Реферат. Вопрос 1 Физические закономерности отказов 2

• Название: Вопрос 1 Физические закономерности отказов 2
• Дата: 03.04.2022
• Размер: 38.08 Kb.
• Имя файла: Реферат.docx
• Тип: Закон; #439373

Содержание

Вопрос 1: Физические закономерности отказов 2

Вопрос 2: Анализ причин и видов повреждений элементов технологических систем 6

Список литературы 13

Вопрос 1: Физические закономерности отказов

Для оценки надежности технических объектов используется, как правило, методология теории вероятностей и математической статистики. В этом случае все возможные состояния элементов и объектов сводятся, как правило, к двум – работоспособному и неработоспособному (состоянию отказа), показателям надежности придается смысл функций случайной величины (наработки до отказа), а моделям надежности – смысл распределения этой случайной величины.

Вероятностные методы находят практическое применение при оценке показателей надежности различных технических систем, анализе проектных, назначении оптимальных регламентов эксплуатации, разработке программ испытаний и контроле качества продукции.

Вероятностный подход при оценке надежности технических объектов учитывает структуру сложных систем как соединения элементов и не касается физическо-химических свойств материала элементов, не учитывает физическую природу их взаимодействия и процессов, происходящих в элементах под воздействием внешних и внутренних факторов и приводящих к их отказам.

В связи с этим вероятностный подход и применение статистической теории надежности имеет ряд ограничений:

– невозможность применения для анализа надежности единичных объектов (например, некоторых технических систем, не имеющих аналогов, а также при проектировании новых изделий);

– невозможность в большинстве случаев определения вида отказа исходя только из формально-математических гипотез;

– невозможность учета влияния различных внешних воздействий (механических, химических, электрических, тепловых и др.);

– невыполнимость в общем случае гипотезы о неизменной природе отказа при изменении уровня нагрузки на объект;

– сложность учета нескольких одновременно протекающих процессов разрушения с различными скоростями (что обусловливает нелинейность законов суммирования повреждений).

Эти ограничения, а также повышение сложности, снижение материалоемкости и запасов прочности технических объектов, усложнение условий их работы вызвали необходимость развития физической теории надежности («физики отказов»), которая рассматривает детерминированные или функциональные закономерности физических процессов, влияющих на надежность технических объектов, и, соответственно, для более полной и точной оценки надежности рассматривает модели отказа с учетом физических явлений.

Изменение начальных свойств и состояния материалов, из которых выполнено изделие, является первопричиной потери им работоспособности, так как эти изменения могут привести к повреждению изделия и опасности возникновения отказа.

Чем глубже изучены закономерности, описывающие процессы изменения свойств и состояния материалов, тем достовернее можно предсказать поведение изделия в данных условиях эксплуатации и обеспечить сохранение показателей надежности в требуемых пределах.

Хотя для оценки надежности, как правило, используются вероятностные характеристики, это не значит, что суждение о поведении изделия можно сделать лишь на основании статистических исследований.

Наоборот, в основе потери машиной работоспособности всегда лежат физические закономерности, но в силу разнообразия и переменности действующих факторов эти зависимости приобретают вероятностный характер.

Пусть скорость некоторого процесса повреждения материала у есть функция ряда входных параметров Z_x, Z₂, ..., Z_n и времени t, причем данная зависимость получена на основе физико-химических законов:



Параметры Z, характеризуют условия эксплуатации (нагрузки, скорости, температура и др.), состояние материала (твердость, прочность, качество поверхности ит. д.) и другие факторы, влияющие на протекание процесса повреждения материала. Однако при наличии только функциональной зависимости, достаточно достоверно описывающей данное явление, нельзя еще точно предсказать, как будет протекать данный процесс, так как сами аргументы Z_x, ...,Z_n являются случайными величинами.

Действительно, при работе машины происходят непредвиденные изменения и колебания нагрузок, скоростей, температур, степени загрязнения поверхностей. Более того, сами детали машины могут быть выполнены с различными допусками на технологические параметры (точность, однородность материала и др.).

Однако знание физической закономерности процесса в корне изменяет возможности по оценке хода процесса по сравнению со случаем, когда этот процесс оценивается только на основе статистических наблюдений.

