ÌÈÍÈÑÒÅÐÑÒÂÎ ÎÁÐÀÇÎÂÀÍÈß ÐÎÑÑÈÉÑÊÎÉ ÔÅÄÅÐÀÖÈÈ Ãîñóäàðñòâåííîå îáðàçîâàòåëüíîå ó÷ðåæäåíèå âûñøåãî ïðîôåññèîíàëüíîãî îáðàç...
225 downloads
306 Views
716KB Size
Report
This content was uploaded by our users and we assume good faith they have the permission to share this book. If you own the copyright to this book and it is wrongfully on our website, we offer a simple DMCA procedure to remove your content from our site. Start by pressing the button below!
Report copyright / DMCA form
ÌÈÍÈÑÒÅÐÑÒÂÎ ÎÁÐÀÇÎÂÀÍÈß ÐÎÑÑÈÉÑÊÎÉ ÔÅÄÅÐÀÖÈÈ Ãîñóäàðñòâåííîå îáðàçîâàòåëüíîå ó÷ðåæäåíèå âûñøåãî ïðîôåññèîíàëüíîãî îáðàçîâàíèÿ ÑÀÍÊÒ-ÏÅÒÅÐÁÓÐÃÑÊÈÉ ÃÎÑÓÄÀÐÑÒÂÅÍÍÛÉ ÓÍÈÂÅÐÑÈÒÅÒ ÀÝÐÎÊÎÑÌÈ×ÅÑÊÎÃÎ ÏÐÈÁÎÐÎÑÒÐÎÅÍÈß
В. Ю. Чернов, В. Г. Никитин, Ю. П. Иванов
НАДЕЖНОСТЬ АВИАЦИОННЫХ ПРИБОРОВ И ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ Учебное пособие “Рекомендовано УМО по образованию в области приборостроения и оптотехники в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки бакалавров и магистров 551500 – Приборостроение и направлению подготовки дипломированных специалистов 653700 – Приборостроение, специальности 190300 – Авиационные приборы и измерительно-вычислительные комплексы”
Ñàíêò-Ïåòåðáóðã 2004
УДК 629.78.017.1.054.002 ББК 32.873 Ч49 Чернов В. Ю., Никитин В. Г., Иванов Ю. П. Ч49 Надежность авиационных приборов и измерительно-вычислительных комплексов: Учеб. пособие / СПбГУАП. СПб., 2004. 96 с. ISBN 5-8088-0100-1 Изложены основные понятия, задачи и методы обеспечения надежности авиационных приборов и измерительно-вычислительных комплексов. Даны методы определения аппаратурной надежности невосстанавливаемых и восстанавливаемых объектов. Приведены таблицы интенсивностей отказов типовых элементов приборов и комплексов авиационной техники. Рассмотрены оценки надежности программного обеспечения и аппаратной надежности бортовых вычислителей, прогнозирования надежности по информации бортовых регистраторов полетной информации, спектральные оценки достоверности прогноза. Предназначено для студентов, обучающихся по специальностям 190300 “Авиационные приборы и измерительно-вычислительные комплексы”, 131000 “Техническая эксплуатация авиационных электросистем и пилотажно-навигационных комплексов”, а также магистров по направлению 5515 “Приборостроение”.
