Другой характеристикой надежности изделий является средняя наработка до Отказа 7;р.

Допустим, ЧТО какое-то количество аппаратов одного и того же типа эксплуатируется заданное время в определенных условиях (при заданных изменениях температуры окружающего воздуха, давления и т, д.). При этом регистрируется суммарное количество часов t, которое проработали все аппараты, и количество возникших отказов и. В этом случае средняя наработка до отказа

Гер - f/ . (2.3)

Данная формула также носит вероятностный характер. Это значит, что время до появления отказа у одних изделий больше, а у Других меньше значения, подсчитанного по формуле (2.3). Поэтому отрезок времени от включения до отказа какого-либо изделия не может полностью характеризовать свойства изделий.

Мерой надежности является средняя наработка до отказа, полученная при проверке большого количества изделий. Чем больше Т^р, тем выше надежность изделия.

Величину, обратную Т^, называют интенсивностью отказов и обозначают Л;

Л = 1/Г,р. (2.4)

Размерность интенсивности отказов - 1/ч.

Вероятность безотказной работы Р(1)и средняя наработка на отказ достаточно полно характеризуют надежность невосстанавливаемых изделий, например аппаратуру ракет. Однако большинство радиоизде-ЛИЙ конструируют так, чтобы при выходе из строя их можно было ремонтировать. Для них фактическая надежность зависит не только от того, как часто происходят отказы, но и от того, как много времени затрачивается на отыскание и устранение неисправностей. Надежность таких изделий дополнительно характеризуют средним временем soc-стаиовлемия У^. Если в рассмотренном примере регистрировать время, затрачиваемое на отыскание и устранение каждой неисправности, а затем найти суммарное время t, то среднее время восстановления

Гв t /и. (2.5)

Следует иметь в виду, что время, затраченное на отыскание и устранение конкретной неисправности, может быть больше или мейьше Т^.

Интенсивность отказов аппарата, состоящего из и различных Злемен-тов, определяют по формуле

Л Xi+X2 + ... + К, (2.6)

где %{, Хг, ... ,% -интенсивности отказов первого, второго и и-гоэлементов с учетом всех воздействующих факторов.

Интенсивность отказов показьюает, какая доля всех изделий или элементов данного типа в среднем выходит из строя за 1 ч работы. Например, если Х^Ю , то это означает, что за 1 ч работы из строя выйдет одна стотысячная доля элементов; соответственно за 1000 ч работы можно ожидать выхода из строя одной сотой доля всех элемеи-

tg t,4

то данного типа. Если в устройстве имеется л,ч- 100 таких элементов, то в среднем за каждые 1000 ч из строя выходит один элемент.

Экспериментально установлено, что для большинства элементов, используемых в радиоэлектронной аппаратуре, зависимость X от времени имеет вид, изображенный на рис. 2.1.

Время от начала работы до и называют р„е. 2.1. Зависимость Интенсив-

периодом приработки. В течение этого вре- ности отказов от времени мени из строя выходят элементы, имеющие

грубые внутренние дефекты, оставшиеся незамеченными при контроле. По мере выхода из строя таких элементов интенсивность отказов уменьшается и на отрезке и -tz остается практически неизменной. Это время называют триодом нормальной работы. В это время происходят отдельные случайные отказы.

Определяя надежность аппаратуры, имеют в вгщу то значение интенсивности отказов X, которое имеет место в период нормальной работы, npi этом исходят из того, что элементы с грубйми дефектами, отказы которых характерны для периода приработки, должны быть выявлены й заменены при тренировке элементов или собранной аппаратуры.

Рост интенсивности отказов после момента времени объясняет9Я износом элементов (старением диэлектрика конденсаторов, потерей эмиссии катодом лампы и т. д.). У многих элементов старение начинается после нескольких тысяч, а иногда и десятков тысяч часов эксплуатации. Далее под интенсивностью отказов будем понимать ее значение в период нормальной работы.

