Основные понятия теории надежности. Надежность радиоэлектронное устройство
![]()
|
1 2 Содержание надежность радиоэлектронное устройство Введение 1 основные понятия теории надежности 2 резервы повышения надежности элементов и возможности их реализации 3 расчет надежности типового устройства библиографический список Приложение Введение Надежность есть свойство изделия безотказно (исправно) работать в течение заданного времени в определенных эксплуатационных условиях. Высокая надежность технических изделий достигается на стадии их проектирования и реализуется в процессе производства, хранения и эксплуатации изделий. Недостаточно получить хорошие конструкторские решения, обеспечивающие высокую запроектированную надежность комплектующих элементов РЭА, необходима эффективная их реализация на практике, которую достигают на основе согласованных научных, инженерно-конструкторских и организационных мероприятий. Эксплуатационные показатели надежности элементов, под которыми будем понимать показатели надежности, определяемые при эксплуатации их в составе конкретной РЭА, могут существенно отличаться от показателей, определяемых при испытаниях элементов в соответствии с заданными техническими условиями. Понятия «надежные» и «ненадежные элементы» весьма относительны. Элементы, надежные в одних условиях и режимах, могут оказаться ненадежными в других. Надежность, подобно любому физическому свойству, проявляется всегда конкретно во времени и неразрывно связана с условиями внешней среды и режимом работы элемента. Поэтому обеспечение высоких эксплуатационных показателей надежности элементов является комплексной проблемой, успешное решение которой возможно посредством реализации научно обоснованных программ взаимоувязанных мероприятий как в области проектирования и производства самих элементов, так и в области проектирования, производства и эксплуатации РЭА. 1. Основные понятия теории надежности Теория надежности опирается на совокупность различных понятий, определений, терминов и показателей, которые строго регламентируются государственными стандартами (ГОСТ). Все термины и определения даются применительно к техническим изделиям, под которыми понимаются объекты определенного целевого назначения, рассматриваемые в периоды проектирования, производства, эксплуатации и испытания на надежность. С точки зрения теории надежности любое изделие можно характеризовать его свойствами, техническим состоянием и приспособленностью к восстановлению исправности (рисунок 1.1). Важнейшим комплексным свойством изделия является его надежность. Надежностью называют свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, хранения и транспортирования. Надежность включает в себя следующие свойства: безотказность, долговечность, сохраняемость и ремонтопригодность. ![]() Рисунок 1.1 Безотказность - свойство изделия непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки. Свойство изделия сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов называется долговечностью. Сохраняемостью называется свойство изделия непрерывно сохранять исправное и работоспособное состояние в течение и после хранения и транспортирования. Сохраняемость характеризуется способностью изделия противостоять отрицательному влиянию условий хранения и транспортирования на его безотказность и долговечность. Продолжительное хранение и транспортирование изделий могут снизить их надежность при последующей работе по сравнению с изделиями, которые не подвергаются транспортированию и хранению. Ремонтопригодностью называется свойство изделия, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений и устранению их последствий путем проведения ремонтов и технического обслуживания. Данное свойство является очень важным, так как оно характеризует степень стандартизации и унификации элементов в РЭА, удобство их размещения с точки зрения доступности для контроля и ремонта, приспособленность к регулировочным операциям и т. д. Техническое состояние изделия в данный момент времени характеризуется исправностью или неисправностью, работоспособностью или неработоспособностью, а также предельным состоянием. Исправным состоянием (исправностью) изделия называется такое его состояние, при котором оно соответствует всем требованиям, установленным нормативно-технической документацией. Если изделие не соответствует хотя бы одному из этих требований, то оно находится в неисправном состоянии. Если изделие находится в состоянии, при котором оно способно выполнять заданные функции, сохраняя значения заданных параметров в пределах, установленных нормативно-технической документацией, то оно находится в работоспособном состоянии. Неработоспособным состоянием изделия называется такое его состояние, при котором значение