Рецензенты: кафедра процессов управления Балтийского государственного университета; кандидат технических наук доцент П. Б. Дергачев
Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия
ISBN 5-8088-0100-1
© ГОУ ВПО “Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения”, 2004
© 2
В. Ю. Чернов, В. Г. Никитин, Ю. П. Иванов, 2004
1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ 1.1. Основные понятия теории надежности Надежность авиационной техники (АТ) состоит в ее способности не выходить из строя и выполнять в полном объеме свои общественно полезные функции. Надежность АТ всегда рассматривалась как ее важнейшее свойство. Согласно ГОСТ 27.002-89 [1] надежности, дается следующее определение. Надежность – свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования. Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость или определенные сочетания этих свойств. В настоящее время две принципиальные особенности развития АТ определяют особую актуальность обеспечения высокого уровня надежности при ее разработке, создании и эксплуатации [2]. Первая особенность обусловлена усложнением конструкций АТ, комплексированием, насыщением электронной техникой. Вторая – связана с работой авиапредприятий в рыночных условиях, когда роль экономических факторов надежности многократно возрастает. Для объектов, каким и является АТ, потенциально являющихся источником повышенной опасности для общества, важными понятиями являются “безопасность” и “живучесть”. Безопасность – свойство объекта в случае нарушения работоспособного состояния не создавать угрозу для жизни и здоровья людей, а также для окружающей среды. Живучесть – свойство объекта, состоящее в его способности противостоять развитию критических отказов в виде дефектов и повреждений при установленной системе технического обслуживания и ремонта или свойство объекта сохранять ограниченную работоспособность при воздействиях, не предусмотренных условиями эксплуатации, или свойство объекта сохранять ограниченную работоспособность при наличии дефектов или повреждений определенного вида, а также при отказе некоторых компонентов. Примером в АТ служит сохранение прочности 3
крыла при возникновении в его обшивке усталостных трещин, размеры которых не превышают заданных значений. Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки. В основном, безотказность рассматривается применительно к использованию объекта по назначению, но во многих случаях необходима оценка безотказности при хранении и транспортировании, в том числе составляющих объект устройств. Безотказность вводится либо по отношению ко всем возможным отказам объекта, либо по отношению к какому-либо одному типу отказа. В определении понятия безотказности используется понятие работоспособности. Работоспособность – это состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и конструкторской документации. Работоспособный объект в отличие от исправного должен удовлетворять лишь тем требованиям нормативно-технической и конструкторской документации, выполнение которых обеспечивает нормальное применение объекта по назначению. Работоспособный объект может быть неисправным, например, если он не удовлетворяет эстетическим требованиям, причем ухудшение его внешнего вида не препятствует его применению по назначению. Для сложных объектов возможны частично неработоспособные состояния, при которых объект способен выполнять требуемые функции с пониженными показателями или способен выполнять лишь часть требуемых функций. Для некоторых объектов признаками неработоспособного состояния, кроме того, могут быть отклонения их показателей качества. Например к неработоспособному состоянию для авиагоризонта может быть отнесено кратковременное превышение допустимого значения угла прецессии. Переход объекта из одного состояния в другое обычно происходит вследствие повреждения или отказа. Исправным состоянием (исправностью) объекта называют такое состояние, при котором он соответствует всем требованиям нормативнотехнической и конструкторской документации. В международных документах введена более детальная классификация состояний. Так, в работоспособном состоянии различают “рабочее состояние” и “нерабочее состояние”, при котором объект не применяется по назначению. “Нерабочее состояние” подразделяют, в свою очередь, на состояние дежурства и состояние планового простоя. Кроме того, различают “внутрен4
нее” неработоспособное состояние, обусловленное отказом или незавершенностью планового технического обслуживания – ремонта, и “внешнее” неработоспособное состояние, обусловленное организационными причинами. Повреждение – это событие, заключающееся в нарушении исправного состояния объекта при сохранении работоспособного состояния. Повреждение может быть существенным и несущественным. Существенное повреждение может привести к нарушению работоспособности объекта. Например, нарушение герметичности корпуса прибора, не являющееся с точки зрения принципа работы прибора (например, радиовысотомера) существенным в данный момент для работоспособности прибора, приведет к попаданию пыли и влаги внутрь прибора, что повлечет за собой коррозию элементов, ухудшение электрических характеристик и ускорит момент нарушения работоспособности прибора. Поэтому несущественные повреждения должны устраняться при техническом обслуживании приборов. Отказ – это событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта. Если работоспособность объекта характеризуют совокупностью значений некоторых технических параметров, то признаком возникновения отказа является выход значений любого из этих параметров за пределы допусков. Кроме того, в критерии отказов могут входить также качественные признаки, указывающие на нарушение нормальной работы объекта. Понятие отказа, наряду