ÌÈÍÈÑÒÅÐÑÒÂÎ ÎÁÐÀÇÎÂÀÍÈß ÐÎÑÑÈÉÑÊÎÉ ÔÅÄÅÐÀÖÈÈ
Ñàíêò-Ïåòåðáóðãñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò àýðîêîñìè÷åñêîãî ïðèáîðîñ...
12 downloads
316 Views
580KB 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
Ñàíêò-Ïåòåðáóðãñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò àýðîêîñìè÷åñêîãî ïðèáîðîñòðîåíèÿ
Е. С. Дмитриевский
КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ АВИАЦИОННОГО РАДИОЭЛЕКТРОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ Учебное пособие
Ñàíêò-Ïåòåðáóðã 2001
УДК 621.396 Д53 Дмитриевский Е. С. Д53 Конструкторско-технологическое обеспечение эксплуатационной надежности авиационного радиоэлектронного оборудования: Учеб. пособие / СПбГУАП. СПб., 2001. 88 с: ил. Излагаются вопросы обеспечения эксплуатационной надежности средств управления воздушным движением с позиции их проектирования и технического обслуживания.
Рецензенты: кафедра конструирования и управления качеством радиоаппаратуры СПбГУАП; заслуженный деятель науки, доктор технических наук, профессор Л. Е. Овчинников
Óòâåðæäåíî ðåäàêöèîííî-èçäàòåëüñêèì ñîâåòîì óíèâåðñèòåòà â êà÷åñòâå ó÷åáíîãî ïîñîáèÿ
2
©
Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, 2001
©
Е. С. Дмитриевский, 2001
ПРЕДИСЛОВИЕ
Основным показателем качества средств обеспечения полетов (СОП) является надежность. Надежность средств закладывается на этапах проектирования и изготовления и в наибольшей степени проявляется на этапах эксплуатации. В настоящей работе описаны методы обеспечения высокой эксплуатационной надежности систем. Изложение материала ведется с позиций системного подхода. Вслед за изложением вопросов влияния климатических и механических факторов на надежность радиоаппаратуры описываются методы повышения надежности элементов и систем, способы обеспечения эксплуатационной надежности. Особое место в этом разделе занимают вопросы показателей надежности систем со структурной избыточностью. Технологические аспекты обеспечения эксплуатационной надежности представлены стратегиями технического обслуживания по наработке и по состоянию. В пособии излагаются также вопросы обеспечения стойкости и устойчивости авиационного радиоэлектронного оборудования при температурах и механических воздействиях. Элементные и конструктивные основы обеспечения эксплуатационной надежности представлены применением интегральных микросхем и типовых элементов замены на базе функциональной микроэлектроники. При изложении материала автор руководствовался требованиями государственного образовательного стандарта по специальностям 2013 «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования», 1310 «Техническая эксплуатация электрофицированных и пилотажно-навигационных комплексов» и по направлению 5520 — «Эксплуатация авиационной и космической техники».
3
1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ АВИАЦИОННОГО РАДИОЭЛЕКТРОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ
1.1. Возникновение проблемы надежности Современный уровень развития техники характеризуется комплексной разработкой сложнейших систем управления и возрастающим применением средств радиоэлектроники во всех отраслях народного хозяйства, науки и техники. Прогресс современной техники, расширение круга задач, возложенных на системы управления, высокие требования к точности, помехозащищенности, быстродействию привели к усложнению электронной аппаратуры к созданию сложнейших систем, предназначенных для решения целого ряда ответственных задач. Следует учитывать, что усложнение аппаратуры резко снижает надежность современного радиоэлектронного оборудования. При этом низкая надежность приводит к тому, что стоимость эксплуатации радиоэлектронного оборудования в течение одного года иногда в несколько раз превышает стоимость самого оборудования. Важность выполняемых радиоэлектронной аппаратурой задач делает часто отказ в работе событием чрезвычайным, а в некоторых случаях и опасным, например, при использовании аппаратуры в медицине, в военном деле, при космических исследованиях, на транспорте и др. Особое место в этом ряду занимает авиационное радиоэлектронное оборудование (АРЭО), на базе которого строятся системы организации и управления воздушным движением, системы навигации и посадки воздушных судов. Последствия отказов таких систем огромны. Надежность не только резко снижает эффективность использования радиоэлектронной техники, но и приводит к огромным экономическим потерям, к неоправданному повышению стоимости эксплуатации и тормозит дальнейшее использование средств радиоэлектроники. Возникновение проблемы надежности обусловлено, главным образом, следующими причинами: ростом сложности электронной аппаратуры; отставанием качества элементов радиоэлектроники от их количественного применения; повышением ответственности функций, выполняемых аппаратурой; наличием человека-оператора (полным или частичным) при выполнении аппаратурой своих функций; сложностью условий, в которых эксплуатируется аппаратура. 4
Все это свидетельствует о том, что обеспечение надежности работы радиоэлектронной аппаратуры является важной задачей. 1.2. Основные понятия и определения Эксплуатация предусматривает наличие, с одной стороны, человека (оператора), с другой – объекта эксплуатации (машина, аппарат, система и т. п.), над которым оператор должен совершить определенные действия для получения необходимых результатов. В техническом плане эксплуатацию можно рассматривать как процесс использования (управления) оператором объекта для достижения заданного результата. Составной частью объекта является элемент. Это также достаточно широкое понятие, зависящее от содержания, вкладываемого в понятие «объекта». Если объектом является система, то элементами его будут отдельные подсистемы и устройства. Если объектом является аппарат, то элементами его будут узлы и отдельные детали. Как процесс, эксплуатация должна характеризоваться временем и местом действия. Процесс эксплуатации охватывает весь период существования объекта с момента его изготовления. Окончание эксплуатации объекта определяется его предельным состоянием, т. е. состоянием, при котором его дальнейшая эксплуатация должна быть прекращена изза неустранимого нарушения требований безопасности, неустранимого ухода параметров за установленные пределы, неустранимого снижения эффективности эксплуатации ниже допустимой, необходимости проведения среднего или капитального ремонта или при технико-экономической нецелесообразности дальнейшей эксплуатации объекта. Признаки предельного состояния задаются нормативно-технической документацией на объект. Если объект подвергается среднему или капитальному ремонту, то после его окончания эксплуатация объекта продолжается. Так как объект эксплуатируется в различных условиях, то необходимо знать возможные результаты влияния этих условий на качество функционирования объекта. Помимо внешних факторов на поведение объекта будут влиять особенности его конструирования, изготовления и наладки. Исследование поведения объекта во время эксплуатации и оценка его эксплуатационных качеств составляет предмет теории надежности. Вопросами взаимодействия системы “оператор-объект” при эксплуатации занимается наука эргономика. 5
В процессе эксплуатации объект может находиться в различных состояниях. Состояние объекта характеризуется степенью соответствия требованиям или параметрам, устанавливаемым нормативно-технической документацией на него. Все требования можно подразделить на две группы: основные, определяющие способность объекта выполнять заданные функции (как правило, к ним относятся параметры), и второстепенные, определяющие удобство работы, внешний вид, характер окраски и т. п., непосредственно не влияющие на выполнение объектом заданных функций. В зависимости от степени соответствия объекта той или иной группе требований различают состояния: исправное и неисправное, работоспособное и неработоспособное. Исправным состоянием называют состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям, установленным нормативно-технической документацией. Если в данный момент времени объект не соответствует хотя бы одному из этих требований, то он находится в неисправном состоянии. Следует подчеркнуть, что неисправность объекта еще не означает, что он не может выполнить заданные функции. Работоспособным состоянием называют состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции, сохраняя значения заданных параметров в пределах, установленных нормативно-технической документацией. Если хотя бы один из заданных параметров объекта, характеризующих способность выполнять заданные функции, не соответствует этим требованиям, то он находится в неработоспособном состоянии. Изделие может быть исправным, но в какой-то период времени находиться на складе, транспортироваться и т. п., т. е. быть в неработоспособном состоянии. Объект характеризуется рядом свойств, определяющих его пригодность выполнять заданные функции. Важнейшим из них является надежность. Надежность – свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания ремонтов, хранения и транспортировки. Это сложное свойство объединяет безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость объекта. В зависимости от назначения объекта и условий его эксплуатации надежность может включать все эти свойства или их сочетание. 6
