Показатели надежности и качества

В результате изучения данной главы студент должен:

знать

• термины надежности;

уметь

• обосновывать выбор параметров, определяющих долговременную надежность;

владеть

• методами оценки показателей надежности элементов и систем.

Общие представления о качестве и надежности

Под техническим уровнем продукции следует понимать относительную характеристику качества продукции, основанную на сопоставлении значений показателей, определяющих совершенство оцениваемой продукции, с соответствующими базовыми значениями.

Под уровнем качества изготовления продукции понимается относительная характеристика качества продукции, основанная на сравнении значений показателей качества оцениваемой продукции с базовыми значениями.

Под уровнем качества продукции в эксплуатации и потреблении следует понимать относительную характеристику качества продукции, развернутую во времени, т. е. в самом процессе эксплуатации и потребления.

Вместо «длинных» терминов «технический уровень продукции», «уровень качества изготовления продукции» и «уровень качества продукции в эксплуатации и потреблении» достаточно часто используют более короткие: «технический уровень», «качество продукции», «уровень качества продукции» .

Технический уровень — результат сопоставления показателей качества и надежности продукции с существующими аналогами.

Качество продукции — совокупность свойств продукции, обусловливающих ее пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с назначением. Качество продукции количественно определяется: техническим уровнем продукции, уровнем качества изготовления продукции, уровнем качества продукции в эксплуатации или потреблении.

Уровень качества продукции — количественная характеристика одного или нескольких свойств продукции, рассматриваемая применительно к определенным условиям ее создания и эксплуатации или потребления.

Свойство продукции — объективная особенность продукции, проявляющаяся при ее создании, эксплуатации или потреблении.

К качеству продукции как бытового, так и специального назначения предъявляются высокие требования. В решении проблем, связанных с обеспечением качества, значительная роль принадлежит их контролю и испытаниям в процессе разработки, изготовления и применения.

Качество можно определить как степень совершенства изделий, отвечающая требованиям, определяемым запросами потребителей.

Качество продукции ставят в зависимость от этапов ее создания и существования:

• • на этапе проектирования — соответствие требованиям ТЗ;
• • на этапе изготовления — соответствие требованиям технической документации;
• • на этапе применения — степень удовлетворения запросов потребителя.

Надежность — достаточно широкое понятие, это свойство изделия (в том числе аппаратуры) выполнять свои функции в определенных условиях эксплуатации при сохранении значений основных параметров в установленных пределах в течение заданного промежутка времени.

Надежность — комплексное понятие, в которое входят:

• • безотказность — свойство изделия непрерывно сохранять работоспособность в течение заданного промежутка времени;
• • долговечность — свойство изделия сохранять работоспособность до наступления предельного состояния, при котором его дальнейшее использование или восстановление нецелесообразно;
• • сохраняемость — свойство изделия непрерывно находиться в исправном состоянии при хранении или транспортировании;
• • ремонтопригодность — свойство изделия, заключающееся в приспособленности его к ремонту и техническому обслуживанию.

Рассмотренные свойства определяются количественными характеристиками — показателями надежности. Одним из основных показателей надежности является средняя наработка на отказ Тср. Чем больше эта величина, тем выше надежность изделия.

Величину, обратную Тср, называют интенсивностью отказов, которая для экспоненциальной функции распределения наработки на отказ имеет вид.

Размерность интенсивности отказов — количество отказов в час. Средняя наработка на отказ Тср и вероятность безотказной работы R(t) за время непрерывной работы аппаратуры tp связаны соотношением и достаточно полно характеризуют надежность невосстанавливаемых изделий.

Интенсивность отказов нерезервированной аппаратуры, в том числе системы, состоящей из п различных элементов, определяется суммой интенсивностей отказов этих элементов и в предположении действия экспоненциального закона распределения отказов.

где ?i — интенсивность отказов г-го элемента системы; i = 1,…, п.

Эта характеристика показывает, какая доля всех изделий в среднем выходит из строя за 1 ч работы. Например, если? = 10−5 1/ч, то это означает, что за 1 ч работы из строя выйдет одна стотысячная доля изделий; соответственно за 1000 ч работы можно ожидать выхода из строя одной сотой доли изделий. Если работают 100 таких изделий, то в среднем за каждые 1000 ч будет выходить из строя одно изделие.

Усредненная зависимость? от времени t, представленная на рис. 2.1, называется кривой жизни изделия и имеет три характерных периода.

Рис. 2.1. Усредненная зависимость ?(t) — кривая жизни изделия:

I — период приработки; II — период нормальной работы; III — период старения Временно? й интервал от начала работы до времени t1 называют периодом приработки. В течение этого периода из строя выходят элементы изделия, имеющие скрытые дефекты, оставшиеся незамеченными при контроле. По мере выхода из строя таких элементов интенсивность отказов аппаратуры уменьшается и на отрезке времени — t2 остается практически неизменной. Этот отрезок времени называют периодом нормальной работы. Рост интенсивности отказов после момента времени t2 объясняется фактическим износом элементов, и этот период называют периодом старения.

Характеристики устойчивости изделий имеют важное значение. Для аппаратуры свойство устойчивости отражает ее способность нормально функционировать в условиях воздействия внешних возмущающих факторов. К таким возмущающим факторам относят механические, тепловые, электромагнитные воздействия, ионизирующие излучения, давление, влажность, пыль и химический состав окружающей среды.

Аппаратура, установленная на подвижных объектах, подвержена воздействию вибрации, ударов и линейных ускорений, которые возникают при передвижении объекта по дорогам, при посадке самолетов, стрельбе из орудия, изменении скорости движения и т. д. Одной из основных характеристик механических воздействий является перегрузка.

где F= т • а — сила, появляющаяся в результате воздействия ускорения а; т — масса конструкции; Р = т • g — сила тяжести; g — ускорение свободного падения.

Если на аппаратуру воздействует синусоидальная вибрация, то перегрузка в единицах g определяется как.

G = 0,004 Аf2,.

где А — амплитуда вибрации, мм; f — частота вибрации, Гц.

Проблема обеспечения надежности изделий при наличии вибрации — не простая, поэтому не терпит легковесного к себе отношения, более подробно она рассмотрена в [29, т. 9, 10].

Значение перегрузки при ударах обычно определяют экспериментально с помощью датчиков, в частности микроэлектромеханических систем (МЭМС) — датчиков ускорения (акселерометров).

Аппаратура, нормально функционирующая при воздействии вибраций, называется виброустойчивой. Аппаратура, которая может противостоять разрушающему воздействию вибраций, ускорений, ударов и продолжает после этого нормально функционировать, называется виброустойчивой и ударопрочной.

Одним из важнейших факторов является тепловое воздействие на аппаратуру, которое характеризуется температурой окружающей среды и (или) скоростью изменения температуры. При больших скоростях изменения температуры говорят о тепловом ударе. Диапазон и динамика изменения температуры оказывают влияние на работу большинства узлов аппаратуры. В механических узлах изменяются зазоры и натяги, одновременно происходит испарение и сгущение смазочных материалов и изменяются параметры электрорадиокомпонентов (ЭРК). Аппаратуру, нормально функционирующую при отрицательных температурах, называют холодоустойчивой, а при высоких температурах — теплоустойчивой.

Электромагнитная устойчивость аппаратуры — свойство, характеризующее способность аппаратуры работать в условиях воздействия электрических и магