Понятие безотказности

Детали машин



Работоспособность – состояние изделия, при котором в данный момент времени его основные параметры находятся в пределах, установленных требованиями нормативно-технической документации и необходимых для выполнения его функциональной задачи. Попросту говоря, работоспособность изделия – это его способность нормально выполнять заданные функции.

Работоспособность количественно оценивается следующими показателями:

• Прочность – способность детали выдерживать заданные нагрузки в течение заданного срока без нарушения работоспособности.
• Жесткость – способность детали выдерживать заданные нагрузки без изменения формы и размеров.
• Износостойкость – способность детали сопротивляться изнашиванию.
• Стойкость к специальным воздействиям – способность детали сохранять работоспособное состояние при проявлении специальных воздействий (теплостойкость, вибростойкость, радиационная стойкость, коррозионная стойкость и т.п.).

Неработоспособное состояние наступает вследствие отказа.
Отказ – событие, нарушающее работоспособность.
Отказы делятся на постепенные и внезапные; полные и частичные; устранимые и неустранимые.

Надежность – свойство изделия сохранять во времени способность к выполнению требуемых функций в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования.
Надежность характеризуют состояниями и событиями.

Свойство надежности количественно оценивается следующими показателями: наработкой на отказ (среднее время работы изделия между двумя, соседними по времени отказами), коэффициентом готовности или коэффициентом технического использования (отношение времени работы изделия к сумме времен работы, обслуживания и ремонта в течение заданного срока эксплуатации), вероятностью безотказной работы и некоторыми другими.

Безотказность – свойство изделия непрерывно сохранять работоспособность в течение заданного времени.

Долговечность – свойство изделия длительно сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при соблюдении норм эксплуатации. Под предельным понимают такое состояние изделия, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна.

Ремонтопригодность – свойство изделия, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособности путем технического обслуживания и ремонта.

Понятия надежности во времени: наработка, ресурс и срок службы.

Наработка – продолжительность или объем работы изделия (в часах, километрах пробега, числах циклов нагружения).

Ресурс – суммарная наработка изделия от начала эксплуатации до перехода в предельное состояние (в часах, километрах пробега и др.).

Срок службы – календарная продолжительность эксплуатации изделия от начала до перехода в предельное состояние. Выражают обычно в годах. Срок службы включает наработку изделия и время простоев.

Основными показателями надежности являются:

• по безотказности – вероятность безотказной работы и интенсивность отказов;
• по долговечности – средний и гамма–процентный ресурс;
• по ремонтопригодности – вероятность восстановления.

***



Под вероятностью P(t) безотказной работы понимают вероятность того, что в заданном интервале времени или в пределах заданной наработки не возникает отказ изделия.
Если за время t наработки из числа N одинаковых изделий были изъяты из-за отказов n изделий, то вероятность безотказной работы изделия:

P(t) = (N – n)/N = 1 – n/N.

Вероятность безотказной работы сложного изделия равна произведению вероятностей безотказной работы отдельных его элементов:

P(t) = P1(t)×P2(t)×P3(t)×…×Pn(t).

Отсюда следует, что чем больше элементов в изделии, тем ниже его надежность.
Эксплуатация изделия с низким показателем P(t) может оказаться нецелесообразной.

Интенсивность отказов (t). В разные периоды эксплуатации или испытаний изделий число отказов в единицу времени различно.

Интенсивностью отказов называют отношение числа п отказавших в единицу времени t изделий к числу изделий (N – n), исправно работающих в данный отрезок времени, при условии, что отказавшие изделия не восстанавливают и не заменяют новыми:

λ(t) = n/[(N – n)×t].

Вероятность безотказной работы можно оценить по интенсивности отказов:

P(t) = 1 – λ(t)×t.

Для деталей машин в качестве показателя долговечности используют средний ресурс (математическое ожидание ресурса в часах работы, километрах пробега, миллионах оборотов) или гамма–процентный ресурс (суммарная наработка, в течение которой изделие не достигает предельного состояния с вероятностью, выраженной в процентах).
Для изделий серийного и массового производства наиболее часто используют гамма–процентный ресурс: для подшипников качения, например, 90 %-ный ресурс.

