книги из ГПНТБ / Поне Ю.П. Расчет и конструирование аппаратуры проводной связи учеб. для техникумов

выполняемые ею функции. Отсюда важность теории надежности, основной задачей которой является разработка методов расчета и обеспечения надежности изделий (элементов, блоков, приборов, систем), т. е. их способности выполнять заданные функции в за­ данных условиях эксплуатации в течение определенного вре­ мени.

Надежность — важнейший технический параметр аппаратуры, расчет и обеспечение которого имеют свои трудности. Они заклю­ чаются, во-первых, в том, что на надежность оказывают влияние главным образом случайные факторы и, во-вторых, в том, что количественные показатели, которыми можно характеризовать надежность, требуют для своего определения длительного наблю­ дения за работой аппаратуры.

Определения. Надежность изделия обусловливается его безот­ казностью, ремонтопригодностью, сохраняемостью и сроком службы (долговечностью).

Б е з о т к а з н о с т ь — свойство изделия сохранять рабо­ тоспособность в течение некоторой наработки без вынужденных перерывов. Р е м о н т о п р и г о д н о с т ь — приспособленность

(долговечностью) оценивают продолжительность жизни аппара­ туры. Например, срок службы современных телефонных станций можно условно определить в 40 лет. В пределах этого срока на станциях могут наблюдаться, конечно, неисправности, однако, после их устранения аппаратура должна вновь удовлетворять предъявляемым к ней требованиям. За пределами срока службы дальнейшая эксплуатация аппаратуры становится невыгодной, так как обычно возникает необходимость в ремонте, стоящем дороже приобретения и установки новой станции. Однако это относится не ко всем видам аппаратуры. Встречаются и такие изделия, ремонт которых за пределами установленного срока их службы может оказаться выгоден но, само собой разумеется, лишь в случае, если они не успели устареть в техническом («мо­ ральном») отношении.

Следовательно, сроком службы (долговечностью) изделия на­ зывается время от начала эксплуатации до наступления механи­ ческой или экономической нецелесообразности дальнейшего его использования. По отношению к схемным элементам, не подле­ жащим ремонту, сроком службы называют время до первой неисправности. Некоторую часть общего срока службы состав­ ляет г а р а н т и й н ы й с р о к с л у ж б ы — условное время в течение которого завод-изготовитель безвозмездно производит устранение неисправностей.

50

Всякую аппаратуру собирают из отдельных элементов и дета­

никовые приборы, резисторы, конденсаторы, разъемы, переклю­ чатели, трансформаторы, реле и многие другие изделия. Некото­ рые из этих изделий (например, трансформаторы и реле) следовало бы отнести к узлам, так как они сами состоят из целого ряда деталей, и в отличие от таких элементов, как резисторы и кон­ денсаторы, поддаются в некоторых случаях ремонту. Однако в теории надежности и эти узлы принято относить к электрическим элементам, поскольку именно они, а не детали, из которых они состоят, выполняют определенные функции в электрической схеме. К м е х а н и ч е с к и м элементам или деталям отно­ сятся платы, кожухи, панели, шестерни, установочные, крепеж­ ные и декоративные элементы.

Элементы собирают в блоки, а группу блоков обычно объеди­ няют в прибор (статив, пульт, коммутатор), представляющий собой в конструктивном и функциональном отношениях самостоятель­ ное устройство. В состав станции обычно входит группа приборов. Две или несколько станций могут составлять систему, обеспечи­ вающую целый комплекс заданных функций. Надежность такой системы (например, системы уплотнения, системы тарификации) имеет самостоятельное значение.

О т к а з о м называют такую неисправность, без устранения которой невозможно дальнейшее выполнение аппаратурой или системой всех или хотя бы одной из ее основных функций. Отказ имеет место и тогда, когда аппаратура или система остаются работоспособными, но их параметры выходят за пределы допу­ стимых величин.