§ 2.2. НАДЕЖНОСТЬ РАДИОЭЛЕМЕНТОВ

Как видно из приведенных формул, надежность элементов является одним из факторов, существенно влияющих на Интенсивность отказов аппаратуры в целом. Интенсивность отказов элементов зависит от конструкции, качества изготовления, от условий эксплуатации и от электрических нагрузок в схеме.

Влияние внешних факторов на надежность элементов можно оценить с помощью коэффициентов нагрузки. Коэффициейтом нагрузки называют отйошение фактического значения воздействующего фактора к его номинальному значению. Например, если номинальная мощность резистора Р„=2 Вт, а фактически на резисторе рассеивается i% = 1,2 Вт, то коэффициент нагрузки по мощности в дайном случае равен

= П /К - U2/2 = 0,6 . Если номинальное значение рабочего напряжения конденсатора Vk *s 50 В, а фактически в схеме к обкладкам конденсатора приложено напряжение t/ф =5 6, то коэффициент нагрузки по напряжению

Ка = t/ф /и„ = 5/50 0,1.

При увеличении коэффициента нагрузки интенсивность отказов эле-меита увеличивается. Интенсивность отказов увеличивается также, если

Таблица 2.1. Интенсивность отказов раднокомпонентов

элемент эксплуатируется при более жестких условиях: повьппенных температуре окружающего воздуха и влажности, увеличенных вибрациях и ударах и т. п.

Обычно в справочниках приведено значение интенсивности отказов при номинальном значении внешних воздействующих факторов и коэффициентах нагрузки, равных 1. Это значение интенсивности отказов обозначим Хо.

В табл. .2.1 приведены ориентировочные значения интенсивности отказов для некоторых групп радиокомпонентов.

Влияние на надежность фактического значения внешних факторов и коэффициентов нагрузки можно определить с помощью соответствующих коэффициентов влияния а, значения которых также приведены в справочниках. Например, коэффициент влияния температуры а, показывает, во сколько раз изменяется интенсивность отказов npi изменении температуры от номинального значения до t. Интенсивность отказа элемента при температуре t

X = аДо . (2.7)

Если тот же элемент работает одновременно с коэффициентом нагрузки К„ф1, то интенсивность отказов

= а,а„:,о, (2.8)

где а„ - учитывает влияние коэффициента нагрузки К„.

Если при использовании элемента еще какой-либо фактор (например, давление воздуха) имеет значение, отличающееся от номинального, то для учета его влияния нужно умножить Х, полученное по формуле (2.8), на соответствующий коэффициент, т. е.

X = a,aji ko , (2.9)

где Ид - учитывает влияние давления воздуха.

На рис. 2.2, а приведен график, показывающий изменения коэффициента влияния а для резисторов типа С2 одновременно от температуры и коэффициента нагрузки по мощности.

Как видно из графика, гтри возрастании температуры от 20 до 60°С и номинальной рассеиваемой мощности (Кр =1) а увеличивается в 5 раз. Если снизить коэффициент нагрузки по мощности в 2 раза (например, вместо резистора с номинальной мощностью 0,25 Вт применить резистор с номинальной мощностью 0,5 Вт), то а =0,85, т. е. Х для этих значений снизится в 6 раз.

0,8 0,6

20 3D W 50 ВО 70 ВО SO t°C

40 БО i,C S)

Рис. 2.2. Зависимость коэффициента а: а - для резисторов непроволочных типа С2 от коэффициента нагрузки по мощности и температуры окружающей среды; б - для конденсаторов слюдяных типа К-31 от коэффициента нагрузки по напряжению и от температуры окружающей среды

Аналогичные выводы можно сделать при рассмотрении рис. 2.2, б, где показана зависимость а для конденсаторе типа К-31-УЗЕ от коэффициента нагрузки по напряжению и температуры. Учитывая это, ограничивают максимальные значения коэффициентов нагрузки элементов в радиоэлектронной аппаратуре: обычно принимают для резисторов Кр < 0,6, для конденсаторов Kj < 0,6.

