Отн. Основы теории надежности РЭС. 1. основные характеристики надежности рэс и радиокомпонентов характеристики надежности рэс
Скачать 0.64 Mb.
|
3 1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НАДЕЖНОСТИ РЭС И РАДИОКОМПОНЕНТОВ 1.1. Характеристики надежности РЭС Надежность является одним из самых важных показателей современной техники и определяет ее качество, эффективность, безопасность, готовность и т. д. Надежность изделий задается при их проектировании, определяется элементной базой, технологией производства и условиями эксплуатации. Под надежностью изделия понимают свойство изделия сохранять значения уста- новленных параметров, соответствующие заданным режимам и условиям эксплуатации, хранения и транспортировки. Таким образом, надежность – это сложное, комплексное понятие, включающее в себя многие характери- стики и показатели, такие, как работоспособность (безотказность), исправ- ность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость и др. Для характеристики надежности используется понятие работоспособно- го состояния (или противоположного состояния – неработоспособного) ком- понентов и изделий радиоэлектронных средств (РЭС). Например, для тран- зистора можно различать основное неработоспособное состояние, при кото- ром он прекращает выполнение своих основных функций в аппаратуре (про- бой p–n-перехода), и второстепенное неработоспособное состояние, при ко- тором он выполняет свои функции с параметрами ниже установленных тре- бованиями технической документации (например, уменьшение коэффици- ента усиления транзистора со временем вследствие деградационных явлений в полупроводнике). Событие, заключающееся в нарушении работоспособности, называется отказом. Событие, состоящее в переходе из основного работоспособного со- стояния во второстепенное, называют повреждением (дефектом). По характеру возникновения принято различать отказы внезапные (ката- строфические), состоящие в резком, практически мгновенном изменении определяющего параметра РЭС, и отказы постепенные (параметрические), происходящие за счет медленного, постепенного изменения этого параметра и выхода его за поле допуска в основном из-за износа или старения. Долговечность – свойство изделия сохранять работоспособность до пол- ного износа при эксплуатации с необходимыми перерывами для профилак- тики и ремонта. 4 Ремонтопригодность – приспособленность восстанавливаемого изделия к обнаружению, устранению и предупреждению отказов. Сохраняемость – свойство изделия непрерывно сохранять исправное и работоспособное состояние в течение и после хранения и транспортировки. Наработка – продолжительность работы объекта, измеряемая чаще все- го временем, а иногда периодами и циклами. Различают, например, суточную или месячную наработку, наработку на отказ, среднюю наработку до первого отказа, гарантийную наработку и др. В зависимости от степени соответствия изделия той или иной группе требований различают состояние исправное и неисправное. Исправным сос- тоянием называют состояние изделия, при котором оно соответствует всем требованиям, установленным нормативно-технической документацией. Как следует из определения, понятие «исправное состояние» более широкое, чем «работоспособное состояние», так как изделие может выполнять заданные функции, будучи неисправным (например, при нарушении декоративных по- крытий). Случайные изменения параметров исходных материалов, режимов рабо- ты технологического оборудования, внешние воздействия создают предпо- сылки для возникновения отказа в определенный промежуток времени. Прав- да, отказ может возникнуть или нет, что определяет отказы как случайные события, для анализа которых используются теория вероятностей, математи- ческая статистика, теория случайных процессов. Следует отметить, что при этом не учитывается физическая природа надежности. Поэтому современная теория надежности, особенно микроэлектроники, дополняется физическими методами исследования надежности, связанными с физическими процессами и технологией. К основным характеристикам надежности невосстанавливаемых элемен- тов, блоков устройств и систем РЭС относятся вероятность безотказной ра- боты Р(t), вероятность отказа Q(t), частота отказов f(t),интенсивность отка- зов t и среднее время наработки до отказа ср T [1]–[3] . Надежность восстанавливаемых изделий определяется продолжитель- ностью их работы между отказами и количественно оценивается средней на- работкой на отказ T 0 , параметром потока отказов ω( t ), а также ремонтопри- годностью, определяемыми функциями и коэффициентами готовности г K и простоя п K 5 Вероятностью безотказной работы называется вероятность того, что в заданном интервале времени или в пределах заданной наработки отказ объек- та не возникнет, и