статистической гипотезы о том, что принятое теоретическое распределение не противоречит экспериментальному.

Для проведения испытаний составляется план, в котором указываются: количество объектов, которое ставится на испытания; порядок замены отказавших объектов, продолжительность испытаний.

Результаты испытаний обычно представляют в виде упорядоченной последовательности (вариационного ряда) чисел, которые являются значениями наработки до отказа объектов.

Параметрическая надежность технических объектов

Если отказы происходят из-за плавных изменений свойств объектов, то эти отказы называют параметрическими или постепенными. Надежность в отношении параметрических отказов часто называют параметрической надежностью. Для оценки надежности объектов по данным о приближении к отказам необходимо составить модели процессов развития отказов. Могут быть составлены

439

модели типа нагрузка-прочность и параметр-поле допуска. В обоих случаях объект является работоспособным, пока изменяющаяся в процессе эксплуатации величина не достигнет границы рабочей области. Между моделями этих типов имеются лишь методологические различия.

Поскольку цель исследования надежности состоит в нахождении распределения наработки до отказа, в моделях процессов развития отказов хотя бы один из факторов должен рассматриваться как случайный процесс. Особенности случайных процессов старения, изнашивания, разрегулирования заключаются в том, что они вызывают грубые отказы. Такой отказ является следствием накопления необратимых изменений материалов. Иначе говоря, возникновение этого отказа является следствием монотонного случайного процесса изменения какого-то параметра элемента. Отличие от постепенного отказа состоит в том, что не контролируется изменяющийся параметр, при достижении которым критического значения (границы) наступает внезапный отказ элемента, обычно связанный с его механическим повреждением.

Таким образом, любой отказ объекта связан со случайным процессом (в общем случае векторным) изменения определяющего параметра и происходит при достижении этим параметром критических значений.

При эксплуатации или хранении удается лишь 1–2 раза измерить значения определяющего параметра одинаковых элементов. Поэтому часто оказывается, что можно лишь предполагать по данным ограниченного числа вертикальных сечений, какой в действительности случайный процесс изменения параметра. Таким образом, обычно в ходе исследования приходится интерполировать и экстраполировать значения определяющего параметра элемента. Для этого необходимо иметь гипотезу о характерном виде кривых износа. Естественно предположить, что в основной период работы скорость изменения параметра каждого элемента примерно постоянна. Для наугад взятого элемента скорость изнашивания случайна – для каждого элемента – своя.

По изложенным причинам для описания процессов изнашивания во многих случаях целесообразно применять линейные случайные процессы, все реализации которых являются прямыми линиями. Эти процессы близки к встречающимся в действительности, очень просто описывают основные особенности процессов изменения параметра, требуют минимального количества эксперимен-

440

тальных данных для вычисления характеристик случайного процесса и дают возможность наиболее просто исследовать надежность элементов при изменении их свойств.

Связь показателей надежности и качества функционирования технологических систем

Под качеством функционирования технологических систем обычно понимают степень приспособленности системы к выполнению ею своего основного назначения. Соответствующий количественный показатель называют показателем или критерием качества функционирования. Вид показателя качества функционирования и его значение во многом определяются видом решаемой задачи, зависят от цели, которую при этом стремятся достигнуть.

Существуют три группы показателей функционирования ТС: внешние, внутренние, общие. Внешние показатели обычно интересуют потребителей системы: количество, качество и стоимость продукции и обслуживания. Внутренние показатели (например, с позиции персонала и администрации), которые необходимо учитывать, – удельные (единичные) затраты (например, в поисковой автоматизированной информационной системе стоимость одной найденной релевантной ссылки). При рассмотрении общих показателей качества функционирования ТС можно выделить три вида эффекта применения ТС: социальный, научно-технический и экономический. Эти виды взаимосвязаны. Они приведены в табл. 35.

		Таблица 35
Показатели качества функционирования системы
Внешние	Внутренние	Общие
Показатели качества	Удельные экономические	Экономические
продукции	показатели	показатели
Показатели качества		Показатели социального
обслуживания		эффекта
потребителей
		Показатели научно-
		технического эффекта

Для определения значений показателей качества функционирования рассматривают результаты применения системы по назна-

441

чению. При этом приходится учитывать воздействие на систему случайных факторов. Показатели качества обычно являются характеристиками случайных явлений: случайных событий, величин, процессов. Наиболее часто показателями качества функционирования служат математические ожидания случайных величин.

