Надежность конструкции эа
Лекция 25. Надежность конструкции ЭА
Надежность – свойство ЭА выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, при соблюдении режимов эксплуатации, правил технического обслуживания, хранения и транспортировки.
А общем случае надежность конструкции зависит от соотношений прочности и устойчивости, закладываемых при разработке, к нагрузке, которую приходится выдерживать аппаратуре в процессе эксплуатации. Под прочностью при этом понимают способность аппаратуры выдерживать без разрушений внешние температурные, механические, влажностные и прочие воздействия, под устойчивостью – способность к работе при тех же воздействиях.
Ресурс – продолжительность работы ЭА до предельного состояния, установленного в нормативно-технической документации. Случайное событие, приводящее к полной или частичной утрате работоспособности ЭА, называется отказом. По характеру устранения отказы делятся на устойчивые и самоустраняющиеся. Возникновение отказов происходит как из-за внутренних свойств аппаратуры, так и из-за внешних воздействий и носит случайный характер. Для количественной оценки отказов используют вероятностный метод.
Безотказность – способность ЭА непрерывно сохранять заданные функции в течение установленного в технической документации времени – характеризуется вероятностью безотказной работы P(t), частотой отказов f(t), интенсивностью отказов l(t), средней наработкой на отказ Тср.
Вероятность безотказной работы и частоту отказов можно найти статистически по данным об отказах эксплуатируемых изделий
,
где N – число изделий в начале испытаний; n – число изделий, отказавших за время испытаний t.
Функцию частоты отказов можно описать в виде
Рекомендуемые материалы
.
При Dt®0 вероятность отказа q(t) можно определить интегрированием функции частоты отказов 
.
За время t вероятность безотказной работы будет равна
. (3.27)
Продифференцировав (3.27), получим 
или 
. Таким образом, функция f(t) характеризует скорость снижения надежности во времени.
Критерием, более полно определяющим надежность неремонтируемой ЭА и ее модулей, является интенсивность отказов l(t) – число отказов в единицу времени, отнесенное к среднему числу изделий, безотказно функционирующих в указанный промежуток времени. Этот показатель характеризует надежность ЭА в любой момент времени и рассчитывается по формуле
,
где Dni = Ni – Ni+1 – число отказов; Ncp = (Ni + Ni+1) / 2 – среднее число работоспособных изделий; Ni и Ni+1 – количество работоспособных изделий в начале и конце промежутка времени Dti.
При расчете надежности базовые показатели по интенсивности отказов компонентов корректируются с учетом требований к исполнению, видом внешних воздействий на аппаратуру и т.д.
Вероятность безотказной работы P(t) связана с интенсивностью отказов l(t) зависимостью
. (3.28)
Если ЭА содержит N последовательно соединенных однотипных элементов, то 
.
Средняя наработка на отказ Тср и вероятность безотказной работы P(t) связаны зависимостью 
(3.29)
Возникновение отказов в ЭА носит случайный характер . Следовательно, время безотказной работы есть случайная величина, для описания которой используют распределения Вейбулла, Рэлея, Пуассона, экспоненциальное.
Отказы а ЭА, содержащей большое число однотипных неремонтируемых элементов, подчиняются распределению Вейбулла, а вероятность безотказной работы P(t), частота отказов f(t), средняя наработка на отказ Тср вычисляются по следующим формулам:
; (3.30)
; (3.31)
, (3.32)
где Г – гамма-функция, l0 и b – параметры распределения. Из (3.30) и (3.31) получим
.
Экспоненциальное распределение (частный случай распределения Вейбулла при b=1) основано на предположении постоянной во времени интенсивности отказов и может быть использовано при расчете надежности аппаратуры одноразового применения, содержащей большое число неремонтируемых компонентов. Характеристики надежности при этом выглядят следующим образом:
;
;
;
,
где l – параметра распределения.
