Методы обеспечения надежности

Лекция 6 3.3. Методы обеспечения надежности 3.3.1. Нормирование требований к надежности Под нормированием требований к надежности понимают задания в нормативно-технической и (или) технической документации количественных значений показателей надежности и (или) комплекса требований к конструкции, технологии изготовления и правилам эксплуатации, выполнение которых обязательно для обеспечения требуемого уровня надежности [25,32,43,47]. Возможные качественные требования, предъявляемые к конструкции, технологии и эксплуатации, реализуются на основе методов, приведенных на рис. 3.3. Рассмотрим нормирование функционально-эксплуатационных показателей (показателей назначения). Нормативные значения такого вида показателей (мощность, частота, амплитуда, расход, материалоемкость, габаритные размеры и т.п.) регламентируются в стандартах некоторой детерминированной величиной, позволяющей классифицировать изделия на соответствующие и не соответствующие требованиям нормативно-технической документации (на годные и бракованные). Если норма – детерминированная величина, то фактические значения функционально-эксплуатационных показателей качества у отдельного изделия являются случайными величинами, распределение которых может быть описано некоторым теоретическим распределением, например, нормальным. Аналогичное положение имеет место в практике нормирования точности изготовления. Рассмотрим подробнее сущность показателей надежности, как количественной характеристики данного свойства изделий. Показатели надежности при таком подходе следует подразделять на две группы: фактические значения показателей, характеризующие надежность реально изготовленных изделий, и показатели надежности, регламентированные в качестве норм, т.е. нормативные показатели. Показатели надежности реально изготовленной продукции могут характеризовать надежность одного изделия или их совокупности (партии). Надежность единичного образца изделия характеризуется наработкой до отказа, наработкой между отказами, ресурсом (сроком службы), сроком восстановления. Эти характеристики являются случайными величинами и их точные значения могут быть определены только по данным эксплуатации или испытаний. В общем случае значения этих показателей различны у каждого изделия. Если закон распределения наработок (ресурса) неизвестен, то можно пользоваться следующим правилом: нормальный закон – для изделий, у которых основным видом разрушения является износ и коррозия; распределение Вейбула и логарифмически-нормальное – при отказах из-за усталостного разрушения; экспоненциальное распределение – для устройств электронной приборной аппаратуры, имеющих большое число элементов. Статистически показатели надежности совокупности (партии) реально изготовленной продукции определяются по показателям надежности единичных изделий, входящих в данную совокупность. При этом показатели надежности такой совокупности могут получаться в виде точечных оценок доверительных интервалов. Необходимость построения доверительных интервалов связана с ограниченностью объемов выборок, по которым имеются данные о надежности единичных изделий. При регламентации показателей надежности необходимо четко разграничивать события, происходящие в изделии: повреждение и отказ. К повреждениям относятся события, заключающиеся в нарушении исправного состояния изделия при сохранении его работоспособности, а к отказам – события, приводящие к нарушению работоспособного состояния. Одновременно с регламентацией показателей надежности должны указываться критерии отказов и предельных состояний, которые должны регламентировать, какие дефекты относятся к повреждениям, а какие к отказам. Во всех случаях критерии отказов должны назначаться с учетом функционального назначения изделий, экономической целесообразности и должны быть согласованы с потребителем. От правильно выбранной номенклатуры нормируемых показателей надежности зависят конструктивно-технологические решения, принимаемые при разработке новых изделий. Конкретный состав нормируемых показателей надежности должны устанавливаться для каждого вида изделий с учетом особенностей его использования, последствий отказов, принятой системы технического обслуживания и ремонта и по согласованию с потребителем. Возможная форма организации проверки соблюдения установленных показателей показана на рис. 3.4. 