хотя бы одного заданного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям, установленным нормативно-технической документацией. Понятие исправности шире понятия работоспособности. Неисправное изделие может быть работоспособным и неработоспособным - все зависит от того, какому требованию нормативно-технической документации не удовлетворяет данное изделие. Так, например, если погнут кожух или шасси, нарушено их лакокрасочное покрытие, повреждена изоляция проводников, однако параметры аппаратуры находятся в пределах нормы, то изделие считается неисправным, но в то же время работоспособным. Исправное изделие всегда работоспособно. При длительной эксплуатации изделие может достигнуть предельного состояния, при котором его дальнейшая эксплуатация должна быть прекращена из-за неустранимого нарушения требований безопасности, или ухода заданных параметров за установленные пределы, или неустранимого снижения эффективности эксплуатации ниже допустимой, или необходимости проведения среднего или капитального ремонта. Исходя из возможности дальнейшего использования после отказа и приспособленности к восстановлению все изделия можно подразделить на ремонтируемые и неремонтируемые, восстанавливаемые и невосстанавливаемые. Восстанавливаемым называется изделие, работоспособность которого в случае возникновения отказа подлежит восстановлению в рассматриваемой ситуации. Если же в рассматриваемой ситуации восстановление работоспособности данного изделия при его отказе по каким-либо причинам признается нецелесообразным или неосуществимым, то изделие называется невосстанавливаемым. Ремонтируемым изделием называется изделие, исправность и работоспособность которого в случае возникновения отказа или повреждения подлежат восстановлению. В противном случае изделие называется неремонтируемым. Неремонтируемое изделие всегда является и невосстанавливаемым (например, резистор, конденсатор, полупроводниковый прибор и т. д). В то же время ремонтируемое изделие может быть как восстанавливаемым, так и невосстанавливаемым - все зависит от существующей системы технического обслуживания и ремонта, конкретной ситуации в момент отказа. Например, в условиях эксплуатации телевизоров отказавший кинескоп является изделием невосстанавливаемым, но на ремонтном заводе - уже восстанавливаемым, отказавший силовой трансформатор может оказаться в руках радиолюбителя восстанавливаемым изделием, если отсутствует запасной трансформатор. Другими важными понятиями в теории надежности и практике эксплуатации РЭА являются повреждение и отказ. Повреждением называется событие, заключающееся в нарушении исправности изделия или его составных частей из-за влияния внешних условий, превышающих уровни, установленные в нормативно-технической документации на изделие. Отказ - это событие, заключающееся в нарушении работоспособности изделия. Повреждение может быть существенным и явиться причиной отказа и несущественным, при котором работоспособность объекта сохраняется. В качестве показателей безотказности невосстанавливаемых элементов применяют следующие количественные характеристики: вероятность отказа, вероятность безотказной работы, интенсивности отказов и средняя наработка до отказа. Для статистического определения этих показателей ставят на испытания N(0) однотипных исправных элементов при одинаковых электрических нагрузках и одинаковых условиях воздействия внешней среды, определяемых техническими условиями испытаний. В процессе испытаний один элемент откажет через интервал ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Для каждого k-го интервала ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Показатели безотказности элементов определяются по приводимым ниже формулам. Вероятность отказа элементов за время ![]() ![]() Вероятность безотказной работы элементов за время ![]() ![]() Интенсивность отказов элементов в момент ![]() ![]() По полученным значениям показателей строятся экспериментальные графики функций ![]() Если для каждого i-го элемента в процессе испытаний зафиксирована наработка ![]() ![]() Вероятность ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Вероятность ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Поскольку за время наработки t каждый элемент либо откажет, либо нет, то справедливо равенство ![]() что также следует из выражений (1.1) и (1.2), поскольку ![]() Число отказавших элементов ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Рисунок 1.2 Из формулы (1.3) видно, что интенсивность отказов ![]() ![]() ![]() ![]() Зависимость интенсивности отказов от времени ![]() ![]() ![]() Период ![]() Третий участок соответствует периоду ![]() ![]() В период старения за счет увеличения числа отказов в единицу времени скорость изменения