При длительной работе ЭА при планировании ее ремонта важно знать не вероятность возникновения отказов, а их число за определенный период эксплуатации. В этом случае применяют распределение Пуассона, позволяющее подсчитать вероятность появления любого числа случайных событий за некоторый период времени. При расчетах для распределения Пуассона характерны те же ограничения, что и для экспоненциального. Распределение Пуассона применяют для оценки надежности ремонтируемой ЭА с простейшим потоком отказов. Вероятность отсутствия отказа за время t составляет Р0= exp(-lt), а вероятность появления i отказов за то же время Рi =li ti exp(-lt) / i! , где i = 0, 1, 2, …, n – число отказов.
Распределение Рэлея описывает поведение ЭА и составляющих ее элементов с явно выраженными признаками их старения и износа. При этом
;
;
;
,
где С – параметр распределения.
Резервирование – способ повышения надежности аппаратуры, заключающийся в дублировании (иногда многократном) ЭА в целом или отдельных его модулей или элементов. Различают следующие виды резервирования: постоянное (резервные элементы включены вместе с основными и функционируют в тех же режимах); резервирование замещением (обнаружение отказавшего элемента и замена его резервным); скользящее резервирование (любой резервный элемент может замещать любой отказавший).
Если Pc(t) – вероятность безотказной работы системы (модуля), то установка и включение параллельно нескольких таких же систем (модулей) приводит к увеличению результирующей вероятности безотказной работы резервированной системы Рср(t), которую можно определить из
,
где m – число резервных систем (модулей), включенных параллельно основной системе (модулю).
Расчет надежности ЭА состоит в определении числовых показателей надежности P(t) и Тср по известным интенсивностям отказов комплектующих ЭА элементов. При этом считается, что, если выход из строя любого элемента приводит к выходу из строя всей ЭА, то имеет место последовательное включение элементов. В таблице 3. 3 приведены усредненные данные по интенсивности отказов микросхем, ЭРЭ, узлов и электрических соединений.
Таблица 3.3. Интенсивности отказов комплектующих
и электрических соединений
| Элемент | Интенсивность отказов l×10-6 1/ч |
| Микросхемы в пластмассовом корпусе Микросхемы в керамическом корпусе Маломощные транзисторы Мощные транзисторы Маломощные диоды Мощные диоды Углеродистые резисторы Проволочные резисторы Регулируемые резисторы Конденсаторы танталовые Конденсаторы электролитические Кристалл кварца Переключатели Реле Вентиляторы Трансформаторы Пайка ручным способом Пайка автоматическим способом Разъемный контакт Соединение «под винт» Соединение накруткой Соединение сваркой Соединение обжимкой | 0,1 0,01 0,05 0,5 0,02 0,2 0,01 0,5 2,0 0,02 0,2 0,05 0,2 0,5 2,0 0,5 0,2 0,002 0,05 0,08 0,0012 0,0006 0,006 |
Вероятность безотказной работы системы будет
, (3.33)
где qi(t) и Pi(t) – соответственно вероятность отказа и вероятность безотказной работы i-го модуля за время t; n – число модулей системы.
Из (3.28) и (3.33) получим
,
где li(t) – интенсивность отказов i-го модуля системы.
Обозначив 
, получим 
.
Модули одного иерархического уровня имеют приблизительно равную надежность. Тогда для системы из К групп модулей одного уровня
,
"7 Сооружение хранилищ рао" - тут тоже много полезного для Вас.
,
где ni – число модулей i-го уровня иерархии.
Для экспоненциального закона распределения, когда интенсивность отказов можно считать величиной постоянной,
,
.
В общем случае надежность конструкции зависит от соотношения прочности и устойчивости, закладываемых в конструкцию при разработке, к нагрузке, которую приходится выдерживать аппаратуре в процессе эксплуатации. Под прочностью здесь понимают способность аппаратуры выдерживать без разрушений внешние температурные, механические, влажностные и прочие воздействия, под устойчивостью – способность к работе при тех же воздействиях.
