КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ НАДЕЖНОСТЬ Б. Любые технические устройства всегда изготавливались в расчете на некоторый достаточный для практических целей период экономически эффективного использования
 Скачать 0.82 Mb.
|
|
Введение Надежность - это комплексный фактор, объективно присущий всем материальным системам и дающий возможность устанавливать оптимальную меру соответствия рабочих процессов и выходных характеристик системы ее функциональному назначению. Любые технические устройства всегда изготавливались в расчете на некоторый достаточный для практических целей период экономически эффективного использования. Однако долгое время надежность не измерялась количественно, что значительно затрудняло ее объективную оценку. Для оценки надежности использовались такие понятия, как высокая надежность, низкая надежность и другие качественные определения. Установление количественных показателей надежности и способов их измерения и расчета положило начало научным методам в исследовании надежности. В нашей стране проблема надежности машин в концептуальном аспекте впервые была выдвинута и обсуждена на сессии Академии наук СССР в 1934 году. На первых этапах развития теории надежности основное внимание сосредотачивалось на сборе и обработке статистических данных об отказах изделий. В оценке надежности преобладал характер констатации количественных характеристик потока отказов на основании статистических данных. Развитие теории надежности сопровождалось совершенствованием вероятностных методов исследования, таких как определение законов распределений наработок до отказа, разработка методов расчета и испытаний изделий с учетом случайного характера отказов и т.п. Вместе с тем, возникали новые направления исследований, связанные с:
Испытания на надежность совершенствовались главным образом в направлении проведения ускоренных и неразрушающих испытаний. Наряду с совершенствованием натурных испытаний широкое распространение получили математическое моделирование и сочетание натурных испытаний с моделированием. В результате к середине 20-го века сформировались основы общей теории надежности и ее частных направлений по отдельным видам техники. Увеличивающаяся сложность технических устройств, возрастающая ответственность функций, выполняемых техническими системами, повышение требований к качеству изделий и условиям их работы, возросшая роль автоматизации управления техническими объектами - основные факторы, определившие главное направление в развитии науки о надежности. Круг вопросов, входящих в компетенцию теории надежности, по мнению К.В. Щурина (статья «Проблема надежности в философском аспекте» credonew.ru/content/view/312/27/), наиболее полно сформулировал акад. А.И. Берг: «Теория надежности устанавливает закономерности возникновения отказов и восстановления работоспособности системы и ее элементов, рассматривает влияние внешних и внутренних воздействий на процессы в системах, создает основы расчета надежности и предсказания отказов, изыскивает способы повышения надежности (при конструировании и изготовлении систем и их элементов, а также способы сохранения надежности при эксплуатации)». Всякая система обладает определенной детерминированной или вероятностной структурой. В процессе поиска оптимальных путей решения проблем надежности в технике одним из основных является вопрос о взаимосвязи структуры и функции. По особенностям структуры любой конкретной системы практически всегда можно сделать вывод о выполняемой ею функции. В основе надежного функционирования технических систем лежит принцип структурной и функциональной избыточности, отражающий присущее системе единство структуры и функции. Достижимая избыточность определяется как оптимум, определяемый приемлемым уровнем согласования различных требований к системе: технических, экономических, социальных и т.д. С философской точки зрения оптимизация количественных характеристик избыточности и надежности отражает, по мнению К.