с надежностью, является основным и конкретизируется применительно к каждому виду АТ. Эта конкретизация достигается установлением признаков или критериев отказа в нормативно-технической документации. Она позволяет сформулировать модель расчета надежности объекта. Критерии отказов следует отличать от критериев повреждений. Под критериями повреждений понимают признаки или совокупность признаков неисправного, но работоспособного состояния объекта. Критичность отказа вводится для классификации отказов по их последствиям и включает совокупность признаков последствий отказа. Подобная классификация содержится в международных документах, а также в некоторых отраслевых отечественных документах. Критерием для классификации могут служить прямые и косвенные потери, вызванные отказами, затраты труда и времени на устранение последствий отказа, возможность и целесообразность ремонта силами потребителя или необходимость ремонта изготовителем. Воз5
можен учет продолжительности простоев из-за отказа, степени снижения производительности. 1.2. Причины возникновения и классификация отказов По характеру влияния на системы ЛА отказы условно делят на простые и сложные. Это деление не определено в ГОСТ и часто зависит от субъективных факторов: сложности системы, подготовки персонала, условий эксплуатации и т. п. Различают отказы по их последствиям, установленным по согласованию между заказчиком и разработчиком объекта АТ. Для простых объектов эта классификация не используется. Анализ причин возникновения отказов в процессе испытаний и эксплуатации и их классификация по группам имеет большое значение при исследовании надежности. В зависимости от характера причин возникновения отказы можно разделить на две группы. К первой группе относятся отказы, являющиеся следствием дефектов конструкции, технологии производства, эксплуатационной документации. Причины отказов данной группы проявляются для партии или всех экземпляров данной системы. Ко второй группе относятся отказы, которые вызваны случайным разбросом характеристик комплектующих элементов в пределах установленных их допусков, случайным неблагоприятным сочетанием режимов работы. Подобные отказы вызываются случайными неповторяющимися для разных экземпляров системы причинами. Для повышения надежности при наличии отказов второй группы необходимо установить статистические законы распределения разброса характеристик и ужесточить допуски на комплектующие и режимы работы. При эксплуатации систем различают три периода: период приработки, период нормальной эксплуатации и период интенсивного износа системы. В период приработки преобладают отказы первой группы. Однако по мере накопления информации об отказах партии систем и проведении мероприятий по устранению причин их появления удельный вес отказов первой группы постепенно уменьшается и достигает своего минимума в конце периода приработки. В период нормальной эксплуатации преобладают отказы второй группы. В начале третьего периода снова появляются отказы первой группы, обусловленные износом элементов и системы в целом. С течением времени количество отказов первой группы увеличивается. Отказы первой группы, как правило, носят неслучайный характер. В период нормальной эксплуатации неслучайные отказы встречаются ис6
ключительно редко и в теории надежности не рассматриваются. Теория надежности рассматривает только случайные отказы с целью установления закономерностей и определения эффективных методов устранения причин, вызывающих их появление. Отказы представляют собой случайные события. Поэтому в качестве основного математического аппарата теории надежности используются методы теории вероятностей и математической статистики. Примером возникновения отказов, обусловленных старением или износом элементов, может быть увеличение зазоров механизмов передачи движения, редукторов, электродвигателей следящих систем приборов. Изменение температуры, повышение влажности, загрязнения и ударные нагрузки работы приборов также способствуют ускорению появления недопустимых трещин и зазоров механизмов. Отказы авиационных средств измерения и систем управления ЛА классифицируются и по признакам: этап существования системы при отказе (конструктивные, производственные, эксплуатационные); характер изменения показателя качества (внезапные, постепенные); устойчивость неработоспособного состояния (устойчивые, сбои, перемежающиеся отказы); возможность последующего использования системы (полные, частичные); наличие внешних проявлений (явный или скрытый отказ); возможность и целесообразность устранения (устранимые, неустранимые); взаимозависимость (независимые, зависимые). Четкой границы у этой классификации может не быть из-за совершенствования расчетных методов и средств контрольно-измерительной техники, позволяющих своевременно и на большем числе этапов жизни системы своевременно обнаруживать источники возможных отказов и прогнозировать их развитие во времени. 1.3. Обеспечение надежности на различных этапах существования устройств Обеспечение надежности является единым процессом, охватывающим все этапы существования систем. Он включает разработку и реализацию мероприятий, направленных на достижение требуемого уровня надежности при минимальных затратах. На этапе научно-исследовательских и проектно-поисковых работ основными являются задачи прогнозирования возможных значений надежности перспективных систем, а также оценка реализуемости и эффективности различных способов обеспечения надежности. Глубина и 7