3.3.2. Порядок и методы отработки изделий на надежность при выполнении НИОКР Общий порядок проектирования изделий регламентирован комплексом стандартов по порядку их разработки и постановки на производство. Однако вопросы отработки изделий на надежность имеют ряд особенностей, которые специфичны для отдельных видов техники и выходят за рамки целей данной общетехнической системы стандартов. Этап НИОКР является основным при отработке изделия. На этом этапе должно обеспечиваться, и подтверждается соответствие достигнутого уровня надежности разрабатываемого или модернизируемого изделия нормативным требованиям; на этом же этапе должны быть выявлены все основные слабые элементы конструкции, установлены отдельные причины отказов. Проводимые на этой стадии мероприятия по повышению надежности должны учитывать и быть взаимосвязаны как с технологией изготовления, так и со стратегией технического обслуживания и ремонта техники. Типовая последовательность проведения мероприятий по отработке изделий на надежность на различных стадиях приведена в табл.3.5. Различают отработку изделия на безотказность, ремонтопригодность и долговечность [25]. Для изделий авиационной техники и, в частности авиационных приборов и приборных комплексов в качестве конечной цели отработки на безотказность ставятся требования, чтобы: любое отказное состояние (функциональный отказ) приводящее к возникновению катастрофической ситуации, оценивалось как событие не более частое, чем практически невероятное или чтобы суммарная вероятность возникновения катастрофической ситуации, вызванной отказными состояниями (функциональными отказами), для самолета в целом не превышало значения соответствующего на один час полета; суммарная вероятность возникновения аварийной ситуации, вызванной отказными состояниями (функциональными отказами) для самолета в целом не превышала на один час полета; при этом рекомендуется, чтобы любое отказное состояние (функциональный отказ), приводящее к аварийной ситуации оценивалось как событие не более частое, чем крайне маловероятное; суммарная вероятность возникновения сложной ситуации, вызванной отказными состояниями (функциональными отказами), для самолета в целом не превышала на один час полета; при этом рекомендуется, чтобы любое отказное состояние (функциональный отказ), приводящее к сложной ситуации, оценивалось как событие не более частое, чем маловероятное. В электронной промышленности принята отработка элементной базы на основе минимальной наработки, понимая под этим наработку, в пределах которой изготовитель обеспечивает работоспособное состояние изделия. В дополнение к этому показателю нередко задают предельно допустимое значение интенсивности отказов в пределах этой наработки. Для технических объектов, состоящих из большого числа элементов (что характерно для авиационной электронной приборной аппаратуры), и от функционирования которых требуется только, чтобы у них число отказов было не слишком велико, конструкция изделия отрабатывается по величине интенсивности отказов. Отработка изделий на ремонтопригодность отличается от отработки изделий на безотказность и долговечность рядом специфических особенностей. При отработке изделий на ремонтопригодность должно обеспечиваться выполнение следующих требований: требования доступности, в соответствии с которыми в конструкции должен предусматриваться свободный доступ к местам технического обслуживания (ТО) и ремонта (Р) без демонтажа и разборки других изделий, входящих в техническую систему; требования к легкосъемности, предусматривающие рациональное расчленение составных частей для операций ТО и Р, применение блочно-модульного принципа компоновки изделия, применение легкоразъемных способов крепления составных частей, подлежащих разборке; требования к эргономическим свойствам изделия, включающих: обеспечение при проведении ТО и Р, учета физиологических и антропометрических свойств человека; требования к восстанавливаемости составных частей предусматривающие возможность восстановления изношенных деталей, смену компонентов, применение сменных изнашивающихся поверхностей; требования к контролепригодности, предусматривающие возможность выявления мест отказа, возможность использования встроенных диагностических средств; требования к уровню стандартизации и унификации, обеспечивающие ограничение количества используемых типоразмеров средств для контроля Таблица 3.5 Типовая последовательность проведения мероприятий по отработке изделий на надежность при НИОКР Этап разработки аванпроекта, решаемые задачи Этап эскизного проекта, решаемые задачи Этап технического проекта, решаемые задачи Этап разработки рабочей документации, решаемые задачи Анализ исходных требований. Анализ данных о достигнутых уровнях надежности аналогов. Предварительный выбор состава и определение показателей надежности составных частей (СЧ). Оценка ожидаемого уровня надежности образца. Обоснование выбранного варианта построения