Под вероятностью восстановления понимают вероятность того, что время восстановления работоспособного состояния изделия не превысит заданное значение.

Определение показателей надежности выполняют методами теории вероятностей, их используют при выборе оптимальных вариантов конструкции.

Надежность зависит также от качества изготовления (неточности влияют на распределение нагрузок в зоне силового взаимодействия) и от соблюдения норм эксплуатации.

***

Критерии работоспособности деталей машин



Олимпиады и тесты

Источник: http://k-a-t.ru/detali_mashin/2-dm/

Проблемы определения надежности устройств

О

Надежность можно определить как вероятность того, что устройство будет корректно функционировать в течение указанного промежутка времени.

задача заключается в расчете срока службы, поскольку он должен быть указан в документации до того, как устройство перейдет в пользование.

Определение срока службы экспериментальным путем затруднено, а иногда невозможно ввиду больших временных затрат. Как правило, срок службы устройства или системы составляет несколько лет.

Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени.

Долговечность – свойство объекта сохранять работоспособное состояние при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

Ремонтопригодность – свойство объекта, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонта.

Сохраняемость – свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих его способность выполнять требуемые функции во время хранения, а также при транспортировке и после нее.

Перечисленные важнейшие свойства надежности характеризуют определенные технические состояния объекта. Различают пять основных видов технического состояния объектов.

Исправное состояние – состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям нормативно-технической и проектной документации.

Неисправное состояние – состояние объекта, при котором он не соответствует хотя бы одному из требований нормативно-технической и проектной документации.

Неработоспособное состояние – состояние объекта, при котором значения хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям нормативно-технической и проектной документации.

Предельное состояние – состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна, либо восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно.

Согласно ГОСТ 27.002-89, для оценки надежности используется термин «наработка на отказ» – наработка с момента восстановления работоспособного состояния после отказа до возникновения следующего отказа.

Это определение применимо к ремонтопригодной продукции, при эксплуатации которой допускаются многократно повторяющиеся отказы.

В английской литературе данный параметр обозначается аббревиатурой MTBF (mean time between failures) – среднее время между отказами.

В случае не подлежащей ремонту продукции используется термин «наработка до отказа» – наработка от начала эксплуатации до возникновения первого отказа. Эквивалент в английской литературе – MTTF (mean time to failures). Наработка на отказ – это важный параметр для определения срока службы системы или устройства.

Зачастую производитель указывает гарантийный срок (lifetime warranty), в течение которого параметры изделия соответствуют тем, что значатся в документации. Средняя наработка на отказ определяется как отношение суммарной наработки восстанавливаемого устройства к количеству отказов, происшедших за суммарную наработку:

Первые методики прогнозирования надежности появились в 50-х гг. Они закреплены в стандарте MIL-HDBK-217, который с тех пор обновлялся всего шесть раз (последняя редакция датируется 1995 г.). Недавние исследования показали, что имеющиеся методики не обеспечивают точного результата в силу нескольких причин, среди которых:

• справочные данные, на основе которых проводится расчет, быстро устаревают;
• приняты во внимание не все типы отказов;
• не учтены конструктивные особенности устройств.

В результате прогнозирования надежности получают коэффициент, описывающий сложную систему через степень интенсивности отказов. Прогнозирование целесообразно использовать для предварительной оценки надежности и эксплуатационных расходов, однако достоверных результатов оно не обеспечивает.

Табличные значения MILHDBK-217 не обновлялись с 1995 г. К тому же обновления, которые были произведены, не затронули разъемы. Таким образом, в стандарте предусмотрены только модели соединителей, которые были разработаны 35 лет назад. Кроме того, справочные данные были собраны из разных источников, в разные периоды и при разных условиях, о которых нет информации в этих справочниках. 

Ввиду перечисленных причин справочные данные отстают от технологических. Таким образом, зарождающиеся технологии не будут учтены даже после обновления данных.

Кривая отказов

При оценке надежности в MIL-HDBK-217 предполагается, что интенсивность отказов постоянна. Однако в реальности это не так, и она зависит от большого количества факторов, в частности от условий эксплуатации и оставшемуся сроку службы компонента.

