Методы анализа причин отказов

Лекция 7 3.5. Методы анализа причин отказов Причина отказа - это явления, процессы, события и состояния, обусловившие возникновение отказа объекта. Чтобы построить качественную модель воздействия внешних факторов на изделие и внутренних источников деградационных процессов, необходимо и достаточно просто представлять свойства и параметры, определяющие работоспособное состояние изделия [6,7,32,54]. Укрупненная схема представляющая виды свойств и параметров, определяющих работоспособность некоторых классов изделий, представлена на рис.3.5. К явлениям, вызывающим отказы механизмов приборного оборудования, могут быть отнесены: пластическая деформация, радиационное облучение, разупрочнение поверхностей и т.п. Отказы электронной приборной аппаратуры могут вызываться такими явлениями, как радиационное и электромагнитное облучение, механические деформации и др. Отдельные явления приводят к появлению процессов и событий, вызывающих отказы. К процессам могут быть отнесены: изнашивание, рост трещин, коррозия, действие линейного расширения материалов, старение материалов и т. п. Событиями, приводящими к отказам, могут являться: появление перегрузок, ударов, изменения питающих напряжений, превышение допустимых значений внешних климатических воздействий, попадание абразива в масло, схватывание сопрягаемых поверхностей, нарушение установленных режимов и правил эксплуатации и т.п. Состояниями изделий, являющихся причиной отказов, могут быть: отсутствие защиты от попадания пыли и влаги, макро и микротрещины, дефекты сборки и пайки, наличие остаточных напряжений и т. п. При установлении причин отказа необходимо определять явления, процессы, события и состояния, приводящие к их появлению, а также возможное сочетание этих факторов. В зависимости от причин отказов, последние могут быть классифицированы на конструкционные, производственные и эксплуатационные. Характеристика типичных отказов электронной приборной аппаратуры приведена в табл. 3.8. К конструкционным относятся отказы, возникающие в результате несовершенства или нарушения установленных правил, норм, методик конструирования объекта (неправильный выбор конструкционных и изоляционных материалов, смазок и покрытий; незащищенность узлов Таблица 3.8 Характеристика типичных отказов электронной приборной аппаратуры Отказы Характеристика отказов Причины отказов Конструкционные Критичность устройств к изменению параметров комплектующих изделий Проектирование схем и узлов без достаточного учета изменения параметров изделия Отказы комплектующих изделий до отработки ими установленного ресурса Работа комплектующих изделий в предельных электрических и тепловых режимах Коррозия контактных соединений. Разрушение покрытий деталей и узлов Недостаточная защита элементов конструкции от воздействия климатических факторов Электрические пробои. Обрывы Ошибки конструирования и расчета защитных устройств от электрических перегрузок Производственные Короткие замыкания. Пробои. Обрывы Дефекты монтажа. Недостаточ-ная очистка поверхностей элементов конструкции от посторонних частиц, пыли и т. п. Коррозия контактных соединений. Разрушение покрытий деталей и узлов Нарушения установленных технологических процессов покрытий деталей и узлов. Несоблюдение установленных правил пайки и монтажа узлов и блоков Отказы узлов и элементов аппаратуры после ее транспортирования Низкое качество отдельных конструкционных, изоляционных материалов, припоев. Некачественное выполнение сборочно-монтажных работ Эксплуатационные Окисление контактов. Разрушения разъемов. Износ трущихся поверхностей. Обрыв проводов и т. п. Нарушение периодичности проведения и содержания профилактических работ Отказы элементов и узлов аппаратуры при ее включении и выключении Нарушение правил включения и выключения аппаратуры, ее регулировки и настройки. Неисправности устройств и элементов защиты трения; наличие концентраторов напряжений и т. п.). Конструкционные отказы обычно проявляются при эксплуатации изделий. К производственным относятся отказы, возникшие в результате несовершенства или нарушения установленного процесса изготовления или ремонта изделия. Отказы такого рода не связаны с качеством комплектующих изделий, а являются следствием недостатков производства. К наиболее типичным дефектам технологии стоит отнести [54,28,29]: • дефекты материала (включения, поры, раковины, расслоение, состав и т.п.); • дефекты литья заготовок и деталей (пористость, усадочные раковины, неметаллические включения и т.п.); • дефекты механической обработки (задиры, заусеницы, прорезы, избыточная локальная пластическая деформация); • дефекты сварки, пайки (трещины, остаточные напряжения, «холодная» пайка, «непровар» при сварке, термическое повреждение соседних участков материала или компонентов и т.д.); • дефекты термообработки (перегрев, закалочные трещины, избыточные остаточные аустениты и т.д.); • дефекты при обработке поверхностей (химическая диффузия, водородное охрупчивание, снижение механических свойств материала и т.