изделия. Составление раздела по надежности пояснительной записки. Разработка программы обеспечения надежности (ПОН). Анализ требований к надежности изделий, установленных в ТЗ. Выбор схемных и конструктивных решений, обеспечивающих выполнение заданных требований по надежности. Разработка математических моделей расчета надежности изделия. Распределение требований к надежности составных частей. Составление разделов по надежности ТЗ на разработку СЧ. Моделирование процессов функционирования изделия. Оценка влияния внешних воздействующих факторов на надежность. Составление перечня возможных видов отказов. Выявление «слабых» по надежности СЧ. Составление перечня критериев отказов и предельных состояний. Анализ влияния последствий отказов СЧ на работоспособность изделия. Разработка мероприятий по предупреждению отказов и защите от их последствий. Планирование экспериментальной отработки изделий. Разработка программ и проведение испытаний макетов СЧ и изделия. Выбор способов резервирования. Предварительный расчет надежности. Предварительный выбор и обоснование системы контроля при эксплуатации. Предварительное установление параметров для диагностирования. Предварительное установление стратегий технического обслуживания и ремонта. Предварительное определение комплекта ЗИПа. Контроль реализации ПОН для СЧ. Уточнение схемного и конструктивного построения изделия. Уточнение математических моделей надежности по результатам отработки изделия. Разработка режимов эксплуатации. Разработка программ и проведение испытаний макетов на влияние режимов и условий эксплуатации. Оценка показателя надежности. Составление перечня комплектующих изделий и материалов, лимитирующих надежность изделия. Выявление объектов и параметров комплектующих и материалов, подлежащих входному контролю. Оценка надежности комплектующих и материалов. Расчеты на прочность, тепловых режимов, уровня шума и вибраций. Выбор способов защиты от внешних и внутренних помех. Оценка соответствия расчетных показателей надежности требованиям ТЗ. Уточнение системы контроля исправности изделия при эксплуатации. Разработка системы технического обслуживания и ремонта. Уточнение состава параметров, подлежащих диагностированию и требований к средствам диагностирования. Уточнение состава ЗИП. Анализ технологии изготовления СЧ с точки зрения обеспечения надежности. Контроль реализаций ПОН СЧ. Составление раздела по надежности пояснительной записки с указанием результатов проведенных работ на этапе технического проектирования. Анализ технологии изготовления опытного образца. Анализ технологичности изделия. Уточнение перечня комплектующих и материалов, лимитирующих надежность. Контроль полноты конструктивных методов обеспечения надежности. Контроль соблюдения конструкторской документации. Расчеты размерных цепей механизмов и точности электронных схем с учетом требований к надежности. Разработка программ и методик испытаний изделий на надежность. Разработка специального испытательного оборудования. Разработка метрологического обеспечения испытаний. Уточнение правил эксплуатации. Разработка ремонтной и эксплуатационной документации. Экспериментальная проверка безопасности и живучести при нарушении условий эксплуатации. Проверка эффективности мероприятий и средств защиты от отказов. Анализ информации о результатах предварительных испытаний опытного образца. Оценка соответствия надежности опытного образца нормативным требованиям. Оценка надежности СЧ, комплектующих и материалов. Выявление причин отказов и неисправностей. Корректировка конструкторской документации по результатам испытаний опытного образца. Контроль реализации ПОН СЧ. состояния изделия, сборки и разборки, ограничение наименований изолирующих и смазывающих материалов, использование типовых технологических процессов ТО и Р; требования безопасности при ТО и Р, предусматривающие возможность самопроизвольного включения движущихся частей и электрообеспечения, ограничения на использование пожаровзрывоопасных веществ при ТО и Р. Во всех случаях число и трудоемкость ремонтных работ будут тем ниже, чем выше показатели безотказности и долговечности. Испытания на ремонтопригодность заключаются в выполнении на испытываемых образцах определенного объема работ по ремонту, производимых с соблюдением требований технической документации и с регистрацией величин, необходимых для оценки показателей ремонтопригодности, эксплуатационной (ремонтной) технологичности и комплексных показателей, характеризующих ремонтопригодность и другие свойства надежности. Испытания на ремонтопригодность подразделяются на испытания с возникающей необходимостью в проведении ремонта и с