На рисунке 1 представлен пример кривой интенсивности отказов для электронного устройства. По вертикальной оси отложена вероятность выхода устройства из строя. По горизонтальной оси – время без соблюдения масштаба.

Левая кривая перед красной границей соответствует времени, в течение которого большая часть устройств выходит из строя при наличии брака. На этом этапе производится отсев бракованных устройств на заводе.

Как правило, время выявления брака не превышает 50 ч, количество испытуемых устройств невелико.

Рис. 1. Интенсивность отказов
Early life period – начальный период работы; constant life period – период стабильного функционирования; wear out life period – период износа; burn in – нормализация параметров; hours – часы; years – годы; time – время

На втором горизонтальном участке вероятность отказа примерно постоянна. Длительность этого участка и есть наработка на отказ. Как правило, половина этого времени используется производителем в качестве ориентира для определения гарантийного срока. Далее кривая демонстрирует увеличение вероятности отказов.

Таким образом, время наработки на отказ статистически определяет время работоспособной жизни устройства при заданных условиях эксплуатации.

Расчет надежности

Наиболее простым способом расчета надежности является вычисление отношения общего времени работы к общему количеству отказов. Этот способ применим для оценки массовых продуктов, а также для оценки надежности устройства на основе оценки работы аналогичных устройств предыдущего поколения. Чаще всего надежность определяется на первых стадиях спецификации.

Альтернативным способом определения надежности является вычисление отношения общего времени работы к общему количеству устройств. Отметим, что оба способа не обеспечивают абсолютной точности.

Производитель, как правило, определяет наработку на отказ на основании заявленной надежности используемых компонентов, результатов кратковременных интенсивных испытаний партии изделий и расчетов, учитывающих множество меняющихся во времени причин, влияющих на надежность изделия. При расчетах используются методики, применяемые для устройств военного назначения. Стандартом предусматривается, чтобы время наработки на отказ было приведено в часах, а не в годах.

Рассмотрим пример. В течение года тестировалось 1000 изделий. За время испытаний 10 изделий вышло из строя. Отсюда наработка на отказ составляет 1 год × (1000 шт/10 шт) = 100 лет = 876580 ч. Производитель округлит этот показатель до 900 тыс. ч, потому что продавец все равно предоставит гарантию 2–3 года.

Итак, 900 тыс. ч – это срок, по истечении которого существует высокая вероятность того, что изделие конкретной серии выйдет из строя. В то же время опираться на одну величину, характеризующую надежность, не следует.

Ниже рассмотрен пример, в котором надежность устройства зависит от условий установки и эксплуатации.

Одним из факторов, который не учитывается при расчете надежности, является виброперемещение печатной платы. Хотя компоненты на платах на рисунке 2 расположены одинаково, надежность у этих устройств очень разная. Причина очевидна: на одной плате имеются четыре винта, на другой – шесть.

Рис. 2. Сравнение профилей вибрации. (Слева плата закреплена 4 винтами, справа – шестью. Плата справа характеризуется более высокой надежностью)

Аппаратные отказы делятся на механические и электронные. Про­гно­зи­ро­вание должно быть проведено не только относительно электронных компонентов, но и относительно моделей, технологического процесса, износа, программной части и внешних факторов (обслуживающий персонал и т.д.).

Рис. 3. Варианты размещения резистора на плате. (Плата справа характеризуется более высокой надежностью)

Итак, при расчете надежности не учитываются такие факторы как способ установки устройства, собственная частота колебаний платы, расположение прогибов платы по отношению к компонентам, температурное распределение, влажность, вибрации, механические и температурные воздействия на компоненты в течение жизненного цикла устройства и т.д.

Кроме того, предполагается, что рабочая температура и напряжение не меняются, хотя в некоторых проектах компоненты работают в нестандартных для них режимах. Это может приводить к непредвиденным отказам. Например, для силовых модулей и биполярных транзисторов с изолированным затвором двумя основными причинами отказов являются обрыв провода и отслоение кристалла.

Эти процессы можно рассчитать аналитически и точно определить интенсивность и срок отказа.

Альтернатива

Для получения достоверной информации о надежности устройства необходимо обязать поставщика провести оценку надежности, которая будет состоять из двух этапов: анализ модели надежности (SRM – System Reliability Model) и An assessment of the contractor’s planned reliability Activities.