Переход объекта из одного состояния в другое называется событием. Событие, заключающееся в нарушении исправного состояния объекта или его составных частей вследствие влияния внешних воздействий, превышающих уровни, установленные в нормативно-технической документации на объект, и в переходе его в неисправное состояние, называют повреждением или неисправностью. Событие, заключающееся в нарушении работоспособности объекта, называют отказом, что является одним из важнейших понятий теории надежности. Следует различать отказ объекта и отказ элемента объекта. Ввиду сложной природы отказов теория надежности дает достаточно широкую их классификацию. Объекты бывают восстанавливаемыми и невосстанавливаемыми. Под восстанавливаемым подразумевают объект, работоспособность которого в случае возникновения отказа подлежит восстановлению в рассматриваемой ситуации. Объект, не подлежащий восстановлению в данной ситуации, называют невосстанавливаемым. Ремонтируемым называют объект, исправность и работоспособность которого в случае возникновения отказа или повреждения подлежит восстановлению. Объект, у которого исправность и работоспособность не подлежит восстановлению, называется неремонтируемым. При оценке надежности объекта необходимо знать способ соединения составляющих его элементов. Соединение элементов с точки зрения надежности, как правило, не соответствует их электрической схеме соединения, так как оно осуществляется, прежде всего, с учетом влияния каждого элемента на работоспособность всего объекта. Различают следующие соединения элементов надежности: последовательное, параллельное и смешанное. Таким образом, надежность объекта рассматривается во времени и зависит от качества его конструирования, изготовления и организации эксплуатации. Конструирование как инженерная деятельность есть процесс поиска нахождения и отражения в конструкторской документации формы, размеров и состава изделия, входящих в него деталей и узлов, используемых материалов, комплектующих изделий, взаимного расположения частей и связей между ними, указаний на технологию изготовления. Поиск основан на логико-математическом выборе устойчивых компромиссов для удовлетворения противоречивых требований технического задания на разработку изделия по назначению и надежности с учетом 7
ремонтопригодности и свойств системы человек-машина при использовании материалов и комплектующих изделий, свойства которых ограничены рамками паспортных данных. 1.3. Технические требования Технические требования на разработку АРЭО состоят из общих и специальных. К общим техническим требованиям относятся такие, которые не зависят от специфики назначения или эксплуатации. Они являются установившимися для любой РЭА данного класса и оговариваются в различных руководящих технических материалах, ведомственных нормалях и т. п. К специальным техническим требованиям относятся такие, которые оговаривают особенности функционирования и условия эксплуатации. Эти требования указываются в ТЗ на разработку. Общие технические требования, в свою очередь, делятся на эксплуатационные и конструкторско-технологические. Эксплуатационные требования оговаривают обеспечение параметров изделия с заданной точностью и безотказность работы в течение определенного времени при заданных условиях эксплуатации, основными из которых являются: оперативность обслуживания, отражающая возможность быстрого ремонта аппаратуры, минимальные временные и стоимостные затраты на запуск в работу и эксплуатацию; удобство обслуживания, которое достигается хорошим доступом к блокам и регулируемым параметрам, наличием встроенного контроля, четким комплектованием запасными элементами и приборами; безопасность обслуживания; длительность срока службы и сохранности; устойчивость параметров аппаратуры к воздействию различных дестабилизирующих факторов; нормальный тепловой режим работы аппаратуры; внешний вид аппаратуры, учитывающий правила технической эстетики, простоту и строгость формы, сочетание цветов окраски, правила эргономики; минимальные габариты и масса, удобство транспортировки. Основными конструкторско-технологическими требованиями являются: 8
взаимозаменяемость блоков и электрических элементов, отдельных узлов и деталей конструкции; максимальная типизация и унификация приборов, блоков узлов, использование модульных принципов конструирования; максимальное сокращение номенклатуры элементов, материалов, полуфабрикатов; минимальная материалоемкость, удобство сборки, возможность механизации и автоматизации производственных процессов; простота изготовления, сборки и регулировки. Обязательным условием высококачественной разработки при выполнении общих эксплуатационных и конструкторско-технологических требований является реализация общих требований по назначению, которые затрагивают широкий круг вопросов: функциональное назначение (прием, передача, обработка сигналов, индикация и др.); значение параметра (мощность излучения, мощность потребления, частота, чувствительность и др.); класс, к которому относится объект установки (бортовой, наземный для подвижных объектов, наземный стационарный и др.); климатическое исполнение (по ГОСТ 6019-78); категория размещения на объекте (пять укрупненных и шесть дополнительных категорий); массогабаритные характеристики (масса, габаритные и присоединительные размеры); закрепление на объекте (жесткое, быстросъемное, на амортизаторах и др.); коммуникационные сети на объекте (сети питания, сети антенных кабелей, вентиляционные сети и др.); электромагнитная защита на объекте (экранирование, устранение наводок, в том числе по цепям питания и др.). 2. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ
2.1. Условия эксплуатации АРЭО Наиболее общей причиной нарушения надежности АРЭО является изменение параметров измерения под действием физико-химических процессов, скорость протекания которых связана с климатическими факторами, с механическими воздействиями, с перегревом внутри изде9
лия, а также с выбранными материалами, покрытиями и принятыми конструктивными решениями. Интенсивность дестабилизирующих воздействий определяется, прежде всего, условиями эксплуатации АРЭО, которые нужно учитывать при проектировании. Климатические воздействия определяются, прежде всего, давлением, температурой и влажностью воздуха. Их принято считать нормальными, если температура воздуха находится в пределах 15–25 °С, относительная влажность – 4–75% и давление воздуха – 650–800 мм. рт. ст При оценке влияния климатических условий на работу радиоаппаратуры принято различать следующие типы климатов: умеренный, холодный, жаркий сухой и жаркий влажный. В соответствии с типом климата нормальны следующие основные виды климатических воздействий: воздействие температуры, тепловые удары, влажность, давление, пыль, солнечная радиация. Опыт эксплуатации показывает, что в основном АРЭО работает при температуре –60…+60 °С. Однако прямое воздействие солнечных лучей на блоки аппаратуры может существенно изменить температуру внутри них по сравнению с температурой окружающего воздуха, которая может отличаться на 12–35 °С в зависимости от окраски блоков. При повышенной температуре протекают следующие деградационные процессы: высыхание и пересыхание защищенных покрытий с деформацией или растрескиванием, миграция примесей в полупроводниках, изменение электрических характеристик, деформация сопряженных деталей с различным температурным коэффициентом расширения. При конструировании РЭА следует учитывать, что температурный режим работы радиоаппаратуры обуславливается как поступлением тепла извне, так и выделением его термоактивными элементами внутри блока. Низкая температура внутри блока определяется только температурой атмосферы. Деградационные процессы в конструкции АРЭО при пониженной температуре связаны с конденсацией влаги, изменениями электрических характеристик, деформацией сопряженных деталей. Работоспособность аппаратуры определяется допустимым температурным диапазоном работы ее элементов. Внутри этого диапазона аппаратура должна сохранять работоспособность во включенном, т. е. в рабочем состоянии. Этот диапазон определяется интервалом рабочих температур, характеризующих требования к конструкции по термоустойчивости. Требования по термостойкости определяются предельными температурами. Они отражают способность аппаратуры, находящейся 10