Значения и а для различных элементов определяют экспериментально и помещают в специальных справочниках. Для определения надежности часто используют значения к', которые получены на основании анализа результатов эксплуатации большого количества изделий. Коэффициент и учитывает только усредненные значения внешних воздействий и нагрузок, поэтому его можно использовать для ориентировочных расчетов.

§ гз. НАДЕЖНОСТЬ .АППАРАТУРЫ

Надежность аппаратуры определяется надежностью и количеством используемых в ней элементов. Так как надежность является одним из основных параметров изделия, то, проектируя аппаратуру, ее следует оценивать наряду с другими параметрами и на основе этих расчетов Делать выводы о правильности выбранной схемы и конструкции изделия.

На этапе проектирования, когда еще точно не определены режимы работы схемы, производят ориентировочный расчет, задаваясь ориентировочными данными, определяющими условия работы. Так, в качестве температуры окружающей среды для каждого из элементов может быть принято среднее значение температуры внутри блока, определенное на основании данных о количестве теплоты, выделяемой внутри блока, его

габаритных размеров, условий теплоотдачи и температуры среды. Окружающей блок. Рассчитанная таким образом температура не учитывает местных перегревов, создаваемых отдельными элементами, вьще-ляющими значительное количество теплоты.

Ориентировочные значения коэффициентов нагрузки по напряжению Ка могут быть определены для элементов каждого типа по известному напряжению источника питания и номинальному значению напряжений всех элементов.

Коэффициенты нагрузки по мощности резисторов Кр для ориентировочного расчета следует выбирать в пределах 0,5---0,6. После того как определены условия работы элементов и интенсивность отказов с учетом этих условий, можно рассчитать интенсивность отказов аппарата и среднюю наработку на отказ, пользуясь формулами (2.6) и (2.4). Вероятность безотказной работы может быть вычислена по формуле (2.2). Входящее в это выражение время работы Гр дается в техническом задании на разработку.

Если полученные в результате расчета параметры надежности не соответствуют требованиям, то следует проанализировать возможность повышения надежности за счет облегчения режимов или использования более надежных типов элементов. Для этого следует определить, какие типы элементов в наибольшей мере определяют интенсивность отказа аппарата Л в соохветствии с формулой (2.6), и' повторить расчет, предполагая, что эти элементы заменены другими, имеющими ббльшую надежность или большее номинальное значение параметра, влияющего на надежность (допустимая мощность рассеяния Для резистора, допустимое напряжение для конденсатора и т. д.). Следует также проанализировать, как применение новых элементов или режимов использования скажется на массе, габаритах, стоимости и других технико-экономических параметрах изделия. Обычно таким методом удается повысить надежность изделия не более чем в 2-3 раза.

Часто при проектировании аппаратуры, содержащей большое число элементов, рассчитанное значение параметров надежности во много раз (иногда в десятки) отличается от того, которое задано. В этих случаях конструктору приходится прибегать к резервированию. Сущность этого метода рассмотрим на следующем примере.

На рис. 2.3 показана структурная схема системы, состоящей из двух приемников, антенны, нагрузки и источника питания. В данный момент

itpuemuKi

Источник питаний

Йриешикг

Рис. 2.3. Резервирование замещением с испо.яьзованием ненагружен-яого реэерйа

тботает приемиик 1 (основное устройство), а приемник 2 отключен от антеины, нагрузки и источника питания и является резервным, В случае выходя из строя приемника / может быть включен в работу приемник 2, и работоспособность всей системы будет восстановлена.

При резервировании средняя наработка на отказ и вероятность безотказной работы будет больше, чем у аналогичного нерезервированного изделия, так как при выходе из строя основного устройства продолжают функционировать резервные.

Кратностью резервирования т называют отношение числа резервных устройств к числу основных (в рассматриваемом примере кратность резервирования т==\).

Возможны следующие методы резервирования:

а) резервирование общее постоянное; б) резервирование общее замещением; в) резервирование раздельное постоянное; г) резервирование раздельное замещением.

