Возможные модели процессов развития отказов

 

Отказ объекта возникает при выходе определяющего параметра из границ рабочей области. Если отказы про­исходят за счет плавных изменений свойств объектов, то эти отказы называют параметрическими или постепен­ными. Надежность в отношении параметрических отка­зов называют параметрической надежностью. При ее оценке используют общепринятые в теории надежно­сти показатели.

Для инженерного исследования надежности объектов, по данным о приближении к отказам необходимо со­ставить физические модели процессов развития отказов.

 

Особенности случайных процессов старения, изнашивания, разрегулирования

 

Каждый объект (техническое устройство) можно ха­рактеризовать определяющим параметром, который служит мерой качества этого объекта. Определяющий пара­метр объекта, случайно изменяясь в процессе работы или хранения, может достигнуть критического значения, при котором состояние объекта считается неудовлетворитель­ным (происходит отказ объекта).

Критическое значение определяющего параметра будем часто называть границей рабочей области (поля допуска) или просто границей.

В каждом объекте из множества одинаковых про­цессы изменения свойств протекают различно. Для нау­гад выбранного объекта процесс изменения его опреде­ляющего параметра можно рассматривать как слу­чайную функцию времени или наработки.

При изнашивании наряду с постепенными отказами наблюдается некоторое количество грубых внезапных от­казов объектов. Возможны два подхода к исследованию внезапных отказов.

Можно считать, что при грубых отказах происхо­дит резкое, практически мгновенное изменение определяющих параметров.

1. Возможен и другой подход к рассмотрению грубых (внезапных) отказов. Грубый отказ элемента обычно является следствием накопле­ния необратимых изменений материалов. Иначе говоря, возникновение этого отказа является следствием монотонного случайного процес­са изменения какого-то параметра элемента. Отличие от постепенного отказа состоит в том, что не контроли­руется изменяющийся параметр, при достижении кото­рым критического значения (границы) наступает внезап­ный отказ элемента, обычно связанный с его механиче­ским повреждением.

 

Реализации случайного про­цесса изменения параметра.

/ — при внезапном отказе; 2 — при посте­пенном отказе элемента.

 

Наглядный пример этого положения — обрывы термопар на самолетах. Этот отказ считался типичным внезапным, пока не была выявлена связь прочности термопар с ее электрическим сопротивлением. В процессе эксплуатации электрическое сопротивление R термопары случайным образом растет из-за воздейст­вия на металл выхлопных газов, вибрации и т. д. Временное сопротивление сначала уменьшается линейно. При некоторых условиях R достигает критического зна­чения (границы), прочность термопары резко падает и происходит обрыв.

Можно привести и другие примеры возникновения внезапного отказа при достижении определяющим па­раметром критического значения. Например, при увели­чении (или уменьшении) до определенной величины люфта в некоторых кинематических устройствах могут происходить внезапные отказы: открывания замков, зае­дания и т. д.

В ряде случаев критические значения параметра (гра­ницу рабочей области) придется рассматривать как си­стему случайных величин или векторный случайный процесс.

Чтобы правильно выбрать определяющий параметр, по которому можно судить о приближении грубого отка­за объекта, часто нужно проявить значительную изобре­тательность. Однако, только зная эти определяющие па­раметры и исследовав зависимость значений выбранного параметра от характеристик прочности, можно правиль­но организовать профилактические осмотры для пред­сказания моментов времени появления отказов. Боль­шую долю неконтролируемых внезапных отказов в ка­кой-то мере можно рассматривать как показатель низкого научного уровня эксплуатации и конструирова­ния.

Таким образом, любой отказ объекта связан со слу­чайным процессом (в общем случае векторным) измене­ния определяющего параметра и происходит при дости­жении этим параметром критических значений (границы рабочей области).

Рассмотрим основные особенности случайных процес­сов изменения определяющих параметров объектов.

1. Случайные процессы изменения параметров эле­ментов обычно можно считать нормально распределен­ными. Это подтверждается многолетним опытом иссле­дований в теории точности.

2. Рассматриваемые случайные процессы являются суммой двух случайных процессов:

а) Кратковременные обратимые изменения параме­тров происходят из-за колебаний внешних условий. Возможность возникновения обратимых изме­нений параметров элементов стараются предусмотреть при конструировании систем. Поэтому отказы из-за та­ких изменений параметров элементов возникают сравни­тельно редко.

б) Долговременные необратимые изменения параме­тров происходят в результате изнашивания, старения или разрегулирования. Эти нестационарные случайные процессы изменения параметра (назовем их процессами изнашивания) являются основной причиной отказов эле­ментов.

3. Для случайных процессов изнашивания типичны весьма жесткие связи между значениями параметра эле­мента в последовательные моменты времени. На вид реализации случайного процесса изнашивания оказыва­ют большое влияние физико-химическая структура ве­щества (например, реализации процессов старения пластмасс — экспоненты) и технология изготовления элемента. Каждый тип элемента имеет свою типичную кривую износа; однотипные элементы дают близкие по форме кривые износа, но с различными параметрами.

Определение типичных кривых износа различных де­талей и материалов является целью многих эксперимен­тальных исследований. К настоящему времени накоплен гигантский экспериментальный материал о форме кри­вых износа.

Типичная реали­зация процесса износа

 

 

Рис.

4. Изменение определяющего параметра элемента в зависимости от времени или наработки можно разбить на три периода.

Период / — приработка элемента. Под действием внешних нагрузок в элементе происходят изменения, в результате которых он как бы приспосабливается к конкретным условиям экс­плуатации. К концу периода приработки скорость измене­ния параметра становится по­стоянной. Обычно в процессе приработки происходит умень­шение скорости изменения па­раметра. Значительно реже встречаются случаи, когда в процессе приработки скорость изменения параметра возра­стает, пока не достигнет ста­ционарного значения. Иногда приработка осуществляется на заводе, изготовляющем эле­менты или состоящие из этих элементов системы. Тогда элементы имеют постоянную скорость изменения пара­метра с начала эксплуатации.

Период // — основной период работы элемента. В этом периоде достигнутая к концу приработки ско­рость изменения параметра сохраняется примерно по­стоянной.

Период /// — «старость» элемента. Возможности су­ществования элемента исчерпываются. Скорость изме­нения параметра катастрофически растет. Обычно элементы стараются проектировать и изготовлять с та­ким расчетом, чтобы при эксплуатации третий период не достигался.

Отношение скоростей изменения параметра в перио­ды приработки и основной работы может в некоторой мере служить показателем технической культуры произ­водства элементов или материалов, из которых изготов­лены эти элементы. При хорошо организованном про­цессе производства скорости износа в периоды прира­ботки и основной работы отличаются мало.

5. Параметры элементов могут быть измерены лишь в редкие моменты времени их эксплуатации. Очень важно заранее из экспериментов и на­копленного опыта определить вид реализаций процессов изменения параметров элемента. При этом по измере­ниям параметров элементов в процессе их эксплуатации будут вычисляться характеристики немногих случайных параметров процессов изменения параметра.

 

Некоторые опасные нагрузки и способы их уменьшения.

а) Факторы, влияющие на надежность объектов при их эксплуатации

Технические объекты в процессе эксплуатации испы­тывают различные вредные внешние воздействия. Эти вредные воздействия могут быть субъективными или объективными.

Субъективные воздействия происходят из-за непра­вильных действий людей. Любое, даже полностью авто­матизированное устройство требует периодического осмотра и ремонта, т. е. подвергается воздействию лю­дей. При этом возможны приводящие к отказам непра­вильные действия людей, обусловленные недостатком знаний, опыта, небрежностью, а также плохой организа­цией работы. Например, к отказу технического объекта могут привести неправильная регулировка, нарушение правил включения и выключения, нарушения порядка, методики и объема профилактических работ и т. д.

Наряду с отрицательными субъективными факторами могут действовать и положительные, например деятель­ность изобретателей и рационализаторов.