Методы оценки надежности технологических систем

Сведения о структуре и функциональных связях элементов проектируемых систем задаются в виде схемы, на которой с помощью условных обозначений изображены элементы и функциональные связи между ними. Качество такой системы характеризует предельная (располагаемая) производительность E(t), равная максимальному числу единиц «рабочего тела», которые могут транспортироваться в единицу времени. Производительность системы определяется на выходных элементах. При нескольких выходных элементах может измеряться общая суммарная производительность системы или производительность системы по отдельным выходам. При безотказной работе всех элементов системы располагаемая производительность равна номинальной. При отказах отдельных элементов производительность может уменьшаться; когда она станет меньше критической, наступает отказ системы. Отказавшие элементы восстанавливаются и через некоторое время вступают в строй, работоспособность системы восстанавливается.

Связь между качеством функционирования и надежностью системы может быть установлена двумя путями:

1)оценивают потери качества функционирования из-за недостаточной надежности системы или ее элементов. При этом находят значения коэффициента функционирования, соответствующие потерям качества функционирования системы из-за ненадежности;

2)принимают в качестве определения границы работоспособного состояния системы установленный заранее процесс потери качества функционирования. При этом выход реализации случайного процесса за границу допуска соответствует отказу системы, а пересечение границы допуска в обратном направлении – восстановлению работоспособности. По значениям времени появления отказов и восстановлений системы можно найти общепринятые показатели надежности.

Таким образом, для перехода от рассмотрения качества функционирования к рассмотрению надежности системы необходимо

442

ввести определения работоспособного и неработоспособного состояний системы. При переходе от рассмотрения качества функционирования системы к рассмотрению ее надежности полезно строить временные эпюры, на которых указаны периоды нахождения системы в работоспособном и неработоспособном состояниях.

Рассмотрим более подробно вопрос о моделях возникновения отказов ТС. Возможны несколько групп моделей возникновения отказов технологических систем, которые условно назовем отказами по качеству, по располагаемой производительности, по времени достижения заданного выходного эффекта.

В первой группе моделей состояние ТС характеризуется значениями определяющих параметров продукции. Отказом считается выход значений определяющего параметра выпускаемой продукции за границу допуска. При этом оценить надежность ТС станет легче при принятии дополнительных допущений.

Вторая группа моделей возникновения отказов (и восстановлений) ТС рассматривает изменения производительности этих систем. Например, в модели может быть принято, что при появлении отказа система прекращает выпуск продукции и подвергается аварийному ремонту, в результате которого восстанавливается номинальная производительность.

Методы повышения надежности объектов и технологических систем

Факторы, влияющие на надежность объектов при их эксплуатации, могут быть субъективными и объективными. Субъективные воздействия происходят из-за неправильных действий людей. Любое, даже полностью автоматизированное устройство требует периодического обслуживания, т.е. подвергается воздействию людей. При этом возможны приводящие к отказам объектов неправильные действия людей, обусловленные недостатком знаний, опыта, плохой организацией работы. Например, к отказу технического объекта могут привести неправильное регулирование, нарушение правил включения и выключения, нарушения порядка, методики и объема работ по техническому обслуживанию.

Объективные воздействия можно разделить на две группы: 1) общие воздействия, которым подвергаются в той или иной

мере все объекты данного типа;

443

2) частные воздействия, которым могут подвергаться отдельные конкретные образцы.

Как общие, так и частные воздействия могут быть постоянными или переменными. Объективные можно разделить на рабочие, климатические, биологические.

Надежность всех объектов сильно зависит от температурного режима их работы. Особенно вредно сочетание тяжелого температурного режима с ударами и вибрациями.