В н е з а п н ы й о т к а з , т. е. мгновенно (скачкообразно) наступившее событие, после которого система не обеспечивает нормальной работы, отличают от п о с т е п е н н о г о , возника­ ющего вследствие накапливающихся изменений тех или иных

либо возможность пользоваться системой до его устранения, отличают от ч а с т и ч н о г о , позволяющего пользоваться системой по ее назначению, но с некоторыми ограничениями, за­

Взависимости от причины их возникновения различают

отказы конструкционные, технологические и эксплуатацион­ ные.

Количественные характеристики. Д л я численного выражения понятия надежности приходится использовать различные коли­ чественные характеристики, одни из которых удобны для оценки надежности элементов, другие применяются для определения надежности системы, а третьи используются для оценки надеж­

нельзя указать, в каком именно опыте событие произойдет, а в ка­ ком — нет. Количественной характеристикой случайности собы­

Отсюда вытекает основной количественный критерий надеж­ ности — в е р о я т н о с т ь и с п р а в н о й (безотказной) р а - б о т ы Р (t), под которой понимают вероятность того, что в за­ данном интервале времени t не будет отказов. Вероятность исправ­ ной работы зависит от интервала времени: чем он больше, тем меньше эта вероятность. Вероятностью исправной работы можно характеризовать как элементы, так и системы, но на практике этим показателем чаще пользуются для характеристики послед­ них. Очевидны следующие соотношения для вероятности без­ отказной работы:

Чтобы приближенно определить вероятность безотказной ра­ боты изделий данного типа за заданный промежуток времени, нужно испытать некоторое количество их и подсчитать, сколько из них исправно проработало это время, а сколько отказало:

52

Для характеристики надежности можно пользоваться не только вероятностью безотказной работы, но и в е р о я т н о с т ь ю о т к а з а Q (t), которая может быть определена как

ожидаемое время исправной работы изделия до его первого отказа; определяется как среднее арифметическое время исправной ра­ боты каждого изделия из партии по формуле

последовательном интервале времени. В этом случае среднее

надежность элементов, а также блоков систем, не подлежащих ремонту.

53

качественные изделия, выявляются ошибки в приборах, допу­ щенные при сборке и монтаже. Желательно, чтобы 1-й этап за­

выявились, процесс приработки закончен. Этот этап характери­

казов. Даже при тщательном проектировании системы, образцо­ вом ее изготовлении и бережной эксплуатации наступает время,

о

Для периода нормальной работы изделия, когда интенсивность отказов к = const, т. е. для тех случаев, когда среднее время

стики надежности элементов, так как ее нетрудно определить экспериментально.

54

Н а р а б о т к а н а о т к а з Т 0 есть среднее время без­ отказной работы восстанавливаемого изделия между соседними

отказами

2*'

Если испытывается несколько изделий, то среднее время без­

где N — число испытываемых образцов; То1 — среднее время исправной работы между соседними отказами г'-го изделия.

того, что в произвольно выбранный момент времени изделие будет работоспособно. Этот коэффициент характеризует надежность только восстанавливаемых изделий, поскольку невосстанавливаемые изделия после отказа ремонту не подлежат. Он определяется отношением

интервала, в течение которого испытываемое изделие работало исправно; tnl — время t-ro интервала простоя.

Коэффициент готовности позволяет определять эффективность использования аппаратуры в течение длительного промежутка эксплуатации. По нему можно судить о трудоемкости восстановле­ ния изделия при выходе его из строя. Для увеличения коэффи­

55

выбранный момент времени изделие окажется неработоспособно. Коэффициенты готовности и простоя связаны между собой выра­ жением:

А„ = 1 - * г .

Н е в о с с т а н а в л и в а е м ы м и называют такие системы и элементы, которые после наступления отказа становятся не­ пригодными для дальнейшего использования. Надежность таких систем определяется вероятностью их исправной работы до пер­ вого отказа. В о с с т а н а в л и в а е м ы м и считают такие системы, которые после возникновения отказа могут быть исправ­ лены и приведены вновь в годное для работы состояние. Такие системы характеризуются наработкой на отказ и временем вос­ становления.

