8.7. Принципы расчета надежности изделий и разработка технологического процесса и программы испытаний на надежность
Надежность любых технических изделий закладывается при их проектировании и конструировании. Эта надежность должна быть обеспечена в процессе изготовления изделия, а достигнутая надежность должна быть как можно дольше сохранена правильной его эксплуатацией.
Надежность при проектировании и конструировании обуславливается рациональным выбором схемы и конструкции изделия. Детали и элементы изделия должны удовлетворять предъявленным требованиям по своим свойствам и функциональным характеристикам.
Следует отметить два основных метода расчета надежности устройств. Это метод ориентировочного расчета и метод полного расчета. Основными показателями надежности, определяемыми в результате расчета, являются показатели безотказности, а именно:
( t ) - интенсивность отказов;
P( t ) - вероятность безотказной работы;
Тср. - средняя наработка до отказа;
Т0 - наработка на отказ для восстанавливаемых устройств.
Полный расчет надежности производится, когда полностью исследованы и получены параметры непосредственно действующих факторов на изделие, полностью известны параметры режимов его работы.
На этапе проектирования наиболее приемлемым является ориентировочный расчет надежности. Это, по существу, прикидочный расчет показателей надежности рассматриваемого устройства, когда режим работы, эксплуатационные факторы учитываются в общем виде.
Известны и другие методы расчета надежности, с которыми можно познакомиться в литературе.
При любом методе расчета надежности устройств принимается во внимание следующий общий порядок проведения расчета:
1. Рассматривается цель и исходные данные для расчета надежности анализируемого устройства.
2. Устанавливаются показатели надежности, подлежащие расчету.
3. Принимаются допущения для расчета.
4. Принимается методика проведения расчета.
5. Согласно принятой методике проводится расчет численных значений искомых показателей надежности.
6. Проводится анализ полученных результатов и делаются выводы.
Принимая во внимание данный порядок расчета, рассмотрим метод ориентировочного расчета надежности устройств.
8.7.1. Ориентировочный расчет надежности устройств
Цель данного расчета - получить ориентировочную оценку ожидаемого уровня надежности проектируемого устройства, когда нет еще полных данных о реально действующих режимах и условиях работы его отдельных элементов, узлов, блоков, но известны назначение и состав устройства, его структура, схема соединения составных частей. Исходными данными являются данные, указанные в ТЗ на устройство, справочные значения интенсивностей отказов для типовых элементов, входящих в состав устройства.
В качестве рассчитываемых показателей надежности принимаются основные показатели безотказности.
При ориентировочном расчете делаются следующие допущения :
- возможные отказы являются случайными и независимыми;
- отказ любого элемента является отказом всего устройства, что позволяет рассматривать структуру устройства как последовательное соединение элементов;
- принимаются во внимание только внезапные отказы;
- расчет надежности проводится для нормального периода работы;
- вышеуказанные допущения позволяют принять в качестве действующего экспоненциальный закон надежности;
- учет воздействующих факторов, указанных в технических требованиях, при расчете суммарной интенсивности отказов производится с помощью пересчетного коэффициента . Учитывая сделанные допущения, принимается следующая методика расчета.
Устройство разбивается на блоки по функциональному признаку.
Условно принимают, что все элементы в блоке соединены. последовательно.
Все элементы каждого блока разбиваются на k групп; в группу
объединяются однотипные разнонадежные элементы.
Учитывая, что в справочниках для типовых элементов дается
диапазон значений , т.е. min-max , для расчетов берется среднее
значение ср. - параметры для типовых элементов можно найти
в справочных таблицах соответствующей литературы по надеж –
ности.
5. Расчет для блока представляется в виде таблицы.
6.Рассчитывается
суммарная интенсивность отказов для
всего устройства, состоящего из М блоков:
[1/час]
.
7. Принимая во внимание, что действует экспоненциальный закон надежности, рассчитывают вероятность безотказной работы устройства:
или
8. Рассчитывается средняя наработка до отказа: Т час=
Далее проводится анализ полученных результатов, строятся графики зависимости P ( t ) для интересуемой продолжительности работы устройства и делаются выводы о соответствии предъявляемым требованиям и необходимым мерам по увеличению надежности.