функций ![]() ![]() Если на производстве хорошо поставлен технологический процесс и проводится отбраковка элементов со скрытыми производственными дефектами, то период приработки может отсутствовать. Для таких элементов, как полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы, интенсивность ![]() Рассмотрим теперь проявление только постепенных отказов, когда изменяющиеся во времени параметры Х различных однотипных элементов, работающих в одинаковых условиях, пересекут, например, нижнюю границу ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Рисунок 1.3 В реальных условиях эксплуатации необходимо учитывать как внезапные, так и постепенные отказы элементов (рисунок 1.4, а). Характер изменения функций ![]() ![]() ![]() ![]() Для периода нормальной эксплуатации элементов, когда можно принять ![]() ![]() ![]() ![]() где е - основание натуральных логарифмов. Из выражений (1.6)-(1.8) видно, что чем меньше ![]() ![]() ![]() ![]() Закон безотказности при ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Так, например, для ![]() ![]() ![]() Рисунок 1.4 Если элемент проработает время ![]() ![]() ![]() ![]() Интенсивность отказов является удобным показателем, так как для основного периода эксплуатации элементов при ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Показателями долговечности элементов являются технический ресурс ![]() ![]() Для характеристики долговечности применяют такие показатели, как средний ресурс и средний срок службы элементов, определяемые математическим ожиданием ресурса и срока службы. Следует отметить, что показатели надежности являются усредненными характеристиками. Если, например, для элементов определенного типа указана долговечность, то это не означает, что любые элементы этого типа проработают точно данный срок. Долговечность конкретных элементов может быть существенно меньше и больше указанной, т. е. по поводу отдельного элемента нельзя сказать точно, как долго он будет работоспособным. Можно лишь указать вероятность того, что элемент исправно проработает данный срок. Но чем больше элементов данного типа работает в одинаковых условиях, тем ближе их средняя долговечность будет приближаться к указанной. Наиболее сильное влияние надежность элементов оказывает на надежность РЭА в том случае, когда отказ любого одного элемента приводит к отказу РЭА в целом. Такая ситуация имеет место в РЭА без резервирования. Для этого случая вероятность ![]() ![]() Для условий, когда эксплуатационную интенсивность отказов всех элементов можно принять постоянной единичные показатели безотказности РЭА определяются равенствами: ![]() ![]() где интенсивность отказов РЭА ![]() а средняя наработка РЭА до отказа ![]() Из (1.9) - (1.12) видно, что уменьшение эксплуатационной интенсивности отказов элементов повышает безотказность РЭА в целом. 2. резервы повышения надежности элементов и возможности их реализации В сфере разработки и производства элементов закладывается определенный уровень их надежности, характеризуемый значениями показателей надежности. Определение этих показателей производится статистическими методами на основе результатов испытаний элементов при уровнях внутренних и внешних нагрузок, определяемых техническими условиями. При дальнейшем изложении такие показатели надежности будем для краткости называть производственными показателями надежности. Одни и те же типы элементов эксплуатируются в РЭА различного назначения в составе конкретных электрических схем. В зависимости от уровней нагрузок, характера взаимного влияния режимов работы элементов и схем, конструкции РЭА и условий ее применения элементы данного типа, имеющие одинаковые производственные показатели надежности, могут в различных схемах и различной РЭА обладать значениями показателей, существенно отличающимися от производственных. В связи с этим говорят об эксплуатационных показателях надежности элементов. Эксплуатационные показатели надежности могут определяться только из статистики работы элементов данного типа в конкретной электрической схеме при конкретных условиях эксплуатации. При проектировании элементы рассчитываются на определенный срок службы ![]() ![]() Допустим, что при проектировании и производстве элементов обеспечивается безотказность, характеризуемая плотностью вероятности ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Рисунок 2.1 Если из партии элементов с такими характеристиками безотказности отбраковать все элементы, для которых ожидается наработка до отказа, меньшая, чем ![]() ![]() ![]() Имеющуюся потенциальную возможность изготовления всех элементов со сроком службы не ниже заданного на практике реализовать трудно в виду невозможности учета при проектировании всех факторов, обусловливающих отказы элементов; ошибок