д.); • дефекты сборки (повреждения поверхностей, задиры, внесение абразива, несоответствие размеров деталей, напряженность соединения и др.); • дефекты монтажа (смещения компонентов на контактных площадках, повреждения выводов, повреждения корпусов компонентов, брак металлизации, некачественная отмывка и т.п.). К эксплуатационным относятся отказы, возникшие в результате нарушения установленных правил и (или) условий эксплуатации изделия (нарушения программы технического обслуживания, некачественные запасные части, появление перегрузок, использование не по назначению). Эти отказы не характеризуют свойств надежности изделий. При исследовании причин отказов в первую очередь должен быть проведен анализ режимов, условий эксплуатации и действующих нагрузок. Нагрузки, воздействующие на изделие могут быть подразделены на две группы: 1) нагрузки, обусловленные внешними воздействующими факторами; 2) нагрузки, обусловленные функционированием самого изделия. Рассмотрим для примера виды отказов механических и электромеханических изделий авиационной приборной аппаратуры. К основным видам отказов таких изделий относятся отказы вследствие усталости, износа, тепловой нагрузки, коррозии, эрозии, отсутствия смазочного материала, упругой деформации, коррозионного износа, расслаивания и вспучивания. Косвенными признаками отказов механических изделий являются: повышенные вибрации, различные заедания, заклинивания; повышенное искрение, оплавления, обрывы цепи, приваривания и другие явления; грязевые пробки, различные протечки, разрывы трубок и шлангов и др. Естественно, основная цель конструктора не состоит в нахождении причины случившегося отказа, несмотря на необходимость решения и таких задач. Гораздо важнее четко и ясно представлять всю цепь причинно-следственных связей явлений, процессов, событий, которые могут иметь место в системе «оператор – изделие – среда» и прогнозировать возможные состояния конструкции и виды отказов. В настоящее время имеется достаточно обширный арсенал методов анализа, позволяющих решать эти задачи на основе построения моделей, логика и математический аппарат которых рассчитан на применение компьютерных программ обработки данных. Так как данный класс задач относится к числу трудноформализуемых, то наибольшую информативность, глубину и полноту проводимого анализа дает использование методов с элементами искусственного интеллекта. Применительно к рассматриваемой теме, целесообразно использование методов анализа, основанных на построении дерева событий, дерева отказов, причинно-следственных схем и диаграмм и т. п. В дереве событий представлены альтернативные последовательности следствий от действия определенного причинного события (см. рис.3.6). Для определения события А (верхнее событие), необходимо причины, следствия и событие А связать между собой логическими схемами И/ИЛИ. В качестве причин могут выступать дефекты, колебания параметров и режимов, ошибки оператора, внешние воздействия и др. Причины – это в данном случае первичные события, для которых принята гипотеза их независимого характера. Чтобы произошло событие А, достаточно наличие одного из причинных следствий (например, неисправностей) , но следствие S1 возникает, если действуют одновременно причины Важной характеристикой анализа является определение относительной значимости первичных событий. Деревья событий могут использоваться для построения схем или алгоритмов поиска неисправностей, а при накоплении результатов стать основой большого дерева отказов. Дерево отказов описывает причины (первичные события) определенного верхнего события. Название дерева происходит от видов рассматриваемых событий – это отказы на разных структурных уровнях конструкции. Независимое первичное событие – отказ элемента Эi (рис.3.7) характеризуется определенным признаком проявления, с которым оно соединяется ветвями И / ИЛИ в зависимости от вида связи в конструкции изделия. Таким образом, последующие промежуточные события и верхнее событие – состояние изделия (или модуля конструкции) носят зависимый характер. Дерево отказов имеет ряд достоинств, основное из которых – возможность использовать без затруднений вычислительную технику. Отсюда – эффективность его использования при анализе надежности сложных систем. Каждое первичное событие характеризуется относительной значимостью, которая определяется в результате анализа чувствительности. Первичное событие может относиться к элементам системы с разными характеристиками восстановления. В случае восстанавливаемого элемента, используя марковский процесс восстановления, получаем: (1) где t – время, - вероятность состояния отказа первичного события Еi. Выражение (1) дополняется начальным условием Для решения (1) применяется численное интегрирование. Если и то процесс становится однородным. В этом случае Для невосстанавливаемого элемента (t)=, где - интервал времени между двумя последовательными испытаниями (проверками). Если система содержит несколько периодически проверяемых элементов с различными интервалами