Пример. Произвести предварительную оценку надежности вычислителя, определив интенсивность отказов c среднюю наработку до отказа tср. и вероятность безотказной работы P(t) в течение t=20 ч.
Известны условия эксплуатации: температура окружающей среды до +4 относительная влажность 65%, высота над уровнем моря до 20 км [27].
Решение. В табл. 8.3 приведен состав элементов, их количество, режимы работы и интенсивность отказов элементов в номинальных режимах н.
Интенсивность отказов элементов с учетом условий эксплуатации можно определить по формуле:
Таблица 8.3.
|
Наименование элемента |
Число элементов ni
|
Интенсивность отказов элементов |
Режимы работы элемен- тов |
коэф. αj поправочн. |
λjαjnj·10-6 1/ч |
|||
λjH·10-6, 1/ч |
λj·10-6, 1/ч |
niλj·10-6, 1/ч |
KH |
t, 0C
|
|||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
1 |
Интегральная микросхема |
200 |
0,02 |
0,0446 |
8,92 |
0,8 |
60 |
1 |
8,92 |
2 |
Транзистор низкочастотн. |
4 |
4 |
8,910 |
35,64 |
0,8 |
60 |
0,85 |
30,29 |
3 |
Транзистор высокочастотн. |
6 |
1,7 |
3,787 |
22,72 |
0,7 |
50 |
0,65 |
14,77 |
4 |
Диод германиевый |
8 |
4,5 |
10,02 |
80,16 |
0,6 |
60 |
1,40 |
112,22 |
5 |
Конденсатор электролитич. |
15 |
2,4 |
5,346 |
80,19 |
0,5 |
40 |
0,64 |
51,32 |
6 |
Резистор МЛТ-0,5 |
6 |
0,5 |
1,114 |
6,68 |
0,4 |
40 |
0,51 |
3,41 |
7 |
Дроссель |
1 |
1,0 |
2,23 |
2,23 |
0,6 |
70 |
2,0 |
4,46 |
8 |
Трансформатор |
1 |
0,5 |
1,114 |
1,11 |
0,5 |
70 |
0,6 |
0,67 |
9 |
Соединитель |
3 |
0,5 |
1,114 |
3,34 |
1,0 |
50 |
1,0 |
3,34 |
10 |
Стабилизатор напряжений |
2 |
1 |
2,23 |
4,46 |
0,8 |
50 |
1,0 |
4,46 |
11 |
Предохрани- тель |
3 |
0,5 |
1,114 |
3,34 |
1,0 |
40 |
1,0 |
3,34 |
12 |
Соединения пайкой |
3000 |
0,01 |
0,023 |
69,00 |
- |
50 |
1,0 |
69,00 |
13 |
Печатная плата |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Σ |
j=К1К2К3 jн,
где К1 = l,65 — коэффициент, учитывающий вибрации и ударные нагрузки;
К2= 1— коэффициент, учитывающий климатические условия;
Кз=1,35 — коэффициент, учитывающий пониженное атмосферное давление (высотность). Подставив в формулу значения коэффициентов K1, K2, K3, получим
j=1,65·1·1,35 jн=2,23 jн.
Значение
j
для
каждого элемента приведены в графе 5
табл.8.3, а для
всех
элементов данного типа — в графе 6;
режимы работы элементов - в
8, на основании которых найден поправочный
коэффициент
.
Интенсивность отказов самолетного вычислителя определим по формуле:
=
Средняя наработка до отказа
Tср= 106/306,2 = 3267 ч.
Вероятность безотказной работы в течение 20 ч
P(t) =e-306,2.10·20 ≈1-306,2·10-6·20 ≈0,99387.
5. Рассчитывается суммарная интенсивность отказов для всего устройства, состоящего из М блоков: [1/час] .
6. Принимая во внимание, что действует экспоненциальный закон надежности, рассчитывают вероятность безотказной работы устройства:
или
7. Рассчитывается средняя наработка до отказа: Тср. час=
Далее проводится анализ полученных результатов, строятся графики зависимости P
( t ) для интересуемой продолжительности работы устройства и делаются выводы о соответствии предъявляемым требованиям и необходимым мерам по увеличению надежности.