В. Щурина, действие законов диалектики: переход количественных изменений в качественные, единство и борьба противоположностей. Процессы изменчивости в эволюции технических систем обуславливается, прежде всего, научно-техническим прогрессом в смежных отраслях. Показатели надежности той или иной системы в преобладающей степени формируются путем многокритериальной оптимизации, обеспечивающей рациональное сочетание факторов наследственности и изменчивости с учетом эксплуатационных, экономических, социальных, антропологических и других факторов и внешних воздействий. Научно-техническая революция привела к появлению во второй половине ХХ века нового класса систем - эргатических, структурной частью которых является человек-оператор. Обеспечение надежности системы «человек-машина», является главной задачей инженерной психологии; при этом уже не подвергается сомнению, что определяющее значение имеет надежность оператора. Ключевой эргатический фактор состоит в том, что, управляя современными техническими системами, оператор постоянно взаимодействует не с управляемыми объектами, а с их информационными моделями. Надежность системы «человек-машина» важна, в первую очередь, с точки зрения обеспечения безопасности. Эту проблему мы рассмотрим в разделе «безопасность». 1. История развития теории надежности Основное содержание этого раздела основано на аналитической статье И.А. Ушакова «Жива ли еще теория надежности?» (journal «Reliability: Theory & Applications» No 1, Vol. 2. March 2007). И.А. Ушаков - один из основоположников теории надежности в СССР, бывший советский, а ныне американский профессор. Начальный этап развития теории надежности охватывает период с появления первых технических устройств (конец XIX века) и до появления электроники и автоматики, авиации и ракетно-космической техники (середина XX века). На этом этапе появилось понятие «запас прочности», как отношение «нагрузка/прочность». Основой теории надежности стала теория вероятностей и математическая статистика. В 30-х годах ХХ столетия было сформулировано понятие отказа. С началом развития авиации и применения в ней электроники и автоматики теория надежности начинает бурно развиваться. Этап становления теории надежности (1950 г. – 1960 г.). В 1950 г. военно-воздушные силы США организовали первую группу для изучения проблем надежности радиоэлектронного оборудования. Группа установила, что основная причина выхода из строя радиоэлектронной аппаратуры заключалась в низкой надежности ее элементов. Стали в этом разбираться, изучать влияние различных эксплуатационных факторов на исправную работу элементов. Был собран богатый статистический материал, который и явился основой теории надежности. Этап классической теории надежности (1960 г. – 1970 г). В эти годы появляется космическая техника, требующая повышенной надежности. С целью обеспечения требуемой надежности исследуется надежность при разработке, производстве и эксплуатации изделий. Разрабатывается теория диагностики сложных систем. Появляются новые стандарты по надежности машин. Этап системных методов надежности (с 1970 г.). На этом этапе были разработаны новые требования к надежности, заложившие основу современных систем и программ обеспечения надежности. Были разработаны типовые методы обеспечения надежности на всех стадиях жизненного цикла изделий: конструктивные (выбор материала, запас прочности и т.д.), технологические (ужесточение допусков, повышение чистоты поверхности и т.д.), эксплуатационные (стабилизация условий эксплуатации, совершенствование методов диагностики, ТО и ремонта и т.д.). В упомянутой статье Ушаков пишет, что значительное увеличение надежности технических устройств (переход от вакуумных ламп с интенсивностью отказов 10-2 – 10-3 в час к микросхемам с интенсивностью отказов 10-6 – 10-8 в час) уменьшило актуальность теоретических работ по надежности, особенно оторванных от практических задач и эклектичных. С другой стороны, колоссальное усложнение технических систем требует развития адекватных методов анализа и прогноза надежности. Иными словами, теория надежности развивается и меняется в соответствии с развитием и изменением своего объекта исследований. В этой же статье он по праву непосредственного участника процесса отмечает наиболее важные события в развитии отечественной школы надежности. Среди которых отметим следующие: В 50-х годах ХХ-го века в СССР были созданы первые группы надежности в ВВА им. Н.Е. Жуковского и ЦНИИ 22 МО. В конце 50-х в НИИ МЭП была разработана первая отраслевая методика расчета надежности. В начале 60-х при Госстандарте создан НТС по проблемам надежности. В середине 60-х на предприятиях оборонного комплекса были созданы службы надежности. В 1969 году стал выходить журнал «Надежность и контроль качества». В середине 70-х в журнале Известия АН СССР «Техническая кибернетика» открыт раздел «Теория надежности». В конце 50-х, в начале 60-х годов в различных городах СССР зарождались научные школы надежности (Москва, Ленинград, Киев, Иркутск, Минск и др.). В 1985 был издан справочник «Надежность технических систем» под редакцией И.