SRM – это графическое представление системы и анализ ее надежности (Reliability Block Diagram (блок-схема надежности), Fault Tree (дерево отказов), Event Tree (дерево событий)). Анализ позволит определить слабости проектируемой системы, которые могут привести к потере функциональности, безопасности и т.д., или обнаружить компоненты, отказ которых приводит к увеличению расходов.

Модель SRM описывает устройство в мельчайших деталях. Устройство разбивается на атомарные функциональные элементы и взаимосвязи между ними. Рассматривается как аппаратная, так и неаппаратные компоненты устройства, в т.ч. приобретенные готовые стандартные компоненты, арендованное оборудование, программное обеспечение, человеческие ресурсы, производственный процесс.

Когда спецификация системы закончена, приступают к предварительной оценке по стандартным критериям (интенсивность отказов, наработка на отказ и т.д.). Все допущения, источники данных и обоснования применяемых методов должны быть документально закреплены.

Далее проводят оценку рисков и разрабатывают план действий, направленных на снижение риска элементов и повышение надежности системы. При проведении оценки рекомендуется использовать программный инструмент AMSAA Reliability Scorecard.

Он представляет результаты анализа в наглядной форме, что позволяет быстро оценить наиболее уязвимые элементы и разработать стратегию повышения надежности устройства.

Заключение

Сложность определения надежности связана с необходимостью учета большого количества факторов, а также с невозможностью получить экспериментальные результаты. Время наработки на отказ не учитывает условий эксплуатации, поэтому к полученному значению следует относиться с осторожностью.

На основе анализа случаев возврата изделий производитель может определить доминирующие механизмы отказа, идентифицировать соответствующие модели и использовать их для оценки срока службы компонентов, которые будут применяться в конкретном приложении при известных условиях. С практической точки зрения целесообразно исследовать лишь один, наиболее уязвимый компонент системы, поскольку его выход из строя быстрее всего приведет к отказу.

Слабые места системы определяются при анализе дерева отказов или аналогичного исследования. Элементы дерева ошибок оцениваются по известным критериям, а потом выясняется, требуется ли дополнительное тестирование или доработка.

Литература

Источник: http://www.russianelectronics.ru/review/doc/71000/

1.Понятие безотказности

Безотказность- это свойство автомобиля непрерывносохранять работоспособность в течениеопределенной наработки (времени илипробега). Безотказностью автомобильдолжен обладать как в период егоэксплуатации, так и в периоды храненияи транспортирования.

Применительнок автомобилю обычно рассматриваютбезотказность в течение смены (онаособенно важна), в течение заданнойнаработки (например, для междугородныхили международных перевозок) или междуочередными видами ТО. В последнем случаепоказатели безотказности характеризуютэффективность и качество ТО и,следовательно, работоспособность.

Кметодам обеспечения безотказной работыотносится: ТО и Р, диагностика иэксплуатация автомобилей.

2.Показатели безотказности

Дляоценки безотказности применяютсяпоказатели безотказности:

• средняя наработка до отказа – математическое ожидание наработки объекта до первого отказа;

• гамма-процентная наработка до отказа;

• средняя наработка на отказ – отношение суммарной наработки

восстанавливаемогообъекта к математическому ожиданиючисла его отказов в течение этойнаработки;

• вероятность отказа;

• вероятность безотказной работы – вероятность того, что в заданном промежутке времени (или в пределах заданной наработки) отказ не произойдет;

• плотность вероятности отказа – отношение числа отказавших аппаратов в единицу времени к числу аппаратов, первоначально установленных на испытание, при условии, что отказавшие аппараты не восстанавливаются и не заменяются новыми;

• интенсивность отказов – условная плотность вероятности возникновения отказа объекта, определяемая при условии, что до рассматриваемого момента времени отказ не возник;

• ведущая функция потока отказов;

• параметр потока отказов – отношение среднего числа отказов восстанавливаемого объекта за произвольно малую его наработку к значению этой наработки.

Рассмотримболее подробно основные показателибезотказности.