между проверками, то можно принять (t)= Первичное событие может относиться не только к элементам, но также и к природным явлениям или действиям оператора. В этом случае вероятность первичного события задается в виде постоянной или распределением вероятностей во времени. Существует множество методов, разработанных для оценки вероятности верхнего события в сложной системе. Обычно предполагают, что первичные события первоначально находятся в работоспособном состоянии и независимы друг от друга. Один из методов оценки состояния отказа верхнего события А основан на рассмотрении минимальных групп отключений (минимальной группы первичных событий), необходимых для возникновения верхнего события А – отказа системы. Дерево отказов может использоваться в качестве диагностической модели, а при накоплении результатов стать прогнозирующей моделью. Накапливаемые результаты – это вероятности отказовых состояний каждого первичного и верхнего события, а также относительные значимости каждого первичного события. Анализ производственных отказов может быть проведен на основе построения системы исследования источников потенциальных дефектов. Методы определения частости причин отказов (проявления источников процессов деградации) достаточно хорошо известны [24,25,6]. Более сложной задачей, требующей большого числа исследований, наличия системы технического контроля производственного процесса и квалифицированного сбора и обработки данных, является построение достаточно полной схемы производственного процесса. Для анализа на уровне технологического процесса и операции необходимо определить состав технологических и прочих факторов, существенно влияющих на выполнение требований к j-му лимитирующему параметру технологического процесса (источнику процесса деградации). Такую задачу целесообразно решать с использованием схемы причинно-следственных связей (схемы Исикава) [25,6]. При построении схем причинно-следственных связей результат – лимитирующий параметр технологического процесса, избражается центральной стрелкой (рис.3.8). Явления (факторы), прямо или косвенно влияющие на результат, изображают в виде стрелок, направленных к центральной линии. 3.6. Методика расчета основных показателей надежности Основной количественной характеристикой безотказности аппаратуры принято считать вероятность безотказной работы на заданном временном интервале, т.е. вероятность того, что наработка до первого отказа превышает заданную величину t . Принимая момент первого включения аппаратуры за начало отсчета, записываем вероятность ее безотказной работы в виде р(t)=Р(tотк >t), t Функция р(t) монотонно убывает от единицы до нуля (предполагается, что в момент включения аппаратура работоспособна). Из числовых характеристик случайной величины tотк чаще всего используют математичес-кое ожидание М(tотк), которое обозначают символом Тср и называют средней наработкой до отказа (или средним временем безотказной работы): Тср=М(tотк)= Помимо перечисленных количественных показателей надежности необходимо отметить распространенную функцию , называемую интенсивностью отказов. Вероятность безотказной работы и интенсивность отказов связаны взаимно-однозначным соответствием р(t)=exp {}. Влияние отказа элементов на отказ аппаратуры определяется двумя основными способами соединения элементов с точки зрения надежности: последовательным и параллельным. При последовательном соединении элементов отказ хотя бы одного из них приводит к отказу аппаратуры в целом. Вероятность безотказной работы последовательно соединенных элементов рассчитывается следующим образом: р(t)= где pj(t) – вероятность безотказной работы j-го элемента, j= Соединение элементов называют параллельным, если отказ аппаратуры происходит тогда и только тогда, когда откажут все элементы. Вероятность безотказной работы в этом случае p(t)=1 где рi(t) - вероятность безотказной работы i-го элемента, i= Параллельные элементы в системе являются избыточными. Однако система, обладающая избыточностью по сравнению с системой, имеющей минимальную структуру , необходимую для выполнения заданных функций, будет и более надежной. Метод повышения надежности аппаратуры путем введения избыточных элементов называют резервированием. Вероятность безотказной работы с учетом внезапных и постепенных отказов p(t)=P(tотк>t)P(t1отк>t)P(>tгр=t, угр), где Р(tотк>t) – вероятность безотказной работы по внезапным отказам; Р(t1отк>t) – вероятность безотказной работы по внезапным отказам за счет накапливающихся необратимых изменений; Р(>tгр=t, yгр) - вероятность безотказной работы по постепенным отказам за счет достижения параметром y граничного значения yгр; tгр – время достижения параметром y граничного значения yгр . Для расчета надежности по внезапным отказам используется экспоненциальное распределение вероятности безотказной работы (экспоненциальная модель отказов). Определение количественных характеристик надежности по отказам, связанным с постепенными и необратимыми изменениями, осуществляется на основе квазидетерминированной модели необратимых изменений параметров приборной аппаратуры. При расчете надежности на основе экспоненциальной модели отказов используется функция экспоненциального распределения вероятности безотказной работы р(t) = , Экспоненциальный закон определяется одним параметром , представляющим постоянную интенсивность отказов. Верно и обратное утверждение: если интенсивность отказов постоянна, то вероятность безотказной работы как функция времени подчиняется экспоненциальному закону. Среднее время безотказной работы в этом случае Тср = , т.