Объективные воздействия можно разделить на две группы:

1) общие воздействия, которым подвергаются в той или иной мере все объекты данного типа;

2) частные воздействия, которым могут подвергаться отдельные конкретные образцы.

Как общие, так и частные воздействия могут быть постоянными или переменными.

К объективным воздействиям относятся

а) специальные условия работы;

б) климатические воздействия;

в) биологические воздействия.

Специальные условия работы определяются назна­чением и типом технического объекта. Примеры специ­альных условий работы: тяжелый температурный режим, тяжелый ударно-вибрационный режим, агрессивная хи­мическая среда, ядерная радиация и т. д.

Воздействия, снижающие надежность изделий при их экс­плуатации.

 

Рис.

 

 

Надежность всех объектов сильно зависит от темпе­ратурного режима их работы. Особенно вредно сочета­ние тяжелого температурного режима с ударами и виб­рациями.

Иногда резкое увеличение интенсивности отказов вызывается сочетанием двух внешних воздействий, каж­дое из которых по отдельности оказывает сравнительно небольшое влияние на надежность технического объек­та.

 

 

б) Тепловые режимы и пути их облегчения

Тепло к техническому объекту может поступать двумя путями:

1) извне — от внешних по отношению к рассматри­ваемому устройству источников тепла;

2) изнутри — за счет внутренних источников тепла, например при трении механических деталей или из-за нагревания элементов электронных схем (электронные лампы, резисторы и т. д.).

Значение внешнего нагрева может быть сведено к минимуму. В большинстве случаев тепло, нарушающее правильное действие аппаратуры, выделяется внутрен­ними источниками за счет рассеяния мощности в терми­чески активных элементах. Увеличение сложности и стремление к уменьшению размеров технических уст­ройств ведет к концентрации высоких температур.

Большое значение имеет применение стойких к высо­ким температурам элементов. Однако возможности использования таких элементов ограничены. Все элемен­ты становятся ненадежными или отказывают при не­которой чрезмерной температуре, и возникает вопрос о том, как понизить их температуру. Очевидно, что этот вопрос должен решаться в трех направлениях:

- сведение к минимуму выделения тепла;

- защита наиболее чувствительных элементов;

- эффективное удаление выделяемого тепла.

Сведение к минимуму выделения тепла в электронной аппаратуре означает одновременно повышение электри­ческой эффективности схемы, так как энергия, рассеи­ваемая внутри аппаратуры в виде тепла, расходуется без пользы.

Защита наиболее чувствительных элементов состоит в предельном уменьшении возможностей теплообмена между активными элементами, рассеивающими тепло при работе, и термически пассивными элементами, кото­рые тепла не рассеивают, но обычно чувствительны к температуре. Изоляция термически пассивных элемен­тов от активных может быть осуществлена несколькими способами.

1) Пассивные элементы размещаются возможно дальше от активных. В идеальном случае активные эле­менты помещаются в один индивидуальный блок, а пас­сивные— в другой, находящийся на некотором расстоя­нии от первого. В электронных устройствах практическое решение вопроса обычно заключается в том, что актив­ные элементы монтируются сверху шасси, а пассивные — внизу, на щитке субшасси.

2) Между термически активными и пассивными эле­ментами помещаются экраны и перегородки.

3) При наличии локализованного рассеяния тепла в определенном месте иногда может быть применена непосредственная теплопередача от активных элементов за пределы корпуса с помощью термических отводов. Они могут быть весьма разнообразными, начиная с простых медных массивных полос и кончая усовер­шенствованными трубками с охлаждающей жидкостью.

4) Охлаждающий воздух или жидкость направляет­ся сначала через более холодные пассивные элементы, а затем через более нагретые активные.

Удаление выделяемого тепла совершается тремя спо­собами: теплопроводностью, конвекцией и излучением (лучеиспусканием, радиацией).