искусственно создаваемой необходимостью в проведении ремонта. Испытания на ремонтопригодность с возникающей необходимостью в проведении ТО и Р изделий заключаются в том, что испытываемые образцы подвергаются нормальной или ускоренной эксплуатации в пределах установленной в программе испытаний наработки или срока службы, а необходимую для оценки ремонтопригодности информацию получают путем наблюдения за устранением возникающих в процессе испытаний отказов и неисправностей и выполнением плановых ТО и Р с периодичностью, предусмотренной технической документацией. Испытания с создаваемой необходимостью в проведении ТО и Р заключаются в том, что необходимость в ТО и Р создают по заранее принятому плану путем преднамеренного внесения отказов и неисправностей в испытываемые изделия либо имитацией проведения ТО и Р на исправном изделии. Опытные образцы вновь разрабатываемых изделий подлежат обязательным контрольным испытаниям на ремонтопригодность, являющимся составной частью предварительных испытаний. Изделия серийного и массового производства подвергают контрольным испытаниям в случае модернизации изделий, приводящей к изменению показателей и характеристик ремонтопригодности. Исследовательские испытания на ремонтопригодность проводят с целью: определения фактических количественных значений показателей и качественных характеристик ремонтопригодности (в том числе показателей и характеристик, включаемых в эксплуатационную и ремонтную документацию на изделие и используемых для разработки нормативов по ремонтопригодности изделий и для его аттестации по уровню ремонтопригодности); выявление неудачных конструкторских решений ухудшающих приспособленность изделий к ТО и Р и выработки рекомендаций по их устранению и с другими целями. Испытания на ремонтопригодность, как правило, совмещают с испытаниями других видов (например, с испытаниями на безотказность, долговечность, сохраняемость). Методика испытаний должна содержать следующие разделы: • способ создания необходимости в проведении ТО и Р испытываемых образцов; • условия проведения испытаний и выполнения работ по ТО и Р; • требования к относительной ошибке и доверительной вероятности определения показателей ремонтопригодности; • формулы для расчета показателей ремонтопригодности, требования к точности вычислений; • перечень регистрируемых величин при наблюдениях за выполнением работ по ТО и Р; • методы обработки результатов наблюдений; • перечень испытательного и контрольного оборудования; • формы для представления результатов испытаний. Способ определения необходимости в проведении ТО и Р выбирают в зависимости от конструктивных особенностей изделия. Для изделий, у которых значительная доля затрат на ТО и Р приходится на контрольно-диагностические работы, наиболее целесообразно преднамеренное создание отказов и неисправностей. 3.4. Методы испытаний на надежность Испытания на надежность проводятся с целью получения необходимой информации о показателях надежности изделия. Они необходимы, так как на стадии проектирования конструктор не располагает нужными априорными сведениями, которые позволили бы заранее определить показатели надежности будущего изделия с достаточно высокой достоверностью. Однако испытания на надежность часто требуют длительного времени и значительных материальных затрат. В зависимости от характера требований к надежности сформулированных в ТЗ на вновь разрабатываемые изделия, применяют различные методы проведения испытаний на надежность [24,25,54]. Основными из них являются контрольные и определительные. Применение этих методов в испытаниях, проводимых в процессе разработки и изготовления показано в табл.3.6. В зависимости от этапа разработки и стадии освоения в производстве приборное оборудование подвергается различным видам испытаний (табл.3.7). Целесообразность проведения испытаний, отмеченных знаком “ - “ устанавливается разработчиком или заказчиком. В программы почти всех видов испытаний приборного оборудования включаются испытания на надежность по методике предусмотренной в табл.3.6. Определительные испытания проводятся с целью нахождения количественных значений показателей надежности испытываемых изделий. Так как получаемая при определительных испытаниях информация является статистической, то получают значения усредненных показателей - средняя наработка, среднее время восстановления и т.