Надежность есть свойство объекта сохранять способность к выполнению своих функций в заданных условиях эксплуатации

Основы теории надежности. Основные понятия и определения

Теория надежности изучает процессы возникновения отказов объектов и способы борьбы с ними.

Для удобства решения задач в теории надежности различают два вида объектов: системы и элементы.

Система предназначена для самостоятельного выполнения определенной практической задачи. Элемент является составной частью системы и не предназначен для самостоятельного практического применения вне связи с другими элементами. В принципе систему можно разбить на любое число элементов, необходимое для расчета надежности. Однако деление системы на элементы нельзя считать произвольным. Каждый элемент должен обладать способностью выполнять в системе определенные функции.

К основным фундаментальным понятиям теории надежности относятся понятия надежность и отказ.

Надежность является одним из главных параметров качества объекта. Качество объекта – это совокупность свойств, определяющих степень его пригодности для практического применения в соответствии со своим назначением.

Наиболее часто применяется следующее определение понятия «надежность»:

надежность есть свойство объекта сохранять способность к выполнению своих функций в заданных условиях эксплуатации.

Это – чисто общетехническое определение. Под объектом здесь подразумевается элемент расчета надежности (резистор, конденсатор, транзистор, диод, микросхема, узел, устройство, прибор или система), учитываемый при расчете надежности как отдельная самостоятельная часть, имеющая свой количественный показатель надежности.

Таблица 1

Классификационные признаки	Виды признаков
по степени влияния на работоспособность	полные неполные или частичные
по физическому характеру проявления	катастрофические параметрические
по взаимосвязи между собой	независимые зависимые
по характеру процесса возникновения	внезапные постепенные
по времени существования	устойчивые временные перемежающиеся
по признакам проявления	явные неявные

 

Надежность является специфичным параметром и резко отличается от других:

1) надежность как параметр находится всегда в противоречии с другими параметрами аппаратуры;

2) надежность трудно определить одним числовым показателем;

3) надежность объекта зависит от большого числа различных переменных факторов, которые носят случайный характер;

4) экспериментально определить количественные характеристики надежности во много раз сложнее, чем измерить другие технические параметры аппаратуры.

Очень часто аппаратура, подвергнутая испытаниям на надежность, оказывается не пригодной к дальнейшему использованию.

Вторым важнейшим понятием в теории надежности является понятие отказа.

Отказ есть событие, после возникновения, которого объект утрачивает способность выполнять свои функции.

Под отказом следует понимать не только полное нарушение работоспособности аппаратуры, но и частичное ухудшение одного или нескольких основных технических параметров, в основном метрологических, т.е. выход этих параметров за установленные пределы, записанные в технических условиях (ТУ) на объект.

Следовательно, после отказа аппаратура либо полностью теряет работоспособность, либо продолжает функционировать с ухудшенными техническими параметрами.

При этом под работоспособностью понимается свойство изделия выполнять заданные функции с параметрами, установленными в ТУ.

Отказы могут быть классифицированы по ряду признаков, основные из которых приведены в табл. 1.

Отказы, отнесенные к первым двум признакам, являются взаимосвязанными.

Катастрофический отказ объекта приводит к полному нарушению работоспособности, т.е. он одновременно является и полным отказом.

К нему относятся обрывы, короткие замыкания, расплавление или сгорание элементов схемы, деформация и заедание механических деталей.

Параметрические отказы элементов или компонентов являются частичными отказами изделий, в которые они входят, и выражаются в частичном ухудшении параметров изделия.

Отказы являются случайными событиями, поэтому делятся на независимые и зависимые. Если отказ элемента не послужил причиной отказа других элементов, то такой отказ будет независимым. Отказ, появившийся в результате отказа других элементов, будет зависимым.

Внезапные отказы возникают в результате резкого скачкообразного изменения основных параметров под воздействием многих случайных факторов, связанных с внутренними дефектами элементов, нарушением рабочих режимов, ошибками обслуживающего персонала и другими неблагоприятными воздействиями.

Для постепенных отказов характерно плавное изменение параметров в результате старения или износа элементов. Следует отметить, что появлению внезапных отказов предшествуют скрытые изменения свойств деталей или компонентов во времени, которые не всегда удается обнаружить. Поэтому разделение отказов на внезапные и постепенные носит условный характер.

К устойчивым относят отказы, которые устраняются только в результате регулировки, проведенного ремонта или в случае замены отказавшего элемента.

Временные отказы могут самопроизвольно исчезать без вмешательства обслуживающего персонала вследствие устранения вызвавшей их причины. Причинами таких отказов часто являются ненормальные режимы или условия работы аппаратуры, например, большие отклонения температуры или влажности, понижение напряжения сети и т. д.

Многократно повторяющиеся временные отказы носят название перемежающихся.

Более общим, чем отказ, является понятие неисправность, под которой подразумевается несоответствие изделия одному или нескольким требованиям, предъявляемым как в отношении основных технических параметров и характеристик, так и в отношении внешнего вида, удобства эксплуатации и т.п. Не все неисправности являются отказами. Неисправности, не приводящие к отказу, обычно называются дефектами.