Функциональная зависимость, хотя и абстрагирует действительность и лишь с известной степенью приближения отражает физическую сущность процесса, но позволяет предсказывать возможный ход процесса при различных ситуациях.

Поэтому «физика отказов», которая изучает закономерности изменения свойств материалов в условиях их эксплуатации, является основой для изучения и оценки надежности машин.

Для решения инженерных задач надежности необходимо знать закономерности изменения выходных параметров системы и ее элементов во времени. Современная наука изучает закономерности изменения свойств и состояния материалов на следующих уровнях.

Субмикроскопический уровень, когда на основании рассмотрения строения атомов и молекул и образования из них кристаллических решеток твердых тел или иных структур выявляются закономерности, которые служат базой для объяснения свойств и поведения материалов в различных условиях.

Микроскопический уровень рассмотрения свойств материалов исходит из анализа процессов, происходящих в небольшой области. Полученные при этом закономерности в дальнейшем распространяются на весь объем тела.

Изучение влияния совместного действия силовых и физико-химических факторов на поведение твердых тел в процессе их эксплуатации привело к появлению нового направления — физико-химической механики материалов.

Макроскопический уровень рассматривает изменение начальных свойств или состояния материала всего тела (детали). Так, теория упругости на основе закона Гука рассматривает деформации и напряжения в системах и деталях различной конфигурации, работающих на растяжение, кручение, изгиб и другие виды деформации.

Разнообразные закономерности и методы расчетов, применяемые при конструировании и производстве машин, полученные общие физические законы и частные зависимости могут быть использованы и при решении вопросов надежности. При этом, поскольку главной задачей является оценка изменения свойств и состояния материала в функции времени, необходимо выявить, какие физические закономерности могут быть использованы и как проявляется фактор времени при оценке работоспособности изделия.

Вопрос 2: Анализ причин и видов повреждений элементов технологических систем

Главная цель экспериментальной отработки СТС – достижение тре­буемого уровня их надежности.

Надежность определяется как свойство объекта сохранять во вре­мени в установленных пределах значения всех параметров, характе­ризующих способность выполнять требуемые функции в заданных ре­жимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования. Таким образом, надежность характеризуется свойством объекта сохранять во времени свою работоспособность. При этом работоспособное состояние объекта определяется как состо­яние, при котором значения параметров, характеризующих способ­ность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нор­мативно-технической и (или) конструкторской (проектной) доку­ментации.

Событие, заключающееся в нарушении работоспособного состо­яния, называется отказом. Основными причинами отказов являют­ся дефекты конструкции в целом, отдельных ее деталей (являющихся первичными структурными единицами практически любой техничес­кой системы) и соединений.

Под термином «дефект» понимается каждое отдельное несоответ­ствие конструкции установленным требованиям, которое может при­вести к отказу или повреждению при ее эксплуатации. Дефекты со­здаются в основном на этапах конструирования, разработки технологии, а также изготовления деталей, сборки и монтажа изде­лия и его элементов.

Отказы элементов СТС классифицируются на первичные, вто­ричные и ошибочные команды. Отказы всех этих категорий могут иметь различные причины.

Первичный отказ элемента определяется как его нерабочее состо­яние, причиной которого является он сам. Необходимо выполнить ремонтные работы для возвращение элемента в рабочее состояние. Основными причинами первичных отказов являются в основном кон­структивные, производственные (технологические) и так называе­мые деградационные дефекты.

Причинами дефектов конструкции (конструкторских недоработок) элементов (систем, узлов, агрегатов) и изделия в целом являются: неполное соответствие технических характеристик изделий предъяв­ляемым требованиям, связанное с нерациональным выбором прин­ципиальной, структурной, конструктивной схем изделий и всего комплекса; неправильный выбор комплектующих изделий, материл — лов и полуфабрикатов; недостаточный учет возможностей разработ­ки, экспериментальной отработки и ожидаемого качества изготовле­ния изделий; недостаточный учет реальных условий эксплуатации и применения; ошибки при проектировании, конструировании, экс­периментальной отработке изделий.

Производственные (технологические) дефекты возникают по сле­дующим причинам: неполное соответствие качества изготовления из­делий требованиям конструкторской документации, недостаточное качество исходных материалов, неправильный выбор технологии, ошибки в технологической документации, нарушения (при изготов­лении) требований технологии и системы контроля качества продук­ции.