в неработоспособном состоянии, переносить температурные воздействия (тепло – и холодопрочность). Верхние и нижние значения температуры атмосферы при эксплуатации, а также температуры воздуха при хранении и транспортировании аппаратуры разделяют по степеням жесткости. Тяжелые температурные условия работы осложняются трудностями охлаждения с учетом малой массы и габаритных размеров. Условия охлаждения аппаратуры на больших высотах ухудшаются из-за уменьшения теплоемкости воздуха. Для облегчения теплового режима применяют различные системы охлаждения, усложняющие техническую эксплуатацию радиооборудования, а также термостатирование, термокомпенсацию и термоизоляцию. Другими факторами, определяющими климатические условия, являются давление и влажность воздуха. В условиях пониженного атмосферного давления работает РЭА, эксплуатируемая в горной местности. Пониженное атмосферное давление не только ухудшает условия охлаждения, но и приводит к увеличению проводимости воздуха, что в определенных условиях может вызвать электрические пробои. Перемена давления вызывает изменение диэлектрической проницаемости воздуха и, как следствие, изменение настройки резонансных контуров, что приводит к уходу резонансных частот генераторов, изменению полос пропускания приемных устройств и другим вредным последствиям. Влага, проникающая в радиоаппаратуру, вызывает коррозию металлических деталей, понижает сопротивление изоляции диэлектриков, способствует образованию грибковых образований. В этом состоит основная причина отказов трансформаторов и деталей. В конденсаторах наблюдается увеличение емкости и уменьшение сопротивления потерь; в резисторах – уменьшается сопротивление изоляции и разрушается токопроводящий слой. Под действием влаги ускоряются процессы старения в конструкционных материалах. Главной мерой предохранения РЭА от воздействия давления и влаги является герметизация блоков и узлов, применение специальных влагозащитных покрытий, специальных влагопоглотителей. Одно из опасных воздействий на РЭА – механические нагрузки, возникающие при транспортировке и работе. Удары и вибрации приводят к повреждениям аппаратуры, обрывам проводов, разрушению крепежных соединений, нарушению регулировок. Для работы АРЭО особенно опасны вибрации в диапазоне частот 15–150 и 175–500 Гц. В первом случае возможны резонансные явления в элементах конструкции, а во 11
втором – резонансные колебания электрических элементов. Мерами борьбы с механическими перегрузками являются применение различного рода амортизирующих устройств и рациональное размещение блоков в местах с наименьшими перегрузками. На работу РЭА существенное влияние могут оказывать солнечная радиация, электромагнитные и радиационные излучения. Длинноволновая часть спектра солнечного излучения приводит, в основном, к нагреванию блоков, а коротковолновая оказывает фотохимическое воздействие, что способствует старению материалов, потере упругости, прозрачности и цвета. Мощное электромагнитное излучение может привести к нарушению электромагнитной совместимости РЭО, к перегрузкам входных каскадов приемных устройств, к пробою и выгоранию кристаллических смесителей. Радиационное излучение особенно опасно для аппаратуры, выполненной на полупроводниковых приборах и интегральных схемах, так как приводит к изменению их характеристик. Нежелательные изменения параметров РЭА могут быть вызваны наличием вредных примесей в воздухе: пыли, паров, кислот, соли и т. п. При проектировании и эксплуатации АРЭО следует учитывать действие различных биологических факторов и возможное присутствие в процессе эксплуатации грызунов. Конкретные меры защиты аппаратуры от различных механических и климатических воздействий необходимо применять с учетом вида, типа аппаратуры, норм жесткости, оговоренных в нормативно-технической документации. 2.2. Методы повышения надежности элементов Надежность радиоэлектронной аппаратуры в значительной степени зависит от надежности используемых в ней элементов. Если элементы обладают невысокой надежностью, меры, которые принимаются для обеспечения надежности систем, будут мало эффективны. Поэтому к надежности элементов предъявляют очень высокие требования. Элементы современных радиоэлектронных приборов представляют собой сложные и весьма совершенные технические устройства. Их характеристики зависят от тонких физических процессов, технология их производства весьма сложна и совершенна. Обеспечение высокой надежности этих элементов требует использования высококачественных исходных материалов, поддержания весьма высокого уровня вакуумной гигиены при изготовлении, прецизионного ведения сложнейших технологических процессов производства. 12
Рассматривая проблему обеспечения надежности элементов, следует учитывать, что она состоит из двух частей: обеспечение собственной надежности самих элементов и обеспечение надежности работы элементов в аппаратуре. На элементы РЭА постоянно воздействуют внешние и внутренние эксплуатационные факторы. К первым относятся: температура, влажность, давление и химический состав среды, радиация и другие факторы, влияющие на элементы независимо от того, работают они или нет. Ко вторым факторам относятся напряжения и токи установившихся и переходных режимов работающих элементов и возникающее в связи с этим выделение в элементе тепла, образование электрических и магнитных полей, механические нагрузки. Из-за воздействия эксплуатационных факторов в материалах элементов протекают различные физико-химические процессы, в результате которых возникают обратимые и необратимые изменения в материалах. Обратимые изменения обусловлены обменом материала элемента с внешней средой за счет сорбции и десорбции, температурными изменениями свойств материала и другими явлениями. Необратимые изменения вызываются протеканием в материалах химических реакций, проникновением в них различных веществ из внешней среды, развитием микротрещин в структуре материала и другими процессами. Накопление изменений в материалах приводит к изменению их свойств, параметров элементов и, в конечном счете, к появлению постепенных и внезапных отказов, которые отличаются друг от друга скоростью накопления изменений. Таким образом, существует причинно-следственная связь последовательности событий, приводящих к отказам элементов. На этапах разработки и производства элементов закладывается определенный уровень их надежности, характеризуемый значениями показателей надежности. Определение этих показателей производится статистическими методами на основе результатов испытаний элементов при уровнях внутренних и внешних нагрузок, определяемых техническими условиями. Такие показатели надежности называют производственными. Другой вид показателей определяется реальными эксплуатационными режимами работы элемента. Эти показатели носят название: «рабочие критерии надежности». 13
Существуют следующие основные резервы повышения производственных показателей надежности элементов: ослабление интенсивности протекания в материалах физико-химических процессов, приводящих к изменению параметров элементов; увеличение запасов прочности структуры элемента по всем видам нагрузок; создание равнопрочной конструкции во всех звеньях структуры; применение новых конструктивных решений и новых принципов создания элементов с большими потенциальными возможностями в отношении повышения надежности; отбраковка элементов со скрытыми производственными дефектами. Наиболее перспективным способом повышения производственной надежности является разработка и применение интегральных микросхем (ИМС) и функциональных приборов. Элементы интегральных микросхем, аналогичные обычным радиодеталям и приборам, выполнены и объединены внутри или на поверхности общей подложки, электрически соединены между собой и заключены в общий корпус. В интегральной микроэлектронике сохраняется основной принцип дискретной электроники, основанной на разработке электрической схемы по законам теории цепей. Помимо высокой надежности собственных элементов в интегральных микросхемах очень низкая интенсивность отказов связей между элементами и, поскольку интенсивность отказов системы λΣ формируется из двух составляющих – надежности элементов λi и надежности их связей λ j , снижение второй составляющей приводит к значительному эффекту в части повышения надежности систем λ∑ =
n
k
i =1
j =1
∑ ni λi + ∑ k j λi ,
где n – количество типов элементов i-го вида; k – количество типов связей между элементами; ni, kj – соответственно количество элементов и связей данного типа. Для целого ряда полупроводниковых ИМС связь между элементами внутри полупроводника практически абсолютно надежная. Анализ показывает, что в интегральном исполнении радиоэлектронные узлы имеют надежность на несколько порядков выше надежности 14
аналогичных устройств, выполненных на электровакуумных и полупроводниковых приборах. Повышение надежности элементов может быть достигнуто также приработкой их под нагрузкой, испытаниями и отбраковкой производственных дефектов. Приработка также позволяет стабилизировать параметры оставшихся элементов. Интенсивность отказов при этом снижается до стабильного уровня, соответствующего периоду нормальной эксплуатации. Производственная реализация уровня надежности, заложенного при проектировании и конструировании, определяется степенью технологичности элементов, которая должна учитываться при их разработке, и качеством технологического процесса их производства. Для организации качественного технологического процесса необходимо осуществлять оперативный количественный контроль надежности элементов. Наиболее перспективными методами оперативного контроля становятся методы неразрушающего контроля, позволяющие быстро определять скрытые производственные дефекты изделий и вносить соответствующие коррективы в технологический процесс. Наиболее действенным способом повышения надежности элементов является использование элемента в облегченных режимах работы (режимная избыточность). На рис. 1 показано изменение интенсивности отказов элемента λ в зависимости от коэффициента нагрузки Кн. Из рисунка видно, что при разгруженном режиме работы λ характеристика уменьшается, при этом период нормальной работы элемента увеличивается. λ КН1 >