и отклонений от норм при проектировании и конструировании; применения материалов с параметрами, отличающимися от расчетных; отклонения от норм в технологическом процессе изготовления элементов; высокого уровня затрат на разработку и реализацию мероприятий, обеспечивающих рассмотренные выше характеристики безотказности Поэтому промышленность выпускает элементы, среди которых имеются экземпляры со сроками службы, существенно меньшими расчетного. В этом случае надежность РЭА существенно зависит от количества комплектующих элементов и основным путем ее повышения является уменьшение числа комплектующих элементов посредством увеличения доли интегральных микросхем в общем объеме РЭА. Существуют следующие основные резервы повышения производственных показателей надежности элементов: ослабление интенсивности протекания в материалах физико-химических процессов, приводящих к изменению параметров элементов; увеличение запасов прочности структуры элемента по всем видам нагрузок и создание равнопрочной конструкции во всех звеньях структуры; применение новых конструктивных решений и новых принципов создания элементов с большими потенциальными возможностями в отношении повышения надежности; отбраковка элементов со скрытыми производственными дефектами. В сфере проектирования и конструирования элементов первый резерв реализуется путем применения высококачественных материалов и разработки надежной защиты элемента от воздействия эксплуатационных факторов. Применение материалов с малым количеством примесей, локальных дефектов структуры, защита элементов от проникновения в них веществ окружающей среды и энергетических воздействий приводят к уменьшению числа видов физико-химических процессов и снижению интенсивности их протекания. Второй резерв реализуется созданием в элементах процессов, компенсирующих накопление изменений в материалах. Например, введение в электровакуумные приборы газопоглотителя компенсирует снижение вакуума за счет газовыделений из материалов. Распыление активирующего слоя бария с поверхности оксидного катода компенсируется процессами образования бария в объеме оксидного слоя и его диффузией на поверхность катода, в результате чего поддерживается его эмиссионная способность. Использование третьего резерва ограничивается задачей миниатюризации элементов, вытекающей из необходимости уменьшения габаритов и массы РЭА. Обычные активные и пассивные элементы имеют средний объем 0,5-0,7 см3 и массу 1-1,2 г. При таких характеристиках объем РЭА сложностью 107 элементов составит не менее 10 м3, а масса-не менее 10 т. Даже в случае применения бескорпусных активных элементов и сверхминиатюрных пассивных элементов, для которых средний объем составляет 0,1- 0,2 см3, а масса-0,1 г, приведенные выше цифры уменьшаются всего на порядок. Увеличение запасов прочности структуры элементов при одновременной их миниатюризации достигается применением новых вы-сокопрочных и высокостабильных материалов, например, для элементов, работающих в схемах преобразования и генерации сигналов большой мощности, а также снижением уровней электрических нагрузок для элементов схем обработки информации, в которых не требуется большая мощность сигналов. Существуют интегральные микросхемы, в которых элементы работают в нановаттном диапазоне мощности. Примером использования четвертого резерва повышения надежности является создание новых перспективных элементов (объемных резисторов, полупроводниковых конденсаторов и т.д.). Реализация в сфере производства уровня надежности, заложенного при проектировании и конструировании, определяется степенью технологичности элементов, которая должна учитываться при их разработке, и качеством технологического процесса их производства. Для организации качественного технологического процесса необходимо осуществлять оперативный количественный контроль надежности производимых элементов. Количественную оценку надежности позволяют получить статистические методы, применяемые при проведении испытаний выборочной партии изготовленных элементов. Однако с повышением надежности элементов эти методы требуют для получения достоверных результатов увеличения объема выборки (количества испытываемых элементов в партии) или увеличения времени испытаний при относительно малых объемах выборки. Уже при современном уровне надежности элементов получение результатов статистического контроля за приемлемое время приводит к существенному увеличению количества элементов в испытываемой партии, что делает экономически невыгодным этот метод контроля. Уменьшение же количества элементов в партии значительно увеличивает время испытаний, что не позволяет оперативно вносить коррективы в технологический процесс и делает такой контроль также экономически