он будет сохранять свои параметры в пределах заданных допусков, т. е. P ( t ) = P ( t < t отк ), где t – время наработки; t отк – случайный мо- мент наступления отказа. Вероятность безотказной работы может быть найдена экспериментально по результатам испытаний или по данным эксплуатации: 0 0 lim N t N t P N , где N 0 – число поставленных на испытание изделий; N(t) – количество изде- лий, безотказно работающих в момент времени t. Отказ изделия является событием, противоположным безотказной рабо- те. В подавляющем большинстве случаев принимают, что состояние отказа и работоспособное состояние РЭС образуют полную группу событий, и между вероятностями отказа и безотказной работы выполняется соотношение Q(t) = 1 – P(t) . Частота отказов определяется как плотность распределения наработки до отказа и является производной от вероятности отказа (интег- ральная характеристика): dt t dP dt t dQ t f (1.1) Статистическое значение частоты отказов может бытьэксперименталь- но определено для момента t подсчетом числа изделий i n ,отказавших за элементарный интервал времени i t : i i t N n t f 0 ; t f t f N t i 0 0 lim Интенсивностью отказов называется условная плотность вероятности возникновения отказа объекта, определяемая для рассматриваемого момента времени непрерывной работы объекта при условии, что до этого момента от- каз не произойдет. По результатам статистических испытаний РЭСинтенсивность отказов можетбыть вычислена с использованием следующих соотношений: i i t t N n t ; t P t f t t i t 0 lim , (1.2) где N ( t ) – количество изделий, работоспособных в момент времени t , причем N ( t ) меньше общего количества изделий N 0 → ∞, которые были поставлены 6 на испытания, поскольку часть изделий за время t отказала; t и t f – оценки интенсивности и частоты отказов. Рис. 1.1 Типовая зависимость интенсивности отказов λ от времени эксплуатации для большинства изделий имеет U-образный вид (рис. 1.1). Период приработки объекта имеет повышенную интенсивность отказов, вызванную приработочными отказами, которые обусловлены дефектами про- изводства, монтажа и наладки. В период нормальной эксплуатации интенсив- ность отказов практически остается постоянной, при этом отказы носят слу- чайный характер и появляются внезапно, прежде всего из-за случайных изме- нений нагрузки, несоблюдений условий эксплуатации, неблагоприятных вне- шних факторов и т. п. Именно этот период соответствует основному времени эксплуатации объекта. Возрастание интенсивности отказов относится к пери- оду старения объекта и вызвано увеличением числа отказов из-за износа, ста- рения и других причин, связанных с длительной эксплуатацией. Связь между интенсивностью отказов и вероятностью безотказной рабо- ты с учетом (1.1) и (1.2) определяется выражениями: t P t dP dt t ; t dt t e t P 0 ) ( , (1.3) что является основным законом теории надежности. В качестве показателя надежности неремонтируемых объектов часто ис- пользуется математическое ожидание наработки до отказа dt t P dt t P t P t dt t P t dt t f t T 0 0 0 0 0 ср (1.4) Период старения Период приработки Период нормальной эксплуатации ) (t 0 t 1 t 2 t 7 Статистически по результатам испытаний оценка среднего времени на- работки до отказа может быть определена как среднее арифметическое вре- мени наработки до отказа каждого из 0 N поставленных на испытание изде- лий: 0 1 ср 0 N T T N i i Тип распределения частоты отказов зависит от процесса развития отказа [1]–[3]. Наиболее часто в прикидочных оценках надежности РЭС исполь- зуется показательное (экспоненциальное) распределение f ( t ) = exp( – λ t ). Оно характерно для сложных систем, к которым относится большинство изделий РЭС, состоящих из разнородных элементов с различными интенсивностями отказов. Кроме того, показательное распределение можно использовать в тех случаях, когда пренебрегают влиянием приработки, износа и старения, что выражается в отсутствии зависимости λ от времени: λ( t ) = λ = const (рис. 1.1) и позволяет получить из (1.3) и (1.4) относительно простые формулы для расчета надежности: t e t P ; (1.5) 1 0 ср dt e T t (1.6) Длительность периода эксплуатации может оказаться существенно меньше ср T , вычисленного для этой модели, в силу, например, морального старения радиоустройств. В этом случае для ср T t выражение (1.5) может быть представлено в упрощенном виде: ср 1 1 T t t e t P t В качестве ресурса изделия наиболее часто применяется гамма-про- центный ресурс t – наработка, в течение которой оно не достигает предель- ного состояния с заданной вероятностью γ процентов, т. е. t P = γ /100. По- лагая закон распределения времени безотказной работы изделия экспонен- циальным, имеем t e = γ /100. Логарифмируя данное выражение, при 1 ср T получаем: 100 ln 100 ln 