Можно выделить четыре группы мероприятий по повышению надежности объектов при их проектировании: системные, структурные (схемные), конструктивные и эксплуатационные. К системным относятся организационно-экономические мероприятия по стимулированию повышения надежности (премирование персонала за безотказную работу) и технические мероприятия, такие как, например, применение стойких к температурным изменениям элементов. Очень велико значение организационно-экономических мероприятий по стимулированию повышения надежности. Например, если в стоимость изделия включаются затраты на гарантийный ремонт, то при этом изготовитель учитывает, что при повышении надежности объектов уменьшаются затраты на гарантийный ремонт. Таким образом стимулируются точные оценки надежности и ее повышение. В качестве второго примера организационно-экономи- ческого мероприятия по стимулированию повышения надежности можно привести подход к обеспечению надежности заказываемых объектов путем планирования расходов на весь срок службы.

Технические мероприятия по формированию показателей надежности проектируемых изделий необходимы при любой системе взаимоотношений заказчика и разработчика.

Структурные (схемные) методы объединяют мероприятия по повышению надежности объектов путем совершенствования принципов их построения. Эти методы отличаются большим разнообразием и интенсивно развиваются. В качестве примера можно привести различные варианты построения ЭВМ, нечувствительных к появлению отказов. При создании таких ЭВМ приходится значительно усложнять их структуру, вводя избыточные аппаратные и программные средства и все более сложные схемные решения. Можно выделить две группы таких ЭВМ, различающихся распределением функций между аппаратными и программными средствами. Для ЭВМ обоих типов характерны мультипроцессорная архитектура и оповещение о критических ситуациях. Различие состоит в способах

444

локализации неисправных элементов и восстановления функционирования системы. В ЭВМ, использующих в основном аппаратные средства защиты от отказов, они обнаруживаются схемами голосования в трехкратно резервированной шине. Местонахождение отказавших модулей определяется также аппаратными средствами. Восстановление контролируется специальной управляющей программой. При этом назначение всех модулей мультипроцессора может измениться в ходе эксплуатации. При необходимости производится реконфигурация системы, отказавшие модули выключаются.

В ЭВМ, использующих в основном программные средства защиты от отказов, их анализ и реконфигурация системы производятся целиком программными средствами. Ошибки обнаруживаются при сравнении результатов избыточных вычислений. Каждая задача решается независимо тремя или пятью процессорными модулями, и результаты сравниваются. Отказавшие модули находятся с помощью программных таблиц, хранящих информацию об отказавших модулях и шинах. После анализа возможных комбинаций ошибок главная управляющая программа производит реконфигурацию системы. Для успешного применения структурных методов повышения надежности автоматизированных производственных систем необходима дальнейшая разработка ряда проблем, методов рационального распределения функций между аппаратными и программными средствами при обнаружении отказов элементов и восстановлении системы, способов классификации отказов технических средств и ошибок программ и защиты от них, методов и средств объединения отдельных частей системы управления в единое целое.

К конструктивным относятся мероприятия по созданию или подбору элементов, созданию благоприятных режимов работы, принятию мер по облегчению ремонта и т.д. Обычно оказываются более надежными те элементы, которые не имеют перемещающихся деталей, накаливаемых нитей и тонких обмоток.

Надежность элемента зависит от его конструкции, способа изготовления и условий применения. При облегчении электрических, тепловых и вибрационных режимов работы элементов интенсивности их отказов значительно уменьшаются. При конструировании транспортируемой электронной аппаратуры можно обеспечить защиту от ударов и вибраций. Правильная амортизация аппаратуры часто является основным фактором, определяющим ее надежность.

445

При оценке условий работы элементов особое внимание нужно обращать на переходные процессы, возникающие при включении и выключении, а также при других изменениях режима работы аппаратуры. Перегрузки, испытываемые элементом при переходных процессах, могут быть одной из причин пониженной надежности аппаратуры.

При проектировании должно учитываться изменение параметров материалов и деталей во времени (старение). Учет старения необходим и для кратковременно работающих объектов, так как они могут применяться после долгого периода складского хранения. При этом целесообразно так подобрать минимальные значения параметров элементов, чтобы обеспечить максимальную параметрическую надежность системы.

Время устранения отказа можно уменьшить путем построения систем по блочно-узловому способу. Вся система разбивается на отдельные функционально законченные блоки, которые в электронных системах связываются кинематически. Блоки в свою очередь разбиваются на функционально законченные узлы, выполняемые в виде легкосъемных конструкций. При таком построении объектов восстановление состоит в замене вышедших из строя блоков или узлов, что значительно ускоряет процесс ввода объектов в строй. Осуществление блочно-узловых конструкций тесно связано с унификацией элементов и систем, которая производится на основе отбора наиболее надежных вариантов. При этом не только повышается надежность объектов, но и снижается их стоимость и упрощается изготовление.