нецелесообразным. Для уменьшения времени получения информации о надежности иногда прибегают к ускоренным методам испытаний, при которых элементы работают в форсированном режиме. Однако в этом случае необходимо знать коэффициент ускорения относительно обычных испытаний. Если коэффициент ускорения неизвестен, то метод ускоренных испытаний дает только качественную оценку надежности. Если такая оценка не выходит за определенные границы, то считают, что технологический процесс идет стабильно. С увеличением уровня надежности элементов наиболее перспективными методами оперативного контроля становятся методы неразрушающего контроля, позволяющие быстро определять скрытые производственные дефекты изделий и вносить соответствующие коррективы в технологический процесс. Статистические методы позволяют только установить факт уменьшения надежности изделий, а для выяснения причины требуется специальный анализ. Повышение надежности элементов может быть достигнуто также приработкой их под нагрузкой, приемо-сдаточными испытаниями при жестких критериях отказов и отбраковкой элементов со скрытыми производственными дефектами. Приработка элементов под нагрузкой на заводах позволяет отбраковать отказавшие элементы со скрытыми производственными дефектами и стабилизировать параметры оставшихся элементов. Интенсивность отказов снижается до стабильного уровня, соответствующего периоду нормальной эксплуатации. Приемочный контроль производят на основании результатов контрольных (приемо-сдаточных) испытаний. Испытания элементов на надежность проводят при типовых электрических и внешних нагрузках, при заданных контролируемых параметрах и критериях годности. Схему, в которой испытывают элементы, выбирают таким образом, чтобы свести к минимуму возможное ее влияние на надежность элементов. В качестве контролируемых параметров выбирают основные параметры, имеющие тенденцию к дрейфу. Приемо-сдаточные испытания при жестких критериях отказов заключаются в том, что режимы электрических и внешних нагрузок выбирают предельными или близкими к предельным, а критерии годности - значительно более жесткими, чем при работе элементов в схеме. Производство, поставляющее элементы, которые удовлетворяют жестким приемо-сдаточным испытаниям, обеспечивает и более высокий уровень производственной надежности по сравнению с испытаниями при типовых нагрузках. Однако надежность может быть повышена и дальше отбраковкой потенциально ненадежных элементов со скрытыми производственными дефектами, не проявившими еще себя в период приработки и испытаний. Такая отбраковка осуществляется методами неразрушающего контроля каждого элемента выпускаемой партии. Эффективность такой программы отбраковки должна оцениваться с учетом экономической целесообразности. Известны случаи, когда снижение интенсивности отказов этим методом от ![]() ![]() Уровень эксплуатационных показателей надежности элементов закладывают при проектировании и производстве РЭА и поддерживают, соблюдая правила и режимы эксплуатации. В РЭА элементы входят в состав конкретных электрических схем. Небольшие изменения какого-либо параметра элемента могут привести к сдвигу рабочей точки электрического режима схемы и существенному изменению этого же или другого параметра. Схема по-разному может реагировать на изменение параметров: либо стабилизировать дрейф, либо усиливать его вплоть до лавинного убыстрения этого процесса. Поэтому вопросы стабилизации внутренних процессов в элементах и их электрических режимов приобретают важное значение для получения высокой надежности элементов и РЭА в целом. Таким образом, существенное значение имеет устойчивость схемы к изменению внешних условий эксплуатации и дрейфу параметров элементов. Поскольку эксплуатационные показатели надежности элементов определяются устройством, в котором они работают, то их в общем случае необходимо относить к конкретному типу устройства с конкретным типом элементов. Более того, конструкция РЭА влияет на надежность элементов, так как она определяет степень защиты их от внешних воздействий, характера теплообмена и т. д. Практика показывает, что для одного и того же типа элемента в зависимости от типа схемы и нагрузочного режима эксплуатационные показатели надежности могут существенно отличаться. Отсюда следует вывод, что эксплуатационные показатели надежности не могут являться объективной и однозначной характеристикой элементов, если они в значительной степени зависят от свойств и характеристик электрической схемы и конструкции устройства. 3 Расчет надежности типового устройства Предварительный усилитель с изменяемой АЧХ на рисунке 3.1 Основная функция предусилителя - усиление слабого сигнала до уровня сигнала в линии. Слабый сигнал может приходить со звукоснимателей 1 2 |