А. Ушакова с участием большого числа авторов не только из СССР, но и из США и других стран, обобщивший мировой опыт теоретических разработок и практических исследований надежности. В электронике проблема надежности возникла в начале пятидесятых годов ХХ-го столетия, когда развитие техники привело к необходимости создания сложной радиоэлектронной аппаратуры. Развитие полупроводниковой электроники и аппаратуры высокой надежности привело к созданию гибридных схем, объединяющих дискретные активные и пассивные элементы в одной схеме. Это позволило существенно уменьшить размеры аппаратуры и значительно расширить ее функциональные возможности. Наибольшее распространение при этом получили цифровые интегральные микросхемы (ИМС), применяемые в современной электронике. На первом этапе развития надежности электронной техники систематизировались данные по отказам аппаратуры и комплектующих изделий, исследовались и определялись законы распределения отказов во времени, разрабатывалась единая терминология в области надежности, создавались методы расчета надежности аппаратуры и ее элементов, накапливался статистический материал о количественных показателях надежности. Сложившаяся практика контроля качества и надежности ИМС не всегда удовлетворяла возрастающим требованиям, а иногда и сдерживала темпы развития. Это объяснялось: быстрым ростом функциональной сложности приборов, недостаточной эффективностью методов контроля качества и оценки надежности ИМС и изготавливаемой на их основе микроэлектронной аппаратуры (МЭА), сложностью и многообразием технологических процессов изготовления ИМС, постоянным совершенствованием конструкций, использованием новых материалов и видов оборудования, неподготовленностью разработчиков к проектированию аппаратуры на основе. На последующем этапе, характеризующемся более глубоким пониманием проблемы надежности приборов, разрабатывались требования по надежности аппаратуры и приборов, формировались все более объективные и информативные методы испытаний. В технологический процесс производства ИМС при необходимости вводится более детальный контроль промежуточных операций и выходной контроль готовых приборов. В производство все шире внедряются статистические методы контроля, позволяющие своевременно корректировать технологический процесс с целью недопущения брака на промежуточных и заключительных операциях. В повседневную практику внедряется изучение причин отказов. На современном этапе возникла потребность в новых методах оценки надежности ИМС и изготовленных на их основе приборов. Это стимулировало развитие фундаментальных направлений теории надежности. В первую очередь, математической и статистической теорий надежности. Разнообразные и обширные исследования в области физико-химических процессов, обуславливающих изменение физических и электрических параметров материалов и приборов, явились базой становления физической теории надежности. Формирование последнего направления в науке о надежности позволило от пассивного наблюдения статистических данных по надежности перейти к углубленному изучению причин возникновения отказов, выявлению механизмов деградации характеристик материалов и параметров приборов, к активному воздействию на технологические процессы и конструкцию приборов посредством научно обоснованных корректирующих действий. Наиболее характерными чертами современной полупроводниковой электроники являются рост сложности приборов и уменьшение геометрических размеров отдельных элементов полупроводниковых структур. Ежегодно сложность ИМС примерно удваивается, а рост степени интеграции вызывается ростом их функциональной сложности. Уменьшение геометрических размеров элементов ИМС делает наиболее острой проблему качества исходных материалов и совершенства технологических процессов изготовления приборов. Из-за этого уменьшения, изготавливаемые ИМС весьма чувствительны к дефектам с размерами, приближающимися к атомным. В этих условиях становится исключительно важным знание дефектности исходных материалов, причин возникновения дефектов в процессе изготовления полупроводниковых структур, эволюции дефектов на последующих этапах жизненного цикла приборов и их влияния на надежность. Следует особо подчеркнуть, что изучение механизмов отказов приборов должно осуществляться с учетом не только внутренних физико-химических процессов, происходящих в них, но и всех условий окружающей среды и всех факторов внешних воздействий, которые во многих случаях играют доминирующую роль в развитии тех или иных процессов деградации параметров. Расширение диапазона применения полупроводниковых приборов и ИМС в разнообразной аппаратуре выдвигает более жесткие требования по механическим вибрационным и ударным воздействиям, весьма широкому температурному диапазону их работы, радиационной стойкости, работе при повышенной влажности, приводящей к коррозионным отказам и т.