в) Ударно-вибрационные режимы транспортируемой аппаратуры

К динамическим нагрузкам относятся:

1) сильные удары в начале или в конце движения объекта: при маневрировании железнодорожных ваго­нов происходят удары с ускорением; значительные перегрузки испытывает аппаратура, установленная на автомобилях, при резком торможении;

2) умеренные или сильные периодические удары в процессе движения объекта, возникающие, например, при движении автомобилей по плохой дороге, в желез­нодорожных вагонах с плохой амортизацией.

3) вибрация в определенном диапазоне частот,

Измерения вибраций показывают, что они имеют составляющие с различными частотами, комбинирован­ные произвольно. Такую вибрацию называют случайной и рассматривают как стационарный случайный процесс. Основной характеристикой случайной вибрации являет­ся спектральная характеристика.

Защита аппаратуры от динамических воздействий осуществляется с помощью амортизаторов. Различают жесткие (противоударные) и мягкие (противовибрационные) амортизаторы.

В противоударных амортизаторах применяются работающие на сжатие упругие материалы (резина). Про­тивоударные амортизаторы рассчитываются так, чтобы собственная частота объектов с этими амортизаторами была выше частоты возбуждающих колебаний. Опыт показывает, что применения только противоударных амортизаторов недостаточно для защиты от динамических воздействий. Вместе с тем устройства небольшой массы способны выдерживать значительные нагрузки без применения противоударных амортизаторов.

В противовибрационных амортизаторах упругий ма­териал обычно работает на сдвиг. Собственная частота устройства с такими амортизаторами должна быть ни­же частоты возбуждающих колебаний.

Тяжелый ударно-вибрационный режим работы объек­тов особенно вреден при наличии вращающихся дета­лей. В объектах с вращающимися деталями очень часто отказывают подшипники. Повреждения небольших шари­ковых и роликовых подшипников обычно возникают из-за действия ударной нагрузки, а не из-за усталости металла. Кратковременные ударные нагрузки особенно часто повреждают подшипник, когда он неподвижен или вращается медленно.

 

Пути повышения надёжности

Проведение мероприятий по созданию или подбору элементов, созданию благо­приятных режимов работы, принятию мер по облегчению ремонта и т. д. Обычно оказываются более надежными те элементы, которые не имеют перемещающихся дета­лей, накаливаемых нитей и тонких обмоток.

Вновь создаваемые элементы обычно не сразу завое­вывают признание. И лишь после того, как выявлены все свойства новых приборов, опробована работа в тяжелых условиях, эти приборы могут найти применение. Надеж­ность элемента зависит от его конструкции, способа изготовления и условий применения.

При облегчении электрических, тепловых и вибра­ционных режимов работы элементов интенсивности их отказов значительно уменьшаются.

Необходимо обеспечить защиту от ударов и виб­раций. Правильная амортизация аппаратуры часто яв­ляется основным фактором, определяющим ее надеж­ность.

При оценке условий работы элементов особое внима­ние нужно обращать на переходные процессы, возникаю­щие при включении и выключении, а также при других изменениях режима работы аппаратуры. Испытываемые элементом при переходных процессах перегрузки могут быть одной из причин пониженной надежности аппара­туры.

Учет старения необходим и для кратковременно работающих объектов, так как они могут применяться после долгого периода складского хранения. При этом целесообразно так подобрать номинальные значения параметров элементов, чтобы обеспечить максимальную параметрическую надежность системы.

Время устранения отказа можно уменьшить путем построения систем по блочно-узловому способу.

Вся система разбивается на отдельные функциональ­но-законченные блоки и субпанели, которые в электрон­ных системах соединяются между собой кабелями, а в механических системах связываются кинематически. Субпанели в свою очередь разбиваются на функцио­нально законченные узлы, выполняемые в виде легко­съемных конструкций. При таком построении систем весь ремонт состоит в замене вышедших из строя блоков или узлов, что значительно ускоряет процесс ввода объектов в строй. Восстановление отказавших блоков производится в специальных ремонтных мастерских.

Осуществление блочно-узловых конструкций тесно связано с унификацией элементов и систем, которая производится на основе отбора наиболее надежных ва­риантов. При этом не только повышается надежность объектов, но и снижается их стоимость и упрощается изготовление. В ряде случаев удается создать очень сложные системы из элементов двух-трех типов.