КН2 > КН3
λ = const t Рис. 1
15
При этом коэффициент нагрузки элемента носит комплексный характер и учитывает влияние на надежность как электрического режима работы элемента, так и различных дестабилизирующих факторов в виде температурных, механических и прочих воздействий. Изменения λ -характеристики для данного вида элемента в зависимости от различных факторов приведены в справочниках по надежности. Повышение надежности элементов не может быть достигнуто какими-либо отдельными мерами совершенствования методов и средств производства. Для достижения этого необходима комплексная стандартизация, предусматривающая разработку нормативно-технической документации, устанавливающей стабильность качества исходных материалов, методы оценки показателей качества материалов и готовых изделий, единство измерений, требований к испытанию элементов и т. д. Высокий уровень надежности элементов, может быть, достигнут лишь тогда, когда сырье, материалы и полуфабрикаты будут соответствовать требованиям стандартов. Стандарт выполняет основную роль движущей силы повышения надежности элементов, так как в нем отражено все передовое, достигнутое ходом научно-технического прогресса. При его разработке исходят из результатов лучших научных работ, определяющих перспективу развития элементов. Таким образом, повышение надежности элементов РЭА является комплексной проблемой, которая требует разработки и внедрения, эффективных и связанных между собой мероприятий в каждом звене замкнутой цепи: разработка – производство – эксплуатация – разработка. 2.3. Методы повышения надежности систем Среди разнообразных методов повышения надежности систем необходимо выделить три большие группы: доэксплуатационные, производственные и эксплуатационные. Рассмотрим каждую из этих групп более подробно. В доэксплуатационных (т. е. при проектировании) методах повышения надежности можно выделить системные, схемные и конструктивные методы. К системным методам относятся организационно-экономические мероприятия по стимулированию повышения надежности и технические мероприятия. К числу таких мероприятий относятся: выбор и обоснование принципов технического обслуживания, выбор основного 16
показателя надежности, назначение норм надежности, распределение норм надежности системы по элементам, составление программы обеспечения надежности. Содержание этих связанных мероприятий во многом зависит от конечной цели, которую стремятся достигнуть. При этом необходимо так сбалансировать затраты на разработку и проектирование изделий с затратами на их эксплуатацию, чтобы общая сумма затрат не превышала заданную при обеспечении наилучших технических характеристик изделий. Схемные методы объединяют мероприятия по повышению надежности объектов путем совершенствования принципов построения этих объектов. К конструктивным методам относятся мероприятия по созданию и подбору элементов, созданию благоприятных режимов работы, принятию мер по облегчению ремонта и т. д. Обычно более надежными оказываются те элементы, которые не имеют перемещающихся деталей, накаливаемых нитей и тонких обмоток. При конструировании транспортной электронной аппаратуры нужно 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, а также при других изменениях режима работы аппаратуры. Должно учитываться изменение параметров материалов и деталей во времени («старение»). Учет старения необходим и для кратковременно работающих объектов, так как они могут применяться после долгого периода складского хранения. При этом целесообразно подбирать номинальные значения параметров элементов таким образом, чтобы обеспечивалась максимальная параметрическая 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. Осуществление блочно-узловых конструкций тесно связано с унификацией элементов и систем, которая произво17
дится 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 отдельных 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, средних и капитальных ремонтов. Выше упоминалось, что отказы, в основном, являются следствием наличия «слабых» элементов со скрытыми пороками. Иначе говоря, одна из основных причин появления отказов состоит в разбросе значений качества элементов. Поэтому значительную часть производственных мероприятий по повышению надежности элементов и систем составляют мероприятия по улучшению однородности выпускаемой продукции. Все эти мероприятия можно свести в четыре группы: совершенствование технологии производства, автоматизация производства, технологические (тренировочные) прогоны, статистическое регулирование качества продукции. Все эти мероприятия 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 производства продукции. Борьба за совершенствование технологии производства с целью получения однородной (т. е. надежной) продукции может быть успешной только в том случае, если она охватывает все стадии производственного процесса от получения сырья до сборки и регулировки систем. Автоматизация производства обеспечивает высокую степень однородности продукции, а следовательно, и высокую надежность изделий. Например, в изготовляемых вручную трансформаторах часто происходят обрывы тонких обмоток. Автоматизация этого процесса обеспечивает равномерное натяжение провода при намотке, из-за чего число обрывов резко сокращается. Технологические (тренировочные) прогоны производятся с целью выявления скрытых производственных дефектов и причин их возникновения. Кроме тренировочных прогонов в условиях, близких к эксплуатационным, могут применяться ускоренные прогоны с тяжелыми ус18
ловиями 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. Эти отказы удается выявить в процессе прогона при вибрационных нагрузках на включенное под электрическую нагрузку изделие. Введение тренировочных прогонов в технологический процесс производства позволяет сократить расходы заводов-изготовителей на гарантийные ремонты. Может быть установлена продолжительность прогона из условия, чтобы суммарные затраты заводаизготовителя на проведение технологического прогона и на ремонты или замены в течение гарантийного срока были бы минимальными. Статистическое регулирование качества продукции также значительно повышает однородность продукции. Основная идея статистического регулирования качества состоит в следующем. Причины, вызывающие отклонения качества продукции, разбиваются на две группы. Одна из них – группа случайных причин – считается недоступной воздействию человека вследствие многочисленных причин и ничтожности каждой из них. Помимо случайных величин, которые всегда существуют в любом производстве, иногда могут появляться «определимые причины», которые могут быть устранены путем сознательного вмешательства в технологический процесс. Если все определимые причины устранены и осталась только постоянная группа случайных причин, то дальнейшего даже незначительного повышения качества продукции можно добиться путем полной перестройки производства, что, как правило, требует очень больших затрат. Поэтому в производстве допускается постоянная система случайных причин, а всякого рода определимые причины устраняются. При этом определимые причины выявляются путем применения статистических методов оценки качества. Так как постоянная группа причин проявляется в постоянном разбросе характеристик качества, то все дело сводится к наблюдению за постоянством разброса значений показателей качества. К эксплуатационным методам повышения надежности систем относятся: четкая организация ремонтно-профилактических мероприятий; 19