Для облегчения ремонта отделенных от основной системы неработоспособных блоков также крайне необходима унификация блоков, деталей, напряжений и частот питания и т.д. Унификация облегчает снабжение запасными частями и снижает стоимость эксплуатации, а также затраты на средние или капитальные ремонты.

Планирование эксплуатационных мероприятий на стадии проектирования объектов состоит в разработке системы эксплуатационного обеспечения. Проектирование объектов должно осуществляться в соответствии с номенклатурой работ по техническому обслуживанию. Например, для планирования периодического регулирования определяющих параметров устройств необходимо предусмотреть возможность контроля и прогнозирования значений этих параметров.

446

Для повышения надежности при изготовлении необходимо проводить мероприятия по обеспечению однородности выпускаемой продукции. Все эти мероприятия можно объединить в четыре группы:

1)совершенствование технологии производства;

2)автоматизация производства;

3)технологические (тренировочные) прогоны;

4)статистическое регулирование качества продукции.

5.8.Защита радиоэлектронных средств от воздействия климатических факторов

Существуют разнообразные способы защиты РЭС от воздействия внешней среды, в частности, климатических воздействий.

Большинство изоляционных материалов обладает низкой влагостойкостью вследствие высокой поверхностной смачиваемости и пористости. Диэлектрики способны не только к поверхностной адсорбции, но и по законам диффузии поглощают влагу всем объемом.

Требования к РЭС различны. Так, элементы, предназначенные для работы на высоких частотах, должны обладать постоянной емкостью. Одним из основных требований является сохранение в эксплуатационных условиях высокого сопротивления изоляции и электрической прочности.

К числу наиболее распространенных способов защиты относится пропитка воскообразными веществами, а также лаками на растворителях, естественными и искусственными смолами и всевозможными компаундами.

Поверхность деталей можно защитить от влияния влаги слоем покровных лаков или компаундов, что повышает также поверхностное сопротивление деталей. Однако это только замедляет процесс поглощения влаги.

Наиболее надежным способом является герметизация с помощью влаго- и воздухонепроницаемых оболочек – герметических кожухов.

Пропитка деталей РЭС

Пропитывают в основном каркасы катушек, монтажные платы, планки и колодки, намоточные изделия и т.д.

447

Примерная схема ТП состоит из следующих основных операций:

1)предварительная сушка изделия;

2)пропитка – заполнение пропиточным материалом мест, ранее занятых влагой и воздухом;

3)сушка пропитанных изделий – для удаления растворителей из пропиточного состава;

4)лакировка или обволакивание – для предохранения поверхности изделия от проникновения влаги, кислот, щелочей, масла, а также от скапливания на изделиях пыли и грязи;

5)сушка после лакировки – для удаления растворителей и затвердевания обволакивающего состава.

Предварительная сушка проводится либо при повышенной температуре от 100 до 130 ° С, либо в вакууме – с более низкой температурой.

О влажности изоляции в процессе сушки судят по изменению сопротивления изоляции при установившейся температуре нагрева.

Время, после которого при определенном режиме сушки устанавливается практически постоянное сопротивление, увеличивают на 10–20 % и принимают как оптимальное время.

В настоящее время в отечественной промышленности находят все более широкое применение термоизлучатели, использующие газообразное топливо или электроэнергию.

Терморадиационные установки во много раз производительнее конвекционных, но применяются в основном для неглубокой сушки. Сушка в индукционных устройствах осуществляется нагревом стальных стенок устройства вихревыми токами. При этом время сушки уменьшается в 3–4 раза.

Различают:

∙

∙

∙

пропитку при атмосферном давлении; пропитку под вакуумом; комбинированную (циклическую) пропитку.

Пропитка при атмосферном давлении: изделие погружают на 10–25 мин в ванну с расплавленным пропиточным составом, при этом на поверхности изделия создается небольшой покровный слой, закрывающий поры изделия. Данный способ не обеспечивает глубокой пропитки и полного удаления воздуха и влаги из пор пропитываемого изделия.

448