2.2.2. Методы испытаний на надежность технических средств

Основные сведения. Испытать ТС ИС на надежность – значит, установить, какой надежностью они обладают на основании непрерывного наблюдения за состоянием их работоспособности в условиях, предписанных методикой испытаний.

Испытания на надежность являются обязательными при изготовлении технических средств. Методики проведения испытаний ТС на надежность представлены в соответствующих нормативно-технических документах.

По назначению испытания на надежность подразделяются на три вида:

1. Определительные испытания, в результате которых определяются количественные значения показателей надежности, как точечные, так и интервальные;

2. Контрольные испытания, в результате которых контролируемые средства по некоторым признакам (отсутствие отказов на заданном интервале времени, число отказов в случайный момент времени и т.д.) и с заданным риском относят либо к годным, либо к негодным по уровню надежности;

3. Специальные испытания, проводимые для исследования некоторых явлений, связанных с оценкой надежности(определение долговечности, исследование влияния отдельных факторов на показатели надежности и т.д.)

Для сокращения трудоемкости испытаний и уменьшения затрат на их проведение применяют специальные приемы:

1. Ускорение испытаний путем создания условий, приводящих к ускорению процесса возникновения отказов;

2. Исключения «аномальных» результатов измерений;

3. Использование косвенных признаков прогнозирования отказов;

4. Индивидуальное прогнозирование надежности на основе распознавания образов (выбор прогнозирующей функции);

5. Использование предварительной информации о надежности испытуемого средства и повышение достоверности информации путем проведения испытаний.

Методы реализации определительных испытаний. Возможны два вида определительных испытаний:

1. На испытании ставится М средств. Отказавшие изделия не восстанавливаются. Испытания продолжаются: до отказа всех средств; заданного времени Т; получения заданного числа отказов N;

2. На испытания ставится М средств. В процессе испытаний отказавшие изделия восстанавливаются. Испытания продолжаются до: заданного времени Т;

1. Определительные испытания без восстановления отказавших элементов. Пусть выбраны М однородных образцов, которые работают в одинаковых условиях до отказа каждого из них. В результате проеденных испытаний получены значения времени работы до отказа t_i. По полученному множеству {t_i} рассчитываются следующие оценки:

• Среднее значение времени работы до отказа (наработка до отказа):

• Исправленное среднеквадратическое отклонение времени работы до отказа:

• Среднеквадратическое отклонение среднего времени работы до отказа относительно его среднего значения:

Для определения статической достоверности полученных экспериментальных результатов необходимо для соответствующей доверительной вероятности определить доверительные интервалы, для чего надо знать закон распределения случайной величины. Доверительный интервал для неизвестного среднего при предположении о том, что время работы до отказа распределенного по нормальному закону, может быть определен для доверительной вероятности из соотношений:

Необходимое число образов технического средства для испытаний, которые обеспечило бы результаты испытаний с заданной точностью и достоверностью, может быть получено по формуле

Продолжительность испытаний можно определить по заданной вероятности того, что ТС, поставленное на испытание, откажет. Вероятность возникновения отказа при экспоненциальном законе распределения . Следовательно, продолжительность испытаний может быть определена по формуле

Реализация определительных испытаний без восстановления отказавших образцов требует значительного времени и большого числа испытываемых образцов. Применение восстановления отказавших образцов позволяет сократить их число. Сокращение продолжительности испытаний достигается за счет:

1. Увеличение числа образцов;

2. Снижение требований к точности

Примечание. Невозможно одновременно сократить время испытаний на надежность с восстановлением отказавших элементов.

2. Определительные испытания с восстановлением отказавших элементов. Основное отличие метода реализации определительных испытаний с восстановлением заключается в том, что эмпирическая функция распределения случайных значений характеристики надежности известна лишь для некоторого интервала времени. В процессе испытаний с восстановлением измеряются как времена наработки до отказа, так и времена восстановления.

При нормальном законе распределения, который имеет место при большом числе отказов (20 и более), определение доверительных интервалов осуществляется по правилам предыдущего метода. При небольшом числе отказов (менее 20) имеет место х² – распределение. Методика определения доверительных интервалов в этом случае остается такой же, как и для нормального распределения. Если случайная величина t распределена по закону х² (рис. 2.6.), то из площади, ограниченyой плотностью f(x²), «вырезается» площадь, соответствующая заданной доверительной вероятности у, чтобы остающиеся справа и слева части были одинаковы:

Правая и левая границы «вырезанной» площади соответствуют верхнему х_в² и нижнему х_н² значениям доверительного интервала. Из практики испытаний на надежность установлено, что отношение

Определение доверительного интервала для Т₀ – это то же, что определение доверительного интервала для . Таким образом, получаем значения нижней и верхней границ доверительного интервала для . Значения х_в² и х_н² определяются по таблице х² – распределения.

Исходными данными для вычислений являются:

Определение доверительного интервала для . Особенностью данной задачи является тот факт, что коэффициент готовности - это случайная величина, являющаяся функцией двух случайных величин : Т_о и Т_в:

Учитывая, что Т_о и Т_всвязаны с распределением х² соотношениями , а также, что отношение х²(Т_о) к х²(Т_в) распределяется по закону F–распределения (х²(Т_о) / х²(Т_в) = F), получают нижнее и верхние значения для коэффициента готовности К_г по следующим формулам:

Значения F_в и F_н определяются по таблице F– распределения. Исходные данные - число степеней свободы(число восстановлений).