эксплуатация систем на базе автоматизированных систем контроля и управления (АСКУ); комплексирование (сбор на одном носители) информации о состоянии комплекса радиоаппаратуры; введение систем автоматизированного диагностирования (установления места неисправности); реализация прогнозирующего контроля, позволяющего предсказать возможный отказ аппаратуры; организация эксплуатации радиокомплексов по состоянию, в отличие от существующих в настоящее время для большинства РЭА регламентных способов обслуживания. Среди всех методов повышения надежности, предусматриваемых при проектировании, особое место занимает использование избыточности, т. е. введение дополнительных средств или возможностей сверх минимально необходимых для выполнения объектом заданных функций. Сам же метод повышения надежности объекта путем введения избыточности принято называть резервированием [1]. Особое место, отводимое этому методу, объясняется тем, что резервирование позволяет наиболее полно решить задачу получения требуемой надежности РЭА при относительно малонадежных элементах. В зависимости от типа создаваемой в объекте РЭА избыточности различают резервирование [1]: структурное, которое предусматривает использование избыточных элементов в структуре объекта (введением дополнительных узлов, блоков и элементов, аналогичных имеющимся); временное, когда используется избыточное время, которое может быть при соответствующей структуре времени в информации, поступающей на объект; информационное, которое предполагает использование избыточности информации, поступающей на объект; функциональное, означающее использование способности элементов и узлов объекта выполнять дополнительные функции; нагрузочное, режимное, предусматривающее использование способности объекта и его элементов воспринимать дополнительную нагрузку. В ряде случаев в объекте могут быть использованы несколько видов резервирования одновременно (структурное и нагрузочное, структурное и временное и т. п.). Следует учитывать, что резервирование связано с возрастанием веса, габаритов, стоимости аппаратуры и в ряде случаев потребляемой мощности электропитания. 20
3. ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ПУТЕМ СТРУКТУРНОЙ ИЗБЫТОЧНОСТИ
3.1. Виды резервирования Обобщенная классификация резервирования приведена на рис. 2. Особое место при этом занимает структурное резервирование. Введение структурной избыточности сводится к использованию в системе избыточных (резервных) элементов, которые не являются необходимыми для функционирования оборудования, а выполняют функции основных элементов при отказе системы. Этот метод называют резервированием (или дублированием, когда используется один основной и один резервный элемент). Таким образом, резервированием называется метод повышения надежности аппаратуры, состоящий в применении избыточного количества элементов для выполнения одной и той же функции. Резервирование изменяет структуру системы, увеличивая ее избыточность. Резервирование, как правило, изменяет, и закон распределения времени безотказной работы того участка системы, в котором оно применено. Резервирование применяется как для повышения безотказности аппаратуры, так и для повышения ее готовности и других показателей надежности. Если при основном соединении элементов общая надежность РЭА всегда ниже надежности самого ненадежного элемента, то при резервировании общая надежность РЭА может быть выше надежности самого надежного элемента. Говоря о структурном резервировании, следует различать основной элемент, т. е. элемент структуры объекта, минимально необходимый для выполнения объектом заданных функций, и резервный, т. е. элемент, предназначенный для обеспечения работоспособности объекта в случае отказа основного элемента. Естественно, что резервный элемент должен обладать характеристиками, аналогичными основному. В качестве резервного элемента может выступать как элемент, комплектующий объект так и сам объект. В соответствии с этим различают резервирование: общее, предусматривающее резервирование объекта в целом. В данном случае резервирующим элементом является аналогичный объект РЭА (рис. 3); раздельное, предусматривающее резервирование отдельных элементов объекта или их групп. В этом случае резервирующим элементом 21
22
Резервирование
по характеру
по крайности
по характеру включения
по характеру резервных элементов
по типу избыточности
по характеру восстанавливаемости резерва
по состоянию резерва
общее
однократное
постоянное
восстанавливаемые
структурное
с восстановлением
нагруженный
раздельное
многократное
замещением
невосстанавливаемые
временное
без восстановления
облегченный
смешанное
информационное
скользящее
функциональное
нагрузочное
Рис. 2
ненагруженный
Рис. 3
Рис. 4
является аналогичный элемент, комплектующий объект или же их группа (рис. 4); смешанное, предусматривающее совмещение различных видов резервирования. Отношение числа резервных элементов к числу резервируемых основных элементов объекта носит наименование кратность резервирования. Различают однократное резервирование, кратность которого равна единице (дублирование), и многократное, кратность которого больше единицы. Многократное резервирование применяют в тех случаях, когда необходимо обеспечить весьма высокие показатели надежности. Присоединение резервных элементов к основным должно производиться параллельно. Существуют три способа включения резерва: постоянное, замещением и скользящее [1]. Постоянным резервированием называют такое, при котором резервные элементы участвуют в функционировании объекта наравне с основными. Естественно, что резервные элементы находятся в таком же режиме, как и основные, и их ресурс работы расходуется с момента включения в работу всего объекта. Так как резервные элементы функционируют наравне с основными, т. е. несут нагрузку, то такой резерв называют нагруженным. Основными достоинствами постоянного резервирования являются: простота включения и мгновенная готовность резерва к работе, так как нет необходимости в подключении резерва вместо основного объекта (элемента). Недостаток постоянного резервирования заключается в том, что с появлением отказов в резерве изменяются параметры всей системы, а это в ряде случаев может привести к изменению режимов работы. 23
Резервирование, при котором функции основного элемента передаются резервному только после отказа основного элемента, называют резервированием замещением. При резервировании замещением обязательно наличие коммутирующего устройства для подключения резервных элементов взамен отказавших основных элементов. Резервирующие элементы могут находиться в различных режимах: нагруженном, облегченном и ненагруженном. Нагруженный резерв (как и при постоянном резервировании) имеет резервные элементы, находящиеся в том же режиме, что и основные элементы. Это позволяет предельно сократить время перехода резервного элемента в рабочее состояние. Облегченный резерв имеет резервные элементы, находящиеся в менее нагруженном режиме, нежели основные. Ресурс работы резервных элементов расходуется с момента включения объекта в работу, но интенсивность расхода до подключения существенно ниже, чем у основных элементов. Поэтому закон распределения времени их безотказной работы несколько отличен от распределения времени безотказной работы основных элементов. Время перехода резервных элементов в рабочее состояние больше, чем при нагруженном резерве. Ненагруженный резерв имеет резервные элементы, практически не несущие нагрузок. Ресурс работы ненагруженного резерва начинает расходоваться только с момента его включения. Время перехода резервных элементов в рабочее состояние наибольшее. Преимущество резервирования замещением состоит в том, что в большей степени может сохраняться ресурс работы резервных элементов (облегченный и ненагруженный резервы), не изменяются режимы объекта (элементов) при отказах, отпадает необходимость в специальных регулировках при отказах, появляется возможность использовать один резервный элемент для резервирования нескольких однотипных основных элементов. К недостаткам нужно отнести: необходимость коммутирующего устройства для подключения резерва, дополнительного времени на переключение резерва и выход его на режим. Включение резервных элементов может осуществляться вручную или автоматически (автоматическое резервирование). Резервирование замещением, при котором группа основных элементов объекта резервируется одним или несколькими резервными элементами, 24
Логическое устройство и коммутатор
Рис. 5
каждый из которых может заменить любой отказавший основной элемент в данной группе называют скользящим резервированием (рис. 5). Следует отметить одну важную особенность резервирования замещением – возможность восстановления вышедшего из строя резерва в то время, пока объект работает с другими резервными элементами. Это позволяет существенно повысить вероятность безотказной работы, так как наработка на отказ всегда больше среднего времени восстановления. Необходимо отметить, что резервирование может быть с восстановлением любого основного и резервного элемента в процессе эксплуатации объекта и без восстановления. Сам резервный элемент может быть восстанавливаемым, т. е. в случае отказа подлежит восстановлению, и невосстанавливаемым. 3.2. Показатели надежности систем со структурной избыточностью На рис. 3 и 4 приведены схемы общего и раздельного резервирования функциональных частей радиоэлектронной системы. Представляется целесообразным произвести оценку показателей надежности таких схем и дать их сравнительную характеристику. Полагаем, что основные и резервные элементы приведенных схем имеют равные вероятности безотказной работы. Вероятность наступления отказа всей системы при общем резервировании определяется одновременным отказом основной и m резервных цепей [2]. Вероятность отказа основной цепи n
Qосн (t ) = 1 − ∏ Pi (t ); i =1
25
для всей системы m
Qc (t ) = Qосн (t )∏ q j (t ). j =1
Зная, что Qосн (t) = qj (t), получим Qc (t ) = 1 −
Pi (t ) i =1 n
∏
m +1
.