§ 3.2. Расчет надежности

Надежность элемента. Цель расчета надежности — определить значения количественных характеристик надежности. Для расчета надежности необходимо знать интенсивность отказов отдельных элементов. По отношению к наиболее часто применяемым в аппа­ ратуре элементам в литературе установлены три значения интен­ сивности отказов: максимальное, среднее и минимальное. Эти значения относятся к номинальным режимам, предусматривающим определенный электрический режим нагрузки, определенную окружающую температуру, определенную влажность (см. § 2.3) и т. д. Интенсивности отказов элементов в нормальных условиях

Интенсивность отказов элемента в реальных условиях эксплуа­ тации А, получают, умножая интенсивность отказов этого эле­ мента при его эксплуатации в номинальном режиме К0 на так

факторов. Эти коэффициенты показывают, во сколько раз изме­ няется интенсивность отказа элементов при изменении каждого из воздействующих факторов по сравнению с тем значением, которое он имел в номинальном режиме. Если какой-либо фактор, воздействующий на интенсивность отказов элемента, имеет номи­ нальное значение, то соответствующий ему эксплуатационный коэффициент интенсивности отказов равен единице.

Учет влияния всех факторов, воздействующих на аппаратуру, весьма сложен и требует использования большого справочного

56

Таблица 3.1

Номинальные интенсивности отказов типовых элементов

материала. Поэтому в настоящее время ограничиваются, как правило, учетом условий эксплуатации, температуры и режима работы элемента в схеме.

Коэффициент аъ учитывающий условия эксплуатации, обычно принимают равным единице для лабораторной аппаратуры, 10 для наземной аппаратуры, 30 для судовой аппаратуры.

Режим, в котором используется тот или иной элемент, харак­

теризуют к о э ф ф и ц и е н т о м н а г р у з к и Кн- Усло­ вились понимать под ним отношение тока, напряжения или рас­

сеиваемой мощности к соответствующему для элемента данного типа предельно допустимому (номинальному) значению того же параметра. При этом в качестве критерия принимают ту электри­ ческую величину, которая практически оказывает решающее влияние на работоспособность элементов данного типа. Например, для резисторов, реле, полупроводниковых триодов коэффициент

57

для конденсаторов коэффициенты нагрузки определяют как отно­

Эксплуатационный коэффициент интенсивности отказов а2 , характеризующий суммарное влияние температуры и электриче-

а — пленочные резисторы (тип МЛТ); б — конденсаторы с бумажной изоляцией (тип КБГ и подобные)

Штриховые прямые — изменение масштаба.

ского режима работы элемента, определяют графически, пользуясь кривыми, полученными экспериментальным путем для каждого типа элементов (рис. 3.2). Данными таких кривых в сочетании со сведениями табл. 3.1 можно пользоваться для учебных целей, а при конструировании — лишь при отсутствии других более точных сведений.

58

= 10. Найдем коэффициент нагрузки Ка. Рассеиваемая на резисторе мощность равна:

одного из элементов приводит к отказу всей системы, причем отказ каждого элемента является событием независимым и слу­

Исправную работу блока с последовательным соединением элементов можно рассматривать как результат совпадения мно­

всей системы. Однако нужно оговорить, что это усовие всегда справедливо лишь для однофункциональной аппаратуры. В много­ функциональной аппаратуре надежность должна определяться для каждой функции отдельно. Расчет надежности управляющего устройства телефонной станции может привести к абсурду, если считать, что одновременно должны работать все элементы. Здесь более правильно в реальных условиях рассчитывать надежность конкретных функций.

При расчете характеристик надежности системы (блока) обычно известны не вероятности исправной работы, а интенсивности отказов элементов. Поэтому для расчета главных характеристик надежности блоков и систем пользуются формулой экспонен­

59