Причинами деградационных дефектов являются естественные про­цессы старения, изнашивания и усталости, которые имеют место при соблюдении всех установленных правил и (или) норм проекти­рования, изготовления и эксплуатации и возникают на заключитель­ной стадии эксплуатации изделий.

Отметим, что в соответствии с причинами, их вызывающими, цервичные отказы могут быть названы конструктивными, производ­ственными (технологическими) и деградационными.

Вторичный отказ такой же, как первичный, за исключением того, что сам элемент не является причиной отказа. Вторичные отказы объясняются воздействием предыдущих или текущих избыточных на­пряжений на элемент и другими причинами. Основные причины этих отказов: избыточные (выходящие за пределы допустимых значений) напряжения электрического тока и другие нежелательные возмуще­ния, источниками возникновения которых могут быть:

– сопряженные (соседние) элементы (системы, узлы, приборы, агрегаты и т. д.);

– окружающая среда (например, метеорологические и геологи­ческие условия, связанные с районом расположения стартово­го комплекса, искусственные или естественные факторы кос­мического пространства в процессе полета);

– персонал ракетно-космического комплекса, если его действия приводят к выходу элементов из строя вследствие нарушения правил (эксплуатации изделий), предусмотренных конструктор­ской документацией (при этом первоначальной причиной воз­никновения вторичных отказов могут быть также дефекты экс­плуатационной документации).

Следует отметить, что устранение влияния источников повышен­ных напряжений на элемент не гарантирует возвращение его в рабо­чее состояние, так как предыдущая перегрузка могла вызвать в нем необратимое изменение.

Ошибочные команды представляются в виде элемента, находяще­гося в нерабочем состоянии из-за неправильного сигнала управления или помех, например – оператор не нажал аварийную кнопку (оши­бочная команда от аварийной кнопки).

Отказы также подразделяют на общие и конкретные. К общим отказам относят: преждевременное срабатывание, невключение в назначенное время, невыключение в назначенное время, отказ во время работы. К конкретным отказам относят такие отказы, как ко­роткое замыкание (электрическое), внешняя или внутренняя утечка тока, ошибочное срабатывание, ошибочная индикация и т. д.

По природе возникновения отказы могут быть внезапными и постепенными.

Внезапные отказы носят случайный характер. Этому виду отказов может не предшествовать постепенное накопление повреждений — он возникает внезапно. Технология создания современных изделий столь сложна, что не всегда удается проследить за скрытыми дефек­тами проектирования и производства, которые проявляются на ста­дии испытаний и эксплуатации. В процессе эксплуатации могут со­здаться условия, при которых скрытый дефект приводит к отказу изделия (пиковые нагрузки, вибрация, удары, линейные и угловые ускорения, температурный скачок, помехи и т. д.). При большом уровне случайных неблагоприятных воздействий внезапный отказ может произойти даже при отсутствии скрытых дефектов.

Постепенный отказ возникает в результате постепенного накоп­ления повреждений, главным образом вследствие износа и старения материалов. Такие отказы называют также параметрическими, по­скольку они связаны с изменением параметров, характеризующих техническое состояние изделия.

Изделия авиационной и ракетно-космической техники являются высоко компьютеризированными объектами. Отказы компьютерно­автоматизированной системы управления полетом ЛА разделяются на аппаратные и программные.

Аппаратным отказом принято считать событие, при котором та или иная компьютерно-автоматизированная система утрачивает ра­ботоспособность и для ее восстановления требуется ремонт или заме­на отказавшей аппаратуры (компьютерного оснащения) на исправ­ную. Программным отказом считается событие, при котором та или иная система изделия утрачивает работоспособность по причине не­доработки программы (несовершенство алгоритма решения задачи, отсутствие программной защиты от сбоев, отсутствие программного контроля за состоянием изделия и т. д.).

Отказ может быть кратковременным, самоустраняющимся. В этом случае он называется сбоем. Характерный признак сбоя заклю­чается в том, что восстановление работоспособности после его воз­никновения не требует ремонта аппаратуры. Причиной сбоя может быть кратковременно действующая помеха, дефекты программы, при­водящие к неблагоприятным временным характеристикам работы ап­паратуры, и т. д.