Переходя к вероятности безотказной работы,
Pобщ (t ) = 1 − 1 −
Pi (t ) i =1 n
∏
m +1
,
(3.1)
где n – количество элементов основной цепи; Рi(t) – вероятность безотказной работы i-го элемента основной цепи; m – количество резервных цепей. Из формулы (3.1) можно определить необходимое количество резервных цепей для получения заданной вероятности безотказной работы системы при общем резервировании m=
ln[1 − Pобщ (t )] ln[1 −
n
∏ Pi (t )] − 1
.
(3.2)
i =1
При экспоненциальном законе надежности, когда Pi = e −λit , при Pобш (t ) = 1 − 1 − e − nλit
m +1
= 1 − 1 − e −Λt
m +1
,
одинаковой надежности элементов для общего резервирования, полагая nλi = Λ, ∞
∞
(
Tобщ = Робщ (t ) dt = 1 − 1 − e −Λt 0 0
∫
=
26
1 Λ
∫
m
∑
j =0
)
m +1
dt =
m 1 1 = Tcp0 = Tcp0 Am , j +1 j =0 j + 1
∑
Am , (3.3) Λ где Λ – интенсивность отказов цепи; Т ср – среднее время безотказной работы не резервированной цепи. Для численных значений кратности резервирования ниже приведены значения Аm для различных m. Tобщ (t ) =
m 1 2 3 4 5 1,5 1,83 2,08 2,28 2,45 Аm Для схемы с раздельным резервированием i-й группы элементов вероятность безотказной работы
Pi (t ) разд = 1 −
m +1
∏ [1 − Pi (t )] = 1 − [1 − Pi (t )]
m +1
.
i =1
Вероятность безотказной работы всей системы при поэлементном резервировании Pразд (t ) =
∏{1 − [1 − Pi (t )] n
m +1
i =1
}.
(3.4)
Если все элементы обладают одинаковой вероятностью безотказной работы р(t), то для обеспечения требуемой надежности число резервных цепей при поэлементном резервировании m = ln 1 − n Pразд (t ) / ln[1 − pi (t ) − 1.
(3.5)
Для раздельного резервирования и экспоненциального закона надежности при одинаковой вероятности отказов всех элементов
(
Pразд (t ) = 1 − 1 − e−λit ∞
∫
Tразд = Pразд (t )dt = 0
где ν j =
(n − 1)! λ (m + 1)
m
)
m +1 n
,
∑ ν j (ν j + 1)...(ν j + n − 1) , 1
(3.6)
j =0
( j + 1) . (m + 1) 27
Из анализа схем построения систем при общем и раздельном (поэлементном) резервировании с учетом выражений (3.1)–(3.6) следует, что раздельное резервирование (в предположении абсолютной надежности устройств переключения резервных элементов) приводит к большому эффекту в повышении надежности системы по сравнению с общим резервированием. Сравнительную оценку эффективности общего и раздельного резервирования произведем на гипотетическом примере: оценке надежностей системы, у которой все блоки равнодежные. При этом Pi = 0,9; m = 1; n = 3. Для этой системы безотказность работы при общем резервировании (3.1) n Pоб (t ) = 1 − 1 − ∏ Pi (t ) i =1
m −1
= 0,92.
При раздельном резервировании по формуле (3.4) n
m +1 Pр (t ) = 1 − (1 − Pi ) ≡ 0,97.
Из сравнительной оценки результатов расчета видно, что для нашего случая при раздельном резервировании надежность системы выше приблизительно на половину порядка. Однако раздельное резервирование в реальных условиях требует гораздо большего количества переключателей и устройств контроля технического состояния и резервных элементов системы. Эти устройства обладают своей ненадежностью, что необходимо учитывать при построении систем со структурной избыточностью. Всегда следует иметь в виду, что резервирование целесообразно применять в системах, у которых большие последствия отказов (средства управления воздушным движением, зенитно-ракетные комплексы и др.). Построение таких систем требует проведения очень серьезного конструктивного и экономического предварительного анализа. При этом должны учитываться всевозможные тактические задачи, возложенные на систему. Это вызвано тем, что во всех случаях резервирование приводит к росту стоимости, массы габаритов и энергопотребления системы. 28
3.3. Оптимизация резервирования Под оптимальным резервированием понимают резервирование, обеспечивающее получение наибольшего эффекта повышения надежности с минимальными затратами [1]. Под «затратами» понимают факторы, определяющие оптимальность резервирования в зависимости от конкретных требований. Максимальная надежность аппаратуры с раздельным резервированием может быть обеспечена только лишь при некотором оптимальном числе резервирующих элементов, если известна вероятность отказов коммутирующих устройств и кратность резервирования. Осуществляя оптимизацию резервирования с учетом ограничений по стоимости, весу или габаритам, следует рассматривать два аспекта этой задачи: 1) обеспечение заданной надежности при минимальных затратах на резервирование; 2) обеспечение максимальной надежности при известных допустимых затратах на резервирование. Реализацию оптимизации системы (объекта) можно представить в виде следующего процесса: в качестве исходной рассматривается система (объект) без резерва, а затем отыскивается участок для резервирования, дающий наилучший результат. Далее отыскивается новый участок резервирования для новой системы (системы с одним зарезервированным участком). Аналогично процесс продолжается до тех пор, пока не будет удовлетворено условие одной из задач. 4. ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ НА ЭТАПАХ ЭКСПЛУАТАЦИИ
4.1. Основные характеристики процесса эксплуатации Отдавая должное роли первых двух этапов жизненного цикла техники (конструирование и производство), следует считать, что этап эксплуатации является определяющим при обеспечении требуемого уровня надежности. Совокупность мероприятий, проводимых в определенной последовательности и протекающих во времени, образует технологический процесс эксплуатации. В этом процессе операции технического контроля состояния объекта, регулирования параметров РЭО, восстановления работоспособности аппаратуры являются важнейшими и впрямую направлены на обеспечение эксплуатационной надежности авиационного 29
радиоэлектронного оборудования. В соответствии с ГОСТ 2412–80 указанный комплекс операций представляет собой систему технического обслуживания (ТО) [3]. При выборе и обосновании методов ТО в качестве основного требования выдвигается необходимость обеспечения безопасности и регулярности полетов при возможно малых эксплуатационных затратах. Действие множества случайных факторов, дестабилизирующих нормальную работу аппаратуры, приводит к тому, что время наступления отказа АРЭО является случайной величиной. По характеру возникновения отказы АРЭО разделяют на внезапные и постепенные. Внезапные отказы в большинстве своем непредсказуемы и вызваны случайными проявлениями скрытых дефектов, различными случайными химико-физическими изменениями в материалах и элементах конструкции РЭА. Постепенные отказы вызваны процессами старения и износа аппаратуры. Накопление постепенных отказов в аппаратуре обусловлено относительно медленными изменениями параметров элементов под влиянием различных нагрузок. Обычно значения изменений возрастают с течением времени, что в конце концов приводит к выходу одного или нескольких параметров за пределы эксплуатационных допусков. Во время эксплуатации возможно такое состояние РЭА, когда ее выходные параметры находятся в пределах допусков, а параметры элементов – за пределами установленных допусков. Такие элементы являются потенциальными источниками отказов и должны быть выявлены при ТО. Для своевременного предупреждения отказов необходимо знать и количественно описать процессы накопления отказов во времени. 4.2. Изменения параметров в процессе эксплуатации Знание закономерностей накопления отказов позволяет определить сроки выполнения профилактических работ. Существуют различные способы количественного описания процессов накопления неисправностей во времени. Основной из них базируется на знании закономерности изменения параметров элементов во время эксплуатации. Поскольку процесс изменения параметров является случайным, задача описания накопления неисправностей сводится к определению времени t1 , t2 ,…, tn пересечения реализаций случайной функции y(t), описывающей изменение параметра, с уровнем допуска на этот параметр yдоп (t) (рис. 6). 30