При общем постоянном резервировании основной и резервные аппараты постояино и параллельно подключены к источнику сигнала, нагрузке и источнику питания; поэтому в случае выхода из строя одного из основных аппаратов рабочие функции начинают выполнять резервные. Особенностью такой схемы резервирования является то, что при выходе нз строя одного из аппаратов изделие продолжает выполнять функции без какого-либо перерыва во времени.

Рассмотрим пример такого резервирования.

Допустим, что два генератора, синхронизированные по частоте и фазе, каждый из которш имеет выходную мощность Р, работают на общую нагрузку и выделяют на ней мощяость 2Р. Для нормальной работы лосяеяующей схемы достаточно, чтобы ь нагрузке выделялась мощность не меньше Р. Тогда ирл выходе из строя одного генератора нормаль-нал работа всего устройства не нарушится, так как выделяемая мощность будет находиться в допустймьк пределах.

При общем постоянном резервировании, когда основной и резервные аппараты имеют одинаковую надежность, вероятность безотказной работы и средняя наработка на отказ резервированного изделия могут быть определены по формулам:

P(f)p = 1-[1-Р(0] +, (2.10)

=.1 -ь^-ь...-ь--), (2.11)

где P{t) - вероятность безотказной работы нерезервированного изделия; Тер-средняя наработка на отказ нерезервированного изделия; т - кратность резервирования.

Для случая, когда кратность резервирования т^\, формулы (2.10) и (2.11) принимают вид:

P{t\\{\-P{t)Y, (2.12)

= 1,5Пр (2.13)

Из формул (2.11) и (2.13) следует, что при общем постоянном резер-вированш средняя наработка на отказ незначительно возрастает (в nori-гора раза при

Как указывалось, преимуществом такого метода резервирования является то, что при его применении выход из строя одного из одновременно работающих блоков не приводит даже к кратковременному нару-щению функций, выполняемых аппаратурой. Однако в этом случае габариты и стоимость аппаратуры возрастают пропорционально (w + 1), т. е. как минимум в 2 раза, и возникают некоторые сложности в обеспечении нормальной работы аппаратуры при ее параллельном соединении.

В тех случаях, когда основной и резфвные аппараты не могут быть одновременно подключены к нагрузке, применяют резервирование замещением, т. е. резервное изделие подключают вместо основного только в случае выхода его из строя. Резервирование замещением может быть выполнено с использованием ненагруженного или нагруженного резерва.

Пример использования ненагрл'жешого резерва замещением показан на рис. 2.3. В этом случае резервные изделия отключены не только от нагрузки, но и от источника питания и источника сигнала.

Нагруженный замещаемый резерв постоянно подключен к источнику питания. Подключение этого резерва может производиться специальными автоматическими устройствами и вручную оператором.

При резервировании замещением с использованием нагруженного резерва, так же как и при резерве, включенном постоянно, резервное устройство все врфля находится под током в рабочем состоянии. Надежность аппаратуры при таком резервировании не должна отличаться от надежности при постоянном резервировании, если не учитывать влияния переключающих устройств. Количественные характфистики надежности в этом случае могут быть рассчитаны по формулам (2.10), (2.11), (2.12), (2.13).

При резервировании замещением с использованием ненагруженного резерва резервные устройства, пока они не пущены в работу, меньще подвержены опасности отказа, так как находятся в более легких условиях. Поэтому наде:ж:ность аппаратуры с таким резервом выше, чем у аналогичной аппаратуры с нагруженным резервом. Характеристики надежности цри использовании общего ненагруженного резерва могут быть вычислены по формулам:

Pit). = P(t)[l+ + ir (-У + - + (-) ] ; (2.14)

Тсрр = Т, (т + 1) . (2.15)

При w = l

P(t\ = P(t)(l +tJT,); (2.16)

3ор.р=2Г,р. (2.17)

Эти формулы не учитывают влияния на надежность переключающих устройств.

Характерным отличием резервирования замещением от постоянного резервирования является необходимость подключения резервных устройств взамен основных. Это пфеключение может производиться спе--циальными автоматическими устройствами, если аппаратура работает

без постоянного обслуживания, или вручную, если аппаратура в процессе работы постоянно обслуживается оператором.