По стохастическим свойствам отказы разделяются на две груп­пы. К первой группе относятся отказы, которые проявляются детер­минирование и устраняются также детерминированно путем доработ­ки конструкции при принятии нового технологического решения, полностью исключающего повторение подобного отказа. К таким от­казам относятся грубые ошибки в конструкторской или технологи­ческой документации или незнание условий функционирования.

Ко второй группе относятся отказы, связанные со случайной при­родой проявления и (или) случайным характером их устранения. К этой категории относятся отказы изделий, при доработке которых невозможно по каким-либо причинам существенно повысить запасы работоспособности и всегда остается некоторая вероятность их появ­ления. Это – отказы, вызываемые случайным характером протека­ния физико-химических процессов; отказы, причины которых не оп­ределяются однозначно; отказы, вызываемые нестабильным качеством изготовления комплектующих элементов и т. д.

Отказы также можно разделить на фактические и потенциаль­ные. Отказы, которые проявляются на стадии испытаний изделия и его элементов, а также в процессе эксплуатации, называют факти­ческими. Возможные отказы, которые выявляются в результате экс­пертных оценок безопасности и надежности на первоначальных эта­пах проектирования изделия с целью их предотвращения, называют потенциальными. Отметим, что в процессе рассмотрения отказов (в том числе ошибочных команд) и причин их возникновения важно определить значимость каждого вида отказа с тем, чтобы правильно оценить необходимость исключения или уменьшения негативных по­следствий их появления.

В соответствии с делением отказов на потенциальные и факти­ческие мероприятия, направленные на обеспечение безопасности и надежности сложных технических изделий, также принято подразде­лять на две основные группы. Первая из них планируется и разраба­тывается на ранних стадиях опытно-конструкторских работ и направ­лена на устранение причин различных несоответствий, допущенных при разработке схемных и конструкторских решений, приводящих к возникновению отказов и нештатных ситуаций (нештатная ситуация определяется как состояние объекта, не предусмотренное програм­мой штатного функционирования объекта). Мероприятия, состав­ляющие первую группу, называются предупреждающими. Вторая груп­па мероприятий разрабатывается на более поздней стадии опытно-­конструкторских работ и направлена на устранение причин дефектов и отказов, обнаруженных в результате контроля и испытаний уже изготовленных первых образцов элементов (агрегатов, узлов, систем) и изделия в целом. Мероприятия, составляющие вторую группу, на­зывают корректирующими.

Мероприятия первой группы разрабатываются на основе каче­ственного анализа с применением специально разрабатываемых экс­пертных методик. Мероприятия второй группы разрабатываются на основе количественного анализа, осуществляемого по результатам кон­троля и испытаний.

Следует также особо отметить, что наряду с рассмотренными группами мероприятий важную роль в обеспечении качества проек­тируемого изделия играют общие организационные и научно-техни­ческие мероприятия, проводимые в сфере проектирования, произ­водства, испытаний и эксплуатации. Они включают мероприятия по совершенствованию и внедрению: систем автоматизированного про­ектирования (САПР), а также современных достижений в области информационных технологий; методов и средств контроля качества; методов автоматизации испытательных стендов и комплексов; систем обеспечения адекватности условий наземных испытаний полетным условиям; эффективных методов и средств диагностирования; мероп­риятий по совершенствованию методов и средств эксплуатации (повышения готовности к полету, повышения качества наземного обслуживания, ремонта и т. д.).

Список литературы

1. 
   ГОСТ 27.301-95 Надежность в технике. Расчет надежности. Основные положения
   
2. 
   ГОСТ 27.002-89 Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения
   
3. 
   Глазунов Л.П. и др. Основы теории надежности автоматических систем управления: Учеб. пособие для вузов. - Л.: Энергоатомиздат, ленингр. отд., 1984.
   
4. 
   Дружинин Г.В. Надежность автоматизированных производственных систем: - М.: Энергоатомиздат, 1986.
   
5. 
   Матвеевский В.Р. Надежность технических средств управления: Учеб. пособие. - М.: МГИЭМ, 1993.
   
6. 
   Фомин А.В. и др. Технология, надежность и автоматизация производства БГИС и микросборок: Учеб. пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1981.
   
7. 
   Ястребенецкий М.А., Иванова Г.М. Надежность автоматизированных систем управления технологическими процессами: Учеб. пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1989.