y(t)
y (t)
yдоп
t t1
t2
, ....,
tn
Рис. 6
При решении этой задачи считают, что параметр y(t) в каждый момент времени имеет нормальное распределение с математическим ожиданием y (t) и среднеквадратическим отклонением δ y (t), которые, в свою очередь, являются функциями времени. Если известны y(t) и δ y (t) в любом сечении по оси времени, то вероятность того, что элемент исправен, равна вероятности того, что значение параметра в данный момент времени превышает уровень допуска yдоп:
P (ti ) = P y (ti ) > yдоп =
∞
∫ f ( y, t ) dt ,
yдоп
где f ( y, t ) – плотность распределения параметра y в момент времени t. Для определения этих вероятностей необходимо знать математическое ожидание параметра и среднеквадратическое отклонение в каждый момент времени. При отсутствии полных статистических данных можно пользоваться методом статистической линеаризации случайной функции изменения параметров, который позволяет описать процесс при минимуме статистической информации по результатам измерения параметров в двух достаточно удаленных друг от друга сечениях по оси времени. Вероятность исправной работы элемента в данный момент времени yi еще не определяет надежность, поскольку надежность есть функция времени. Чтобы определить, насколько изменяется вероятность отказа 31
при эксплуатации элемента в течение времени, ∆t, т. е. описать процесс накопления неисправностей, можно поступить следующим образом: определить вероятность отказа в момент времени ti и ti + ∆ t ; затем вычислить приращение вероятности появления отказа элемента за время ∆t:
∆Q ( ∆t ) = Q (ti + ∆t ) − Q (ti ) . Определив приращение вероятности отказа в достаточно большом числе сечений оси времени, можно построить гистограмму, которая будет показывать процесс накопления неисправностей во времени. Таким образом, может быть описан процесс накопления неисправностей АРЭО в том случае, если возможно определить процесс постепенного изменения параметров элементов. Процесс накопления внезапных отказов АРЭО можно описать на основе статистических данных о времени безотказной работы элементов. Известно, что время безотказной работы элементов в случае их внезапных отказов распределяется по экспоненциальному закону с плотностью вероятности f (t ) = exp ( −λt ) ,
где λ – интенсивность внезапных отказов. Процесс предотвращения отказов в общем виде заключается в том, что при достижении параметром РЭА значения, равного упреждающему допуску (ГОСТ 2412–80), параметр определенным образом будет возвращен в область работоспособности, предусмотренную нормативно-технической документацией. Введение упреждающих допусков позволяет значения параметров разделить на три области, соответствующие трем состояниям объекта: исправному, предотказовому, требующему проведения работ по предотвращению отказа, и неработоспособному. Необходимость проведения работ по предотвращению отказов, т. е. по управлению техническим состоянием, определяется в процессе ТО. В связи с этим в любой структуре ТО должна быть выработана система правил управления техническим состоянием объекта. Такая система правил составляет стратегию технического обслуживания. В системе ТО АРЭО ГОСТ предусматривает два основных вида стратегии: по наработке и по состоянию. 32
4.3. Стратегия технического обслуживания по наработке Стратегия ТО по наработке определяется как стратегия, согласно которой перечень и периодичность выполнения операций по профилактике определяются значением наработки изделия с начала эксплуатации или после капитального (среднего) ремонта. Использование данной стратегии предусматривает единые для всех однотипных элементов определенных систем перечень и периодичность выполнения работ по ТО. Анализ отказов современной РЭА показывает, что в конструкции многих типов оборудования имеется сравнительно небольшое число элементов с повышенной интенсивностью отказов (магнитроны, клистроны, антенные переключатели и др.). Обычно число таких элементов невелико по сравнению с общим числом элементов радиосистемы. Отказы их носят внезапный характер и в конечном итоге приводят к увеличению времени ремонта, ухудшению коэффициента готовности, снижению других показателей надежности. В современных условиях единственным способом предотвратить отказы системы за счет выхода из строя слабых по надежности элементов является их своевременная замена. Правило замены элементов должно быть таким, чтобы обеспечить наименьшие в среднем потери при эксплуатации и повысить надежность АРЭО в целом. Успешное решение задачи обеспечивается разработкой стратегии ТО по наработке. В качестве показателя системы ТО, на основе которого решается задача определения оптимального времени наработки, по истечении которого элемент заменяется при эксплуатации системы, принимается коэффициент оперативной готовности элемента. Физический смысл коэффициента состоит в вероятности застать элемент в исправном состоянии в момент времени t и проработать после этого времени в течение ∆t. Решение задачи ТО по наработке подробно описано в технической литературе [4]. В настоящее время для любого средства обеспечения полетов, находящегося в эксплуатации, разработаны регламенты технического обслуживания по наработке, которые являются обязательными при эксплуатации радиооборудования и средств связи на авиапредприятиях. 33
4.4. Прогнозирующий контроль технического состояния авиационного радиооборудования как основа стратегии технического обслуживания по состоянию Как указывалось ранее, наиболее прогрессивным способом технического обслуживания, в отличие от регламентного способа, является обслуживание по состоянию. При этом крайне эффективным средством улучшения апостериорных показателей надежности обслуживаемых объектов является применение прогнозирующего контроля (ПК), основной задачей которого является определение остатка времени жизни ∆tж контролируемого объекта. В самом общем виде задачу прогноза применительно к проблеме прогнозирующего контроля можно сформулировать следующим образом. Задана допусковая область [a, b] такая, что при выполнении неравенства a < y < b объект считается работоспособным. На временном интервале [0, tk ] осуществляется наблюдение за состоянием конкретного объекта с номером j, в результате чего становится известным отрезок реализации y j (t ) случайного процесса изменения значения его определяющего параметра на этом интервале a < y j (t ) , 0 ≤ t ≤ tk . Требуется оценить остаток времени жизни ∆Tж данного объекта, т. е. время, в течение которого параметр будет находиться в допуске после момента времени tk . Естественным путем решения этой задачи является продолжение отрезка реализации y j (t ) , 0 ≤ t ≤ tk в область t > tk и определение искомого остатка времени жизни ∆Tж как наименьшего из корней уравнения yˆ j (t ) − a = 0 или yˆ j (t ) − b = 0, где yˆ j (t ) – продолжение исследуемой реализации в область t > tk. Таким образом, необходимым элементом прогноза в данной постановке является экстраполяция известной части реализации в область будущих значений. В случае, когда для принятия решения используется время жизни, говорят о прогнозировании надежности. Если используется непосредственно будущее значение реализации, говорят о прогнозировании технического состояния. Различают математические и аппаратурные методы прогноза. Математические методы основаны на применении различных теорий: численного анализа, случайных функций, вероятностей, распознавания образов и игр. При техническом обслуживании авиационной РТА наиболее целесообразно использовать прогнозирующий контроль постепенных отказов средств обеспечения полетов, ибо доля такого вида отказов 34