Методы реализации контрольных испытаний. 1. Испытания при числе допустимых отказов, равном нулю (N = 0). На испытания ставятся М образцов ТС. Продолжительность испытаний - t_и, ч. Если при испытаниях не было отказов, то технические средства считаются удовлетворяющими требованиям надежности. Расчетом определяют либо t_и при заданном М, либо М при заданном t_и, т.е. - общая наработка образцов в период испытаний. Требуемая наработка рассчитывается по формуле

Где T_0н – нижнее значение Т_о, которое подтверждается испытаниями при отказов; х² (при k = 2N + 2, N = 0), p = 1 – y) – значение х², соответствующее доверительной вероятности у при числе отказов N = 0 (k = 0 + 2 = 2).

По результатам испытаний не определяется значение показателя надежности, а лишь устанавливается , что он не ниже какого-либо значения.

2. Испытания, основанные на последовательном анализе. Сокращения времени испытаний можно добиться, если декомпозировать период испытаний на этапы, на каждом этапе анализировать результаты и принимать одно из решений:

А) прекратить испытания, так как есть уверенность, что образцы удовлетворяют требованиям надежности (наработка до отказа Т_ов>Т_ов¹);

Б) прекратить испытания, так как можно считать, что требования надежности не удовлетворяются, потому что образцы имеют Т_ов<Т_ов¹;

В) продолжать испытания, так как вывода сделать нельзя.

Основной методики получения результатов испытаний является отнесение образцов либо к группе ТС, забраковка которых может быть произведена с малой вероятностью а, которая определяет риск поставщика (ошибка 1-о рода), либо к группе ТС, приемка которых может быть допущена с малой вероятностью В, которая определяет риск заказчика (ошибка 2-го рода).

До начала испытаний по заданным Т_н, Т_в, а и В строится график следующего вида (рис. 2.7.). Построение линий 1 и 2 осуществляется на основе следующих выражений:

После этого проводят испытания и график наносят точки, соответствующие числу N(отказов) за время t. Если точка выше линии браковки 1, то изделие ненадежно, если ниже линии приемки 2, то надежно,а если она в зоне неопределенности, то испытания продолжаются. Испытания, основанные на последовательном анализе, рекомендуются для стадии серийного производства ТС.

Заключение по результатам испытаний, проведенных методом последовательного анализа, может быть сформулировано следующим образом:

1) в случае положительного результата делается вывод, что испытуемые образцы принадлежат с требуемой вероятностью (1 – а) к категории средств, обладающих высоким уровнем надежности, а с допустимой вероятностью В – к категории средств, обладающих низким уровнем надежности. На этом основании испытанные образцы принимаются в эксплуатацию;

2) в случае отрицательного результата делается вывод, что образцы принадлежат с высокой вероятностью (1 – В) к категории средств, обладающих низким уровнем надежности и ниже это уровня, а с

Малой вероятностью а – к категории средств, обладающих высоким уровнем надежности. Испытанные образцы бракуются.

Рекомендации по проведению испытаний на надежность. Комплекс ТС ИС обладает тремя особенностями, которые необходимо учитывать при планировании их испытаний на надежность:

1) длительный процесс проектировании и создания оригинального комплекса ИС требует, чтобы испытания на надежность были непрерывными, т.е. состояли из этапов, дополняющих друг друга;

2) поскольку комплекс ТС ИС включает в себя разнообразную аппаратуру, построенную на различной элементной базе, то испытания на надежность должны состоять из набора программ испытаний, учитывающих специфику устройств, приборов и объем производства аппаратуры, входящей в комплекс ТС;

3) на надежность ТС оказывают влияние разнообразные факторы, поэтому в процессе испытаний на надежность необходимо выявить характер этого влияния в различных режимах работы системы.

Общие рекомендации по проведению испытаний на надежность ТС:

1) испытания на надежность должны представлять собой систему взаимосвязанных и дополняющих друг друга испытаний, которые сопровождают процесс создания ТС от этапа проектирования до сдачи потребителю. Сама эксплуатация также является испытаниями на надежность, в результате которых собирается, обрабатывается, обобщается и хранится информация о проявлении надежности свойств различных ТС основных частей системы;

2) испытаниям на надежность следует подвергать ТС, предварительно проверенные на работоспособность;

3) в состав комплекса испытаний на надежность следует включать разнообразные виды испытаний и использовать различные методы, отвечающие особенностям испытуемых объектов;

4) испытания на надежность целесообразно подразделить на следующие этапы: испытания надежности частей комплекса ТС; испытания надежности частей комплекса ТС; испытания комплекса ТС ИС в целом; уточнение оценки надежности ТС в процессе эксплуатации ИС;

5) наиболее рационально применять расчетно-экспериментальный подход к оценке надежности ТС;

6) каждая большая ИС (ЧМС, АСОИУ и др.) требует разработки своей технологии (системы) испытаний на надежность, отражающей ее особенности.