д. Контрольные испытания заключаются в установлении факта нахождения значения показателей надежности испытываемого изделия не ниже (не выше) некоторого установленного значения с определенной (обычно заданной в ТЗ) вероятностью (например, средняя наработка до отказа не меньше 150ч. с вероятностью 0.9). Такая оценка менее информативна по сравнению с оценкой при определительных испытаниях, но требует значительно меньших затрат времени и средств на проведение испытаний. Определительные испытания в зависимости от плана организации их проведения делятся на следующие основные группы: NVN- испытания при которых испытывается N изделий без восстановления отказавших в процессе испытаний до отказа всех N изделий, поставленных на испытание (V означает, что в процессе испытаний отказавшие изделия не восстанавливаются); NVr - испытания при которых испытывается N изделий без восстановления отказавших до появления r отказов; NRT, NRr - испытания, которые проводятся с восстановлением отказавших изделий. Рассмотрим определительные испытания в нормальных условиях с нахождением среднего значения показателя надежности. Испытания по плану NVN ведутся до отказа всех N поставленных на испытания изделий, при этом фиксируется время отказа каждого изделия. Средняя наработка до отказа определяется как среднее арифметическое Среднеквадратическое отклонение относительно его среднего значения определяется по следующей зависимости . Таблица 3.6 Состав испытаний на надежность Испытываемое свойство Вид испытаний Предварительные Приемочные Квалифика-ционные Приемосдаточ-ные Периодичес-кие Типовые Безотказность Определительные (нормальные или ускоренные) Контрольные (нормальные или ускоренные) Контрольные (нормальные или ускоренные) Контрольные (нормальные) Контрольные (нормальные или ускоренные) Сравнительные (нормальные или ускоренные) Ремонтопригод-ность Определительные (ускоренные) Контрольные (ускоренные) Контрольные (ускоренные) Не проводят Не проводят Сравнительные (ускоренные) Долговечность, сохраняемость Самостоятельно проводимые определительные (ускоренные или нормальные) Не проводят Не проводят Не проводят Самостоятельно проводимые контрольные (ускоренные или нормальные) Несколько свойств Определительные Контрольные Контрольные Не проводят Контрольные Контрольные или сравнительные Таблица 3.7 Виды испытаний изделий в зависимости от этапа разработки и стадии освоения в производстве Образец для испытаний Вид испытаний приборного оборудования Предвари-тельные Приемочные Доводочные Исследова-тельские Приемо-сдаточные Квалифика-ционные Периоди-ческие Типовые Опытный + + + + + + + + Из установочной (первой) промышленной серии - - + + + + - - При серийном производстве - - - + + + + + Используя свойство экспоненциального закона распределения (равенство среднеквадратического отклонения среднему времени работы ), имеем , откуда Вероятность возникновения отказа при экспоненциальном законе распределения и продолжительность испытаний связаны между собой следующей зависимостью , откуда Применение восстановления позволяет увеличить информативность испытаний без увеличения числа испытываемых изделий. Для этого используется план NRT или NRr. Средняя наработка до отказа при испытаниях по плану NRr где - суммарная наработка испытываемых изделий. Если не учитывать время на восстановление, то , где - время фиксации последнего отказа. Число испытываемых изделий можно определить, используя выражение для определения среднеквадратического значения средней наработки . В целях сокращения временных и материальных затрат в ряде случаев стремятся проводить ускоренные испытания на надежность, которые позволяют оценить требуемые показатели надежности в более короткие сроки. При ускоренных испытания на надежность за время испытаний можно получить оценку надежности исследуемого изделия в течение времени t непосредственного его использования по назначению, где . В зависимости от способов сокращения времени можно выделить следующие основные направления проведения ускоренных испытаний на надежность: • испытания, при которых режимы работы изделий соответствуют нормальным (эксплуатационным) условиям, а сокращение времени испытаний достигается за счет использования определенных статистических моделей, т.е. за счет более рационального планирования эксперимента (методы последовательных испытаний); • форсированные испытания с последующим пересчетом результатов для нормальных условий; сокращение времени испытаний достигается интенсификацией процессов разрушения, ведущих к быстрому исчерпанию ресурса работоспособности и появлению отказов; • комбинированные испытания, при которых используются оба из указанных выше путей. Ускоренные испытания на надежность являются весьма перспективным направлением развития теории и практики испытаний на надежность. Сложность представляет пересчет форсированных режимов испытаний по отношению к нормальным эксплуатационным режимам и определение коэффициентов ускорения.