1 ср T t Найдем для экспоненциальной модели интервала безотказной работы условную вероятность того, что устройство проработает безотказно на интер- 8 вале Δ t , следующем за интервалом t после включения, на котором устрой- ство уже проработало без отказа. Для этого воспользуемся теоремой умно- жения вероятностей P ( A / B ) = P ( A ∩ B )/ P ( B ) и найдем, что указанная условная вероятность безотказной работы t t t t e e e t t P Таким образом, в рассматриваемом случае, если устройство проработало без отказов до момента t , то дальнейшее распределение времени безотказной работы устройства будет таким же, как и в момент его первого включения (рис. 1.2). Это свойство характерно для экспоненциального распределения, другие распределения им не обладают. Из рассмотренного следует на первый взгляд странный вывод: нецелесообразно проводить профилактику устройств РЭС для предупреждения внезапных отказов, подчиняющихся экспоненци- альному закону. Это как раз и связано с тем, что используется экспоненци- альная модель отказов, не учитывающая процессы старения и износа. С дру- гой стороны, не следует забывать, что экспоненциальное распределение яв- ляется идеализированной моделью, которая отражает в некотором прибли- жении процесс появления внезапных отказов за относительно малое время непрерывной наработки ( t << ср T ). Рис. 1.2 Модель экспоненциального распределения часто используется для апри- орного (прикидочного) анализа, так как позволяет получить простые соотно- шения (1.5), (1.6) для сравнения различных вариантов построения системы. P (Δt/t) t e t P ) ( P Σ (t) t 1 t 2 t 3 t 4 T ср 0 t P(t) 0.35 1 9 На стадии уточненного анализа должна проводиться проверка соответствия экспоненциальной модели результатам испытаний. Для многих устройств характерен режим работы с перерывами. В этом случае, если предположить, что в режиме простоя ресурс надежности РЭС практически не расходуется, вероятность безотказной работы при фиксиро- ванной наработке возрастает, так как определяется суммарной наработкой изделия ( t P на рис. 1.2). Вследствие того, что при этом в (1.5) и (1.6) не учитываются износ и старение элементов (λ = const), условная вероятность безотказной работы в течение времени наработки ( t 1 , t 2 ), найденная в предположении, что при t 1 объект был работоспособен (т. е. P ( t 1 ) = 1), остается также постоянной для одинаковых временных интервалов ( t 3 , t 4 ), поскольку определяется с по- мощью выражений ) ( ) ( 2 1 1 2 2 1 ) , ( t t t t dt t e e t t P ; ) ( ) ( 4 3 2 1 t t P t t P при 3 4 1 2 t t t t 1.2. Надежность восстанавливаемых устройств Если такие компоненты РЭС, как резисторы, конденсаторы, диоды, тран- зисторы, интегральные схемы и др., относятся к невосстанавливаемым издели- ям, то многие изделия РЭС (блоки, устройства и системы) относятся к восста- навливаемым. Как уже отмечалось, отказы в восстанавливаемых изделиях об- разуют поток случайных событий. Статистическая оценка количественного значения параметра потока отказов ω(t) определяется из соотношения t N t n t 0 , (1.7) где n(Δt) – число изделийиз общего числа поставленных на испытание N 0 , отказавших на интервале времени Δt, при условии, что отказавшее изделие немедленно заменяется новым. Особое значение имеют широко используемые в качестве математиче- ской модели простейшие потоки, которые характеризуются ординарностью, стационарностью и отсутствием последействия. Ординарный поток случайных событий характеризуется тем, что веро- ятность появления двух и более отказов в единичном интервале времени пре- небрежимо мала по сравнению с вероятностью появления одного отказа (без учета вторичных отказов). Для ординарных потоков без последействия веро- ятность появления отказов изделия в любом интервале наработки (t 1 , t 2 ) не за- 10 висит от появления отказов в других интервалах наработки, не пересекаю- щихся с рассматриваемым интервалом. Поток случайных событий называется стационарным, если его вероят- ностные характеристики не зависят от времени. В частности, параметр пото- ка отказов есть величина постоянная: ω(t) = ω = const . Заметим, что это вовсе не означает, что случайная составляющая потока исключается, а только пока- зывает, что в среднем на единичном интервале количество выпадающих со- бытий постоянно. В качестве модели простейших потоков отказов часто используется за- кон распределения Пуассона [1]–[3]: e n P n n ! , (1.8) где P n (τ) – вероятность появления n отказов за наработку τ; n – количество отказов; λ – интенсивность потока. При этом вероятность безотказной работы P(t 1 , t 2 ) определяется выраже- нием dt t t t e t t P 2 1 2 1 , Для стационарного потока отказов (ω(t) = ω = const) без последействия вероятность безотказной работы на интервале Δt = t 2 – t 1 равна P(Δt) = t e и совпадает по форме с P(t) (1.3) для показательного закона распределения. Однако распределение времени наступления отказов в реальных сложных восстанавливаемых системах отличается от простейшего (пуассоновского) (1.8), так как часто нарушаются условия отсутствия последействия и стацио- нарности. Например, в резервированных структурах наблюдается последей- ствие отказов, так как отказ резервных элементов неизбежно приводит к ро- сту интенсивностей отказов работоспособных элементов. В восстанавливае- мых системах после ремонта показатели надежности элементов иные, чем до ремонта. В таких случаях в качестве моделей реальных потоков используют пото- ки отказов с ограниченным последействием, которое проявляется в том, что вероятность появления отказа за рассматриваемый промежуток Δt зависит от наработки, накопленной от последнего отказа, и не зависит от наработки за предыдущие отказы. 11 Установим зависимость между параметрами потока отказов ω(t) и плот- ностью распределения отказов f(t) при выполнении условия ограниченного последействия. Если в момент t = 0 на испытания ставятся N 0 изделий, тогда среднее число изделий, отказавших за время Δt : t t N t n 0 , (1.9) причем n(Δt) = n 1 (Δt) + n 2 (Δt) , где n 1 (Δt) = N 0 f(t)Δt – число отказавших впер- вые элементов из тех, что были поставлены в момент t = 0; n 2 (Δt) – число от- казавших элементов из тех, которые уже были ранее заменены на промежут- ке ∆τ в процессе испытания. Предположим, что в течение малого интервала ∆τ, предшествующего Δt, отказало и заменено на новые N элементов. Из них на интервале (t, t + Δt) будут вновь заменены t t f N . Суммируя отказы по всем ∆τ на промежутке от 0 до t, получаем, что всего из числа уже отказав- ших и мгновенно замененных вновь откажут на интервале (t, t + Δt): n 2 (Δt) = t d t f t N 0 изделий. Подставляя в (1.9) выражения для n 1 (Δt) и n 2 (Δt) и сокращая на N Δt, получим интегральное уравнение Вольтер- ра второго рода с разностным ядром t d t f t f t 0 ) ( ) ( ) ( ) ( (1.10) В общем случае уравнение интегрируется численно. При этом можно использовать метод последовательных приближений. Согласно этому методу производятся последовательные вычисления по формуле t i i d t f t f t 0 1 ) ( ) ( ) ( ) ( до тех пор, пока значения t i и t i 1 станут практически совпадать. В ка- честве нулевого приближения удобно брать интенсивность отказов t 0 В ряде случаев можно решить уравнение (1.10) в аналитическом виде, пользуясь преобразованием Лапласа. Второй член выражения (1.10) пред- ставляет свертку двух функций, поэтому ω(s) = f(s) + f(s)ω(s) и ω(s) = f(s) / (1 – f(s)), (1.11) 12 где 0 ) ( ) ( dt t e s st – преобразование Лапласа функции ω(t); f(s) – преобра- зование Лапласа функции f(t). Рассмотрим экспоненциальный закон распределения времени безотказ- ной работы, для которого t e t f , где λ = const . Преобразование Лапла- са (1.11) имеет вид f(s) = λ / (λ + s), и тогда ω(s) = λ / s . Переходя к оригина- лу, получаем ω(t) = λ = ср 1 Т = const. Таким образом, при экспоненциальном законе распределения времени безотказной работы параметр потока ω(t) ра- вен интенсивности отказов λ и обратно пропорционален среднему времени безотказной работы ср 1 Т В общем случае можно указать следующие свойства параметра потока отказов ω(t): 1) для любого момента времени независимо от закона распреде- ления времени безотказной работы ω(t) > f(t); 2) если λ(t) – возрастающая функция времени, то λ(t) > ω(t) > f(t); если же λ(t) – убывающая функция вре- мени, то ω(t) > λ(t) > f(t). Предел, к которому стремится параметр потока отказов ω(t) при t → ∞, равен значению, обратному среднему времени безотказной работы. В технических заданиях на проекти- руемые изделия РЭС часто используют среднее значение параметра потока отка- зов dt t t t р 0 р ср 1 , где р t – техниче- ский ресурс изделия. Если при t → ∞ плотность распределения наработки до отказа f(t) → 0, то существует установив- шееся значение параметра потока отказов ср 1 lim Т t t Значения параметра потока отказов совершают ряд колебаний, прежде чем станут равными (рис. 1.3). При наличии в потоке отказов значительного последействия становится необходимым вычисление условных распределений наработки между отказа- ми, так как вообще-то любая профилактика изменяет корреляцию между от- казами. ω(t) f(t) t 0 Рис. 1.3 13 При вычислении условных распределений наработки между отказами можно отсчитывать наработку от момента окончания соответствующего ре- монта или крупного профилактического мероприятия. Показатели надеж- ности в рассматриваемом случае те же, что и для невосстанавливаемых объ- ектов, но они являются условными, т. е. вычисляются при условии наработки между i-м и (i + 1)-м отказами. |