Для облегчения ремонта отделенных от основной си­стемы неисправных блоков также крайне необходима унификация блоков, деталей, напряжений и частот пита­ния, разъемов и т. д. Унификация облегчает снабжение запасными частями и снижает стоимость эксплуатации и средних или капитальных ремонтов.

Отказы в основном являются следствием наличия «слабых» элементов. мероприятия по повышению надежности:

1) совершенствование технологии производства;

2) автоматизация производства;

3) технологические (тренировочные) прогоны;

4) статистическое регулирование качества.

Все эти группы мероприятий взаимно связаны между собой.

Совершенствование технологии производства являет­ся одной из сторон общего прогресса науки и техники. В большинстве отраслей промышленности технический прогресс является сравнительно медленным, постепен­ным процессом. Все мероприятия в этой области опира­ются не только на последние достижения науки, но и в значительной мере на накопленный опыт.

Борьба за совершенствование технологии производ­ства может быть успешной только в том случае, если она охватывает все стадии производственного про­цесса.

Автоматизация производства обеспечивает вы­сокую надежность работы.

Технологические (тренировочные) прогоны проводят­ся с целью выявления скрытых производственных де­фектов и причин их возникновения. Кроме тренировоч­ных прогонов в условиях, близких к эксплуатационным, могут применяться ускоренные прогоны с тяжелыми условиями работы. В последнем случае усложняется вопрос о выборе режима и длительности прогона, кото­рые должны быть такими, чтобы полностью удалить «слабые» элементы и вместе с тем не ухудшать качество «нормальных» элементов. Такая жесткая тренировка применяется редко.

Выявлено, что в начальный период эксплуатации, характеризуемый повышенным числом отказов, (период приработки), в основном отказывают механические и электромеханические узлы, проявляются дефекты мон­тажа, сборки, регулировки. Введение тренировочных прогонов в технологический процесс

Причины, влияющие на надежность, разбива­ются на группы. Одна из них — группа случайных причин — считается недоступной воздействию человека вследствие многочисленных причин и ничтожности каж­дой из них.

Помимо случайных причин, которые всегда сущест­вуют в любом производстве, иногда могут появляться «определимые причины», которые могут быть устранены путем сознательного вмешательства в технологический процесс.

При построении схем причинно-следственных связей результат, называемый характеристикой, изображается центральной стрелкой схемы. Явления, прямо или косвенно влияющие на характеристику, называют факторами и изображают в виде стрелок, направленных острием на центральную линию (стрелку).

Для выявления факторов записывают мнения 5—10 сотрудников, занимающих различное служебное положе­ние и имеющих различные интересы. При этом, как и при любой форме экспертной оценки, желательно избе­гать излишних вопросов и критики. Затем все записан­ные факторы классифицируют. Выделяют главные факто­ры («отцы»), которые делятся на все более конкретные («сыновья», «внуки», «правнуки» и т. д.). Деление про­должается до тех пор, пока не будет ясно, какие меры нужно принять для изменения исследуемой характери­стики.

 

 

 

Чтобы установить подчиненность факторов, вначале обсуждают те из них, которые существенно влияют на характеристику. Такие факторы в перечне обводят красным кружком. Затем из выделенных факторов опять выделяют важнейшие и обводят их двойным круж­ком и т.д.

Правильность выявления важнейших факторов, влияющих на характеристику, целесообразно проверить экспериментально.

При построении графика расположение стрелок, углы их наклона и другие формальные признаки зна­чения не имеют. Важна лишь подчиненность факторов. Желательно возможно более подробное деление факто­ров, чтобы схема имела вид ветвистого дерева.

В специальной таблице или тетради, прилагаемой к схеме, записывают дополнительные сведения: уровень важности фактора, как контролировать данный фактор, имеются ли нормы для значений факторов, как влияет фактор на характеристику.

После анализа факторов составляют перечень меро­приятий в отношении наиболее важных из них.