степень проработки вопросов на этом этапе в значительной степени определяют затраты времени и средств на последующих этапах создания системы. Методы решения задач рассматриваемого этапа – это расчетные методы оценки надежности систем при различных вариантах построения, организации эксплуатации и способов применения. Одновременно решается задача оптимизации системы по критериям ее качества с учетом экономической эффективности. Натурный эксперимент по оценке надежности на данном этапе невозможен, а значит, основная роль отводится расчетам и математическому моделированию. На этапе разработки технического задания (ТЗ) ставится задача обоснования оптимальных требований по надежности системы, которые затем включаются в ТЗ. Основные методы решения этой задачи – методы оптимизации. В качестве целевой функции обычно рассматриваются затраты средств и времени на создание и эксплуатацию системы. Оптимизация проводится с учетом ограничений конструктивного, производственного и эксплуатационного характера. В качестве моделей рассматриваются модели функционирования системы. Этап проектирования системы – основной этап, на котором закладывается уровень надежности системы. Основными задачами исследования надежности на этом этапе являются задачи сравнительного анализа эффективности различных способов обеспечения надежности и выбор вариантов, обладающих заданной надежностью. При этом учитываются реально существующие ограничения возможности технической реализации. В качестве основных методов здесь используются расчетные методы оценки уровня надежности, методы сравнительного анализа аналогов системы по опыту их эксплуатации и методы параметрической оптимизации. Основные задачи обеспечения надежности делятся на три группы: обеспечение требований по надежности к основным блокам системы; проектирование системы с требуемым уровнем надежности; контрольные расчеты надежности подлежащих реализации вариантов системы. Первая группа задач решается на ранней стадии проектирования и предусматривает предварительную проработку структуры системы, обоснование принципов построения и эксплуатации. Структурный анализ системы дает возможность выбрать необходимую аналитическую модель надежности. На ранней стадии проектирования метод структурного анализа основывается на логическом инженерном анализе принципов функционирования систем с учетом назначения и взаимодействия 8
элементов. На завершающих стадиях проектирования при наличии макетов или опытных образцов системы структурный анализ может быть осуществлен экспериментальными методами. Структурный анализ позволяет конструктору установить слабые узлы проектируемой системы, произвести качественный анализ работоспособности, выбрать наиболее рациональную, с точки зрения надежности, структуру системы. Высокий уровень надежности систем обеспечивается применением высоконадежных элементов, конструктивно-технических, структурных и схемных решений, соответствующих заданным по надежности требованиям, выбором необходимых условий и режимов работы блоков и системы в целом, введением резервирования и других видов избыточности, разработкой и внедрением контрольно-профилактических мероприятий, обоснованием оптимальных параметров технического обслуживания. Этап испытания и приемки в эксплуатацию отличается от предыдущих стадий тем, что здесь представляется возможным исследовать функционирование системы в реальных условиях. На этом этапе оценивается достигнутый уровень надежности. Задача контроля надежности изготовленных систем является одной из основных задач при их серийном производстве. Отказы первой группы обнаруживаются однозначно при полной проверке системы на соответствие требованиям ТЗ. Контроль отказов второй группы является контролем надежности системы и во многих случаях связан с существенной выработкой ресурса. Контроль отказов этой группы должен иметь необходимую продолжительность во времени.
9
2. ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ К показателям надежности относят количественные характеристики надежности, которые вводят согласно правилам статистической теории надежности. Область этой теории ограничена крупносерийными объектами, которые изготавливают и эксплуатируют в статистически однородных условиях и к совокупности которых применимо статистическое истолкование вероятности. Применение статистической теории надежности к уникальным и малосерийным объектам, которые встречаются в АТ, ограничено. С количественной стороны надежность оценивается Таблица 1 Свойство
Безотказность
Ремонтопригодность
Безотказность и ремонто-пригодность
Долговечность
Сохраняемость
Показатель
Вероятность безотказной работы Интенсивность отказов Средняя наработка до отказа Параметр потока отказов Средняя наработка на отказ Вероятность восстановления Интенсивность восстановления Среднее время восстановления Коэффициент готовности Коэффициент простоя Коэффициент технического использования Коэффициент оперативной готовности Назначенный ресурс Средний ресурс между капитальными (средними) ремонтами Средний срок службы Средний срок сохраняемости
рядом критериев, называемых показателями надежности. Основные единичные и комплексные показатели надежности приведены в табл. 1. 2.1. Вероятность безотказной работы Вероятность безотказной работы определяется в предположении, что в начальный момент времени (момент начала исчисления наработки ) объект находился в работоспособном состоянии. Обозначим через t время или суммарную наработку объекта. 10
Возникновение первого отказа – случайное событие, а наработка τ от начального момента до возникновения этого события – случайная величина. Вероятность безотказной работы P(t) объекта в интервале от 0 до t включительно определяют как P(t ) = P( τ > t ).
(1)
Здесь P (.) – вероятность события, заключенного в скобках. Вероятность безотказной работы P (t) является функцией наработки t. Если способность объекта выполнять заданные функции характеризуется одним параметром v, то вместо (1) имеем формулу (2) P (t) = P [ v *(t1) < v (t1) < v **(t1); 0< t1 =