3.Интенсивность отказов

Интенсивностьотказов (λ(t)) – отношение числа отказавшихобъектов в единицу времени к среднемучислу объектов, работающих в данныйотрезок времени, при условии, чтоотказавшие объекты не восстанавливаютсяи не заменяются исправными.

λ(t)= n(t) / [NсрΔt],

гдеNср = [Ni + Ni+1]/2 — среднее число объектов,исправно работавших в интервале времениΔt;

Ni– число изделий, работавших в началеинтервала Δt;

Ni+1– число объектов, исправно работавшихв конце интервала времени Δt.

Ресурсныеиспытания и наблюдения над большимивыборками объектов показывают, что вбольшинстве случаев интенсивностьотказов изменяется во времени немонотонно.

Рисунок1. Типичная кривая изменения интенсивностиотказов объекта

Изкривой зависимости отказов от временивидно, что весь период работы объектаможно условно поделить на 3 периода.

Первыйпериод (I)–приработка.

Приработочныеотказы являются, как правило, результатомналичия у объекта дефектов и дефектныхэлементов, надежность которых значительнониже требуемого уровня.

При увеличениичисла элементов в изделии даже при самомстрогом контроле не удается полностьюисключить возможность попадания всборку элементов, имеющих те или иныескрытые дефекты.

Физическаяприрода таких отказов носит случайныйхарактер и отличается от внезапныхотказов нормального периода эксплуатациитем, что здесь отказы могут иметь местоне при повышенных, а и при незначительныхнагрузках («выжигание дефектныхэлементов»).

Снижениевеличины интенсивности отказов объектав целом, при постоянном значении этогопараметра для каждого из элементов вотдельности, как раз и объясняется«выжиганием» слабых звеньев и их заменойнаиболее надежными. Чем круче криваяна этом участке, тем лучше: меньшедефектных элементов останется в изделииза короткий срок.

Чтобыповысить надежность объекта, учитываявозможность приработочных отказов,нужно:

• проводитьболее строгую отбраковку элементов;

• проводитьиспытания объекта на режимах близкихк эксплуатационным и использовать присборке только элементы, прошедшиеиспытания;

• повыситькачество сборки и монтажа.

Среднеевремя приработки определяют прииспытаниях. Для особо важных случаевнеобходимо увеличить срок приработкив несколько раз по сравнению со средним.

Второйпериод(II) – нормальная эксплуатация.

Этотпериод характеризуется тем, чтоприработочные отказы уже закончились,а отказы, связанные с износом, еще ненаступили. Этот период характеризуетсяисключительно внезапными отказаминормальных элементов, наработка наотказ которых очень велика.

Сохранениеуровня интенсивности отказов на этомэтапе характеризуется тем, что отказавшийэлемент заменяется таким же, с той жевероятностью отказа, а не лучшим, какэто происходило на этапе приработки.

Отбраковкаи предварительная обкатка элементов,идущих на замену отказавших, имеет дляэтого этапа еще большее значение.

Наибольшимивозможностями в решении этой задачиобладает конструктор. Нередко изменениеконструкции или облегчение режимовработы всего одного-двух элементовобеспечивает резкое повышение надежностивсего объекта. Второй путь – повышениекачества производства и даже чистотыпроизводства и эксплуатации.

Третийпериод (II)I– износ.

Вероятностьвозникновения отказов из-за износов сприближением к сроку службы возрастает.

Свероятностной точки зрения отказ системыв данном промежутке времени Δt = t2 – t1определяется как вероятность отказа:

∫a(t)= Q2(t) — Q1(t)

Интенсивностьотказов есть условная вероятность того,что в промежуток времени Δt произойдетотказ при условии, что до этого он непроизошел

λ(t)= [Q2 — Q1]/[ΔtP(t)]

λ(t)= lim [Q2 — Q1]/[ΔtP(t)] = [dQ(t)]/[P(t)dt] = Q'(t)/P(t) =-P'(t)/P(t)

таккак a(t) = -P'(t), то λ(t) = a(t)/P(t).

Этивыражения устанавливают зависимостьмежду вероятностью безотказной работы,частотой и интенсивностью отказов. Еслиa(t) – невозрастающая функция, тосправедливо соотношение:

ω(t)≥ λ(t) ≥ a(t).

Источник: https://StudFiles.net/preview/3569320/