е. равно величине, обратной интенсивности отказов. Для экспоненциальной модели может быть определена интенсивность отказов последовательно соединенных элементов , где - интенсивность отказов j-го элемента. Расчет вероятности безотказной работы по хаотическим внезапным отказам на основе экспоненциальной модели осуществляется в следующей последовательности. 1. Составляется перечень элементов, входящих приборную аппаратуру (j=). 2. Для каждого элемента по таблице П…. Приложения или по справочной литературе определяется интенсивность отказов в номинальном режиме 3. Рассчитываются коэффициенты нагрузки для элементов электрической цепи прибора [ ]. 4. По справочной литературе в зависимости от коэффициента нагрузки и значений внешних воздействий определяются поправочные коэффициенты и рассчитываются интенсивности отказов элементов с учетом условий их эксплуатации (j=). 5. Рассчитываются интенсивность отказов и вероятность безотказной работы приборной аппаратуры отк>t)= . 3.7. Расчет надежности микросборок электронных узлов приборов по внезапным отказам В основу оценочного расчета надежности корпусированной микросборки по внезапным отказам положены следующие допущения: • показателем надежности микросборки является вероятность безотказной работу P(t); • для всех элементов и компонентов микросборки справедлив экспоненциальный закон надежности; • установлены элементы (компоненты) отказ которых приводит к отказу микроструктуры в целом; эти элементы считаются с точки зрения надежности соединенными последовательно, образуя последовательную структурную схему надежности. Интенсивность отказа микросборки зависит от интенсивности отказов тонкопленочных элементов , навесных компонентов и соединений соед, уровня воздействующих при эксплуатации вибраций и ударов. МСБ=КВ(пл+наб+соед) , где Кв в зависимости от жесткости требований выбирается из диапазона значений от 2 до 3 и характеризует рост интенсивности отказов за счет вибраций и ударов при использовании электронно-приборной аппаратуры на летательном аппарате. Интенсивность отказов тонкопленочных элементов микросборки пл = ПТ .Кс . аК + ПС . с0 . ас, где ПТ, ПС количество тонкопленочных резисторов и конденсаторов; R0 = 0.110-8r-1; с0 = 0.510-8r-1 – средние интенсивности отказов элементов в нормальных (лабораторных) условиях; аr, ас – поправочные коэффициенты, учитывающие влияние температуры окружающей среды на рост интенсивности отказов – табл. 3.9. Таблица 3.9 Значения поправочных коэффициентов для пл Поправоч-ные коэф-фициенты Температуры, С 20 30 40 50 60 70 80 аR 1.00 1.15 1.40 1.95 2.80 3.50 4.40 ас 1.00 1.26 1.71 2.20 3.35 5.70 12.40 Как видно из таблицы надежность тонкопленочных конденсаторов существенно ухудшается при повышении температуры. Интенсивность отказов навесных компонентов НАВ = nисис аис + nтт ат + nдд ад + nRR аR + ncc аc ... где nис, nт, nд – количество бескорпусных ИС, транзисторов и диодов; ( ИС = 10-8 ,ч-1;  Т = 10-8 ,ч-1;  Д = 0.610-8 ,ч-1 ); nR, nc – количество навесных резисторов и конденсаторов; (R = 110-8 ... 10-7 ,ч-1; c = 510-8 ... 10-7 ,ч-1 – для керамических конденсаторов; c = 1. 10-7 .... 5,010-7 ,ч-1 – для остальных типов конденсаторов); аИС, аТ, аД – указаны в табл. 3.10, аR, ас – определяются по таблице 3.9, полагая аR  аR = аc . Таблица 3.10 Поправочные коэффициенты для расчета наб Попра-вочные Температура, С коэффи-циенты 20 30 40 50 60 70 80 аИС, ат 1.00 1.35 1.85 2.60 3.60 4.90 6.20 аД 1.00 1.27 1.68 2.00 2.60 3.40 4.10 Рассмотренный принцип ориентировочной оценки наб предполагает, что все компоненты имеют коэффициенты электрической нагрузки Кн, близкие к 1. Интенсивность отказа в соединениях соед = (nпл + nн + nвн)К – где nпл – количество электрических соединений между пленочными элементами разных слоев (резистор – контактная площадка, проводник – и т.д.); nн – количество соединений пайкой (сваркой, контактолом) вывод всех навесных компонентов к контактным площадкам подложки микросборки; nвн – количество соединений пайкой (сваркой) перемычек от периферийных контактных площадок к выводам основания корпуса; К = 0.110-8 ч-1 – средняя интенсивность отказа электрического контакта. Исходные данные и результаты расчетов можно представить в следующем виде: Наименование элемента (компонента) n c0108 , 1/ ч a (t=50C) 108 , 1/ ч Тонкопленочные резисторы 6 0.1 1.95 1.17 После определения МСБ вычисляется средняя наработка микросборки до отказа Тср и по заданной в ТЗ наработке t – вероятность безотказной работы Р(t): ; .