д. Прогнозирование надежности является составной частью обеспечения надежности ИМС и МЭА и имеет смысл только в случае, если, являясь составной частью этапов разработки и производства изделий, оказывает влияние на выбор и обоснование конкретных решений проекта по показателям надежности, позволяет установить технически обоснованную полноту контроля качества в условиях производства и эксплуатации. Возрастающая надежность техники вообще и элементов электроники в частности требует пересмотра методов оценки надежности, поскольку низкая интенсивность отказов приводит к увеличению длительности и объема испытаний. Актуальными становятся ускоренные испытания. Однако основной проблемой ускоренных испытаний является обоснование переноса их результатов на номинальные условия эксплуатации. Эта проблема пока не решена окончательно. Это хорошо видно на примере обсуждения общности и универсальности принципа Н.М. Седякина: «Надежность элемента (системы) зависит от величины выработанного им (ей) ресурса в прошлом и не зависит от того, как выработан ресурс» (Седякин Н.М. Об одном физическом принципе теории надежности. Изв. АН СССР. Техническая кибернетика №3. 1966. С. 80-87). В.А. Смагин о принципе Седякина писал: «Профессор Х.Л. Смолицкий назвал предложенный закон правдоподобным и заслуживающим внимания, предложил другую, более общую, дифференциальную форму закона:  означающую, что скорость увеличения ресурса в момент, когда выработан ресурс  , равна интенсивности отказов в этот момент». Под  понимается относительная величина нагрузки; векторная величина.Дифференциальная форма закона как частный случай содержит в себе закон Седякина в интегральной форме. Справедливость закона могут подтвердить лишь экспериментальные лабораторные испытания выборок элементов из одной партии. Возвращаясь к выводам в работе (Перроте А.И., Карташев Г.Д., Цветаев К.Н. Основы ускоренных испытаний радиоэлементов на надежность. М.: Сов. Радио, 1968), следует еще раз указать, что авторам этой работы не удалось существенно продвинуться при изучении форсированных испытаний. Они пришли к выводу о том, что следствием внедрения вообще ускоренных испытаний является ухудшение достоверности результатов, за счет конечных объемов предварительных исследований. Авторы констатировали: «здесь возникает весьма важная и пока еще не исследованная задача о целесообразности разработки методов ускоренных испытаний для конкретных видов изделий». Принцип Седякина в отличие от принципа наследственности является пока единственным мощным средством оценивания надежности элементов и систем, работающих в переменных нагрузочных условиях. Математическая форма его сжата, физически достаточно корректна, позволяет сравнительно просто получать прогностические значения оценок надежности в отличие от размытого во множестве формул, достаточно нечеткого и громоздкого аппарата принципа наследственности. Экспериментальная проверка физического принципа надежности на различных элементах электроники и автоматики, механических элементов на прочность и др. показала, что он выполняется при весьма ограниченных условиях воздействия внешних факторов. К аналогичному выводу пришли и авторы книги (Половко А.М. Основы теории надежности. M: Наука, 1964) на основе сформулированного ими принципа «наследственности»: «производство может изменять значения внутренних параметров изделий, но не может нарушить функциональные связи между ними». Принцип не позволил авторам данной работы внести уточняющие изменения в принцип Седякина и развить его» - конец цитаты. Кроме того, миниатюризация ИМС сопровождается радикальными усовершенствованиями технологических процессов производства. Следствием этого является проявление новых механизмов отказов, а значит и новых моделей физико-химических процессов, влияющих на надежность ИМС. В связи с этим основным направлением дальнейшего развития теории и практики надежности является сочетание статистических, вероятностных методов анализа надежности с глубоким изучением физики отказов. |