в этих средствах значительна. Здесь мы имеем дело с монотонно возрастающими или монотонно убывающими во времени значениями параметров. В этом случае целесообразно применять аппарат численного анализа, когда вместо контролируемой функции параметра y(t) выбирают достаточно простую для вычисления интерполирующую функцию Bи(t) таким образом, чтобы ее значения были равны значениям функции y(t) в одинаковые моменты времени. Чаще всего функцию Bи(t) отыскивают в виде алгебраического многочлена, получая при этом на небольших отрезках времени достаточно хорошее приближение. В этом случае задача экстраполирования может быть сформулирована следующим образом. По данным значениям t = t1 , t2 ,..., tn и y (t ) = y (t0 ) , y (t1 ) ,..., y (tn ) необходимо найти многочлен Bи (t ) = y (t ) степени n удовлетворяющий условиям Bи (t0 ) = y (t0 ); Bи (t1 ) = y (t1 ) ,...,
Bи (tn ) − y (tn ) ≤ ε1 ; Bи (tn +1 ) − y (tn +1 ) ≤ ε 2 ,..., Bи (tn + m ) − y (tn + m ) ≤ ε n ,
где ε1 , ε 2 ,..., ε n – заданные величины, а y y (tn +1 ) ,..., y (tn + m ) – неизвестные значения функции y (t) в области T2. На рис. 7 показаны области времени с известными и неизвестными значениями y. При этом в интервале времени Т1 – значения параметра y известны; в интервале времени Т2 – значения параметра y неизвестны. По результатам измерений параметра в области известных значений проводится статистическая обработка результатов и таким образом определяется значение параметра y(t) в данной временной точке и усBи(t) танавливается закономерность изменения параметра. Эта закономерность дает возможность установить значение y в области Т2. T1 T2 Критерием отказа является время достижения границы допустимого значения параметра tn tn+1 tn+2 Время, t или установленного значения t0 t1 упреждающего допуска. Рис. 7 35
Многочлен Bи(t) обычно имеет вид
Bи (t ) = a0 + a1t + a2t 2 + ... + ant n , где неизвестные значения а i находятся решением системы из n + 1 уравнений с n + 1 неизвестными. В зависимости от вида многочлена на практике могут быть использованы различные формулы: Лагранжа, Ньютона, наименьших квадратов и др. Аппаратурные методы прогнозирования могут быть двух видов: прогнозирование при нормальном режиме работы РТА, прогнозирование при специальных режимах работы аппаратуры. В первом случае предполагается, что параметры РТА изменяются линейно. При этом легко определяется отрезок времени, через который предполагается, что параметры РТА изменяются, необходимо произвести профилактические работы по результатам двух предыдущих измерений. Во втором случае аппаратура должна работать в специальном режиме, который создается изменением режимов питания аппаратуры или другими способами. Специальный режим приводит к изменению определяющего параметра, по которому можно определить время безотказной работы системы. Реализация прогнозирующего контроля на базе автоматизированных систем контроля, диагностирования и управления (АСКДУ) является сложной инженерной задачей. Вопросы прогнозирующего контроля подробно изложены в специальной литературе. 4.5. Стратегия технического обслуживания по состоянию Стратегия ТО по состоянию – это стратегия, согласно которой перечень и периодичность выполнения операций определяются фактическим состоянием изделия в момент начала ТО. Данная стратегия более прогрессивна по сравнению со стратегией по наработке. Стремление к ее использованию вызвано тем, что планово-предупредительная система ТО не позволяет устранить противоречие между возросшим объемом работ и требованием обеспечения необходимого качества функционирования авиационной техники. При этом объем и периодичность работ определяются по результатам непрерывного или периодического контроля технического состояния каждого изделия [3]. Периодичность контроля может назначаться 36
индивидуально для каждого изделия на основе его технического состояния. Признаком, на основе которого выполняется та или иная операция ТО, служит предотказовое состояние АРЭО. В зависимости от способов определения предотказового состояния различают два вида стратегии ТО по состоянию: с контролем параметров и с контролем уровня надежности. В первом случае признаком предотказового состояния является значение параметра. Предотказовое значение устанавливают расчетным или опытным путем. Стратегия по состоянию с контролем параметров используется в системе ТО таких РЭС, отказы которых влияют на безопасность полетов. Поскольку в процессе определения технического состояния РЭО могут быть ошибочные решения, эффективность системы ТО в этом случае в значительной мере будет определяться характеристиками средств контроля. Высокое качество эксплуатации должно обеспечиваться применением АСКДУ. Признаком технического состояния при контроле уровня надежности является возникновение отказа. Следовательно, использование стратегии обслуживания по состоянию при оценке надежности возможно только для авиационной техники, отказы которой не влияют на безопасность полетов. Этот вид обслуживания предполагает контроль надежности на основании статистических данных по отказам группы однотипных изделий и включает следующие виды работ: сбор и обработку статистической информации о надежности элементов и узлов РТА, разработку методики и определение допустимого уровня надежности, разработку рекомендаций по поддержанию требуемого уровня безотказности. Если при планово-предупредительной системе ТО решение о проведении определенных видов ТО принимается априорно, без установления фактического состояния эксплуатируемого АРЭО, то в системе ТО по состоянию проведению операций ТО предшествует процедура определения технического состояния аппаратуры. При хорошем техническом состоянии необходимость в проведении ряда операций по ТО отпадает. Именно в этом суть преимущества такого вида обслуживания по состоянию с контролем параметров. Однако эта стратегия окажется более выгодной только при определенных условиях, которые и предстоит выявить с помощью обоснованного критерия. При установлении фактического состояния РЭО (исправного или неисправного) с помощью системы контроля и возможных ошибочных решений могут быть следующие заключения о состоянии АРЭО: «ис37
правное» с вероятностью p и «неисправное» с вероятностью q. При этом в качестве условных рисков принимаются потери, которые целесообразно выразить в стоимостных оценках. Стоимостные оценки при этом следующие: Сопр– затраты на определение технического состояния РЭО, СТО – затраты на операции ТО, выполняемые по результатам определения технического состояния; Снв– потери вследствие невыполнения оперативной задачи, так как к обеспечению производственной деятельности авиапредприятия может быть допущено неисправное оборудование. Составляющие рисков могут быть определены в каждом конкретном случае для любого типа оборудования. Средний условный риск [3] может быть представлен
(
)
R = p (1 − α ) Сопр + α Сопр + СТО + + q β Сопр + Снв + (1 − β ) Сопр + СТО . Поскольку в планово-предупредительной системе ТО при любом обслуживании затраты равны СТО, то критерий γ = СТО / R может служить технико экономическим критерием эффективности системы ТО. Тогда
(
γ=
(
)
)
СТО (1 − α ) Сопр + α Сопр + СТО + р
(
(
)
)
(
)
+ q β Сопр + Снв + (1 − β ) Сопр + СТО . В представленное выражение критерия кроме чисто экономических затрат СТО, Сопр, Снв входят вероятности ошибочных решений α и β. Эти величины определяются характеристиками объекта эксплуатации и характеристиками средств контроля технического состояния. Следовательно, критерий γ устанавливает связь между надежностными характеристиками объекта эксплуатации, показателями системы контроля и экономическими факторами. Наиболее наглядно преимущество системы ТО по состоянию с контролем параметров проявляются, если определение ТО будет производиться безошибочно, т. е. при α = β = 0. В этом случае γ=
38
СТО
(Сопр + qСТО )
или γ =
1 Сопр СТО + q
.
Преимущества системы ТО по состоянию еще больше возрастут, если затраты на определение технического состояния будут существенно меньше затрат на ТО, т. е. Сопр