Основные эксплуатационные свойства изделий с позиций обеспечения надежной работы: безотказность, ремонтоспособность, долговечность и сохраняемость.

Наработка - продолжительность (или объем) работы изделия, измеряемая временем, циклами, периодами и т. п. В процессе эксплуатации или испытания изделия в зависимости от его назначения различают суточную или месячную наработку, наработку на отказ, среднюю наработку до первого отказа, гарантийную наработку и т. п. Суточная и месячная наработки оцениваются временем (циклами, периодами), которое изделие проработало в течение суток или месяца.

Наработка на отказ - среднее значение наработки ремонтируемого изделия между отказами. Если наработка выражена в единицах времени, то используют термин среднее время безотказной работы. Под средней наработкой до первого отказа понимают среднее значение наработки изделий в партии до первого отказа. Для неремонтируемых изделий этот термин равнозначен понятию средней наработки до отказа.

Гарантийная наработка представляет собой наработку изделия, до завершения которой изготовитель гарантирует и обеспечивает выполнение определенных требований к изделию, при условии соблюдения потребителем правил эксплуатации, в том числе правил хранения и транспортировки. Срок гарантии устанавливается в технической документации или договорах между изготовителем и заказчиком.

Безотказностью называют свойство изделия сохранять свою работоспособность в течение некоторой наработки без вынужденных перерывов. Безотказность измеряется в единицах наработки.

Ремонтоспособность - свойство РЭА, заключающееся в приспособлении к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей путем проведения технического обслуживания и ремонтов.

Долговечность - свойство РЭА сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонтов. Предельное состояние определяется технической непригодностью РЭА из-за снижения эффективности эксплуатации или требований техники безопасности и оговаривается в технической документации.

Сохраняемость - свойство изделия сохранять эксплуатационные показатели в течение заданного срока хранения и после него.

Интенсивность отказов - зависимость интенсивности отказов от времени (кривая жизни изделия).

Различают три вида отказов:

– обусловленные скрытыми ошибками в конструкторско-технологической документации и производственными дефектами при изготовлении изделий;

– обусловленные старением и износом радио- и конструкционных элементов;

– обусловленные случайными факторами различной природы.

Для оценки надежности систем введены понятия «работоспособность» и «отказ».

Работоспособность и отказы. Работоспособность - это состояние изделия, при котором оно способно выполнять заданные функции с параметрами, установленными требованиями технической документации. Отказ – событие, приводящее к полной или частичной утрате работоспособности изделия. По характеру изменения параметров аппаратуры отказы подразделяют на внезапные и постепенные.

Внезапные (катастрофические) отказы характеризуются скачкообразным изменением одного или нескольких параметров аппаратуры и возникают в результате внезапного изменения одного или нескольких параметров элементов, из которых построена РЭА (обрыв или короткое замыкание). Устранение внезапного отказа производят заменой отказавшего элемента исправным или его ремонтом.

Постепенные (параметрические) отказы характеризуются изменением одного или нескольких параметров аппаратуры с течением времени. Они возникают в результате постепенного изменения параметров элементов до тех пор, пока значение одного из параметров не выйдет за некоторые пределы, определяющие нормальную работу элементов. Это может быть последствием старения элементов, воздействия колебаний температуры, влажности, давления, механических воздействий, и т.п. Устранение постепенного отказа связано либо с заменой, ремонтом, регулировкой параметров отказавшего элемента, либо с компенсацией за счет изменения параметров других элементов.

По взаимосвязи между собой различают отказы независимые, не связанные с другими отказами, и зависимые. По повторяемости возникновения отказы бывают одноразовые (сбои) и перемежающиеся. Сбой - однократно возникающий самоустраняющийся отказ, перемежающийся – многократно возникающий сбой одного и того же характера.

По наличию внешних признаков различают отказы явные - имеющие внешние признаки появления, и неявные (скрытые), для обнаружения которых требуется провести определенные действия.

По причине возникновения отказы подразделяют на конструкционные, производственные и эксплуатационные, вызванные нарушением установленных норм и правил при конструировании, производстве и эксплуатации РЭА.

По характеру устранения отказы делятся на устойчивые и самоустраняющиеся. Устойчивый отказ устраняется заменой отказавшего элемента (модуля), а самоустраняющийся исчезает сам, но может повториться. Самоустраняющийся отказ может проявиться в виде сбоя или в форме перемежающегося отказа. Отказ типа сбоя особенно характерен для РЭА. Появление сбоев обусловливается внешними и внутренними факторами.

К внешним факторам относятся колебания напряжения питания, вибрации, температурные колебания. Специальными мерами (стабилизации питания, амортизация, термостатирование и др.) влияние этих факторов может быть значительно ослаблено. К внутренним факторам относятся флуктуационные колебания параметров элементов, несинхронность работы отдельных устройств, внутренние шумы и наводки.

 

2. СТАТИСТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ОТКАЗОВ