В первом случае надежность аппаратуры окажется ниже, чем рассчитанная по формулам (2.14) - (2.17), так как они не учитывают влияния на надежность автоматического переключающего устройства.

Рассмотрим на примере вопрос о том, в каких случаях резервирование позволяет эффективно повысить надежность аппаратуры.

В соответствии с заданием вероятность P(t) безотказной работы изделия за = 10 ч должна быть не менее 0,99. На основании данных о количестве и надежности элементов по формулам (2.6) и (2.4) получено; д = 10~ 1/ч и Гер = 100 ч. Этому значению Г^, при tp = 10 ч по формуле (2.2) соответствует P(t) =0,905, что не удовлетворяет заданию.

Теперь рассчитаем, как изменится надежность изделия, если применить замещение нагруженным или ненагруженным резервом с кратностью т = \.

В соответствии с формулами (2.12) и (2.16) при нагруженном резерве Р (Ор = 1 - (1 - 0,905)2 0,991.

При ненагруженном резерве Р(Ор =0,905(1 +10/100) = 0,995.

Из полученных результатов следует, что ненагруженный резерв дает больщой эффект.

По формулам (2.2) и (2.4) можно определить, какие значения Т^ и Л должно иметь проектируемое изделие, чтобы получить значения Р, равные 0,991 и 0,995, при отсутствии резервирования. Расчет дает следующие результаты: для Р(0= 0,991 Г,р = 1100 ч, Л =0,9-10 для Р(0 = 0,995, Гер = 2000 ч, Л = 0,5 10 .

В рассматриваемом примере нагруженный резерв дал такой же эффект по увеличению Р, какой дает уменьшение интенсивности отказов . изделия в 11 раз, а эффект от ненагруженного резерва выражается еще большей цифрой - 20.

Снизить интенсивность отказов изделия в 11-20 раз за счет уменьшения интенсивности отказов элементов или уменьшениях их числа практически не представляется возможным.

Рассмотрим другой пример. Задано Р > 0,99 при Гр = 10 ч. При расчете без учета резервирования

Л = 0,1 1/ч; Гер = 10 ч; Р (t) = 0,37.

При нагруженном резерве и т=1

Р(Ор. р = 1-(1-0,37)2= 0,6. При ненагруженном резерве и т = 1

Р(Ор. е„агр = 0,37(1 + 10/10) =0,74.

По формулам (2.2), (2.4) определим, какие значения Г^р и Л должно иметь изделие, чтобы получить те же значения Р при отсутствии резервирования: для Р(0 = 0,6 Гер = 20 ч, Л=0,05 1/ч; для P(f) = 0,74 Гер = = 34ч, Л =0,03 1/ч.

В этом примере нагруженный и ненагруженный резервы дали некоторое повышение надежности, однако такого эффекта можно достигнуть без двукратного увеличения массы и габаритов аппаратуры за счет

снижения интенсивносга отказов изделия примерно в 3 раза для чего следует облегчить режимы и заменить менее надежные элементы.

Из рассмотренных примеров следует, что общее резервирование (постоянное и замещением) целесообразно применять в тех случаях, когда не получается требуемое значение P(t) при fp/Tcp, близком или меньшем 0,1. Если значение fp/Гср приближается к единице, то в первую очередь следует рассматривать вопросы об упрощении схемь], уменьшении общего количества элементов, облегчении режимов и замене наименее надежных элементов.

Как следует из формул (2.11), (2.13), (2.15) и (2.17), общее резервирование мало увеличивает- Гср.р (при т=1 ненагруженныи резерв в 2 раза, нагруженный-в 1,5 раза), поэтому, если для аппаратуры основным критерием надежности является значение Т^р, то применение общего резервирования неэффективно. Этот вывод справедлив в том случае, если в процессе выполнения задания не производится ремонт отказавшей аппаратуры.

Часто при проектировании устройств, состоящих из большого количества элементов и предназначенньк для длительной работы, Не удается достигнуть требуемой надежности при использовании рассмотренных методов резервирования в разумньк пределах. Например, проектируемая аппаратура состоит из 10 ООО элементов со средней интенсивностью отказов 0.2-10 и должна при этом иметь среднюю наработку на отказ Т^р =5000 ч. Как следуе!- из формул (2.6) и (2.4), интенсивность отказов всего аппарата

Л = 0,2-10 10000 = 0,2 10 ч-\ а средняя наработка на отказ

Гер = 1/Л = 1/ (0,2 10 2) = 500 ч.

Даже при замещении ненагруженным резервом, чтобы обеспечить десятикратное увеличение средней наработки на отказ, требуется иметь число резервных систем т=9 [см. формулу (2.15)]. Такое резервирование Не может быть осуществлено, так как оно потребует десятикратного увеличения массы, габаритов и стоимости аппаратуры. В подобных случаях значительный эффект может быть получен при использований раздельного резервирования.

На рис. 2.4 дана схема приемника, который должен резервироваться. Этот приемник состоит из N блоков (iV=4). Резервный комплект также состоит из N блоков. Однако в отличие от рассмотренных способов резервирования в случае выхода из строя одного блока основного комплекта, напримф УЗЧ, в работу включается не весь резервный комплект, а только один Из блоков, а остальные продолжают оставаться в резерве.

Если в схеме и конструкции аппарата нет недостатков, которые бы приводили к систематическим отжазам блоков, то при дальнейшей работе аппарата повторньЙ выход из строя одного й того же блока (в нашем примере УЗЧ) является маловероятным

Скорее всею следующий отказ произойдет в другом блоке, который опять может быть заменен блоком из числа резервных.

О урч

бет.

1ш

ей л

Рис. 2.4. Раздельное резервирование эамешеинем при кратшстм =1

Рис. 2.5. Зависимость Тpg.pl Т^р от числа блоков JV при раздельном резер вированйн замещением

Аппаратура выйдет из строя только тогда, когда отказ в блоке одного и того же типа произойдет дважды (w = l).

Из рассмотренного примера следует, что раздельное резервирование является наиболее эффективным способом повышения надежности. Волёе подробный анализ, который здесь не приводится из-за математической сложности и громоздкости, позволяет сделать вывод о том, что наибольший эффект получается при раздельном резервировании замещением с Использованием ненагруженного резерва. Получаемый при этом выигрыш по средней наработке на отказ в зависимости от числа Ы равнонадежных блоков, на которое разделен резервируемый аппарат, приведен на рис. 2.5.

Как видно из рисунка, значительное увеличение Т^р (примерно в 10 раз) получается при т= 1, если аппарат разделить на 60 отдельно резервируемых блоков, а при т=2 - если число блоков примерно равно 10,

Из сравнения полученного эффекта с результатами, которые можно было бы получить npR общем резервировании замещением, следует, что такое же увеличение Ttp можно было бы получить при включении в состав аппаратуры девяти полных резервных комплектов.

Приведенные выводы сделаны в предположении, что устройства, которые производят подключение резервного блока взамен вышедшего из строя, не ухудшают надежности системы. Если обнаружение неисправного блока и замену его резервным возложить на специальные автоматические устройства, то при числе их порядка нескольких десятков весь выигрыш, получаемый за счет поблочного резервирования, может быть сведен на нет. Поэтому раздельное резервирование замещением наиболее целесообразно применять, если выполняются следующие условия: а) аппаратура обслуживается оператором, который постоянно следит за исправностью ее работы; б) блоки, на которые разделен аппарат для резервирования, являются легкосъемными; в) в состав аппаратуры входит устройство, позволяющее отыскать неисправный блок и включающееся в работу, если есть предложение о неисправности аппаратуры; г) перерыв в работе аппарата на короткое время, необходимое для отыс-кайия и замены вышедшего из строя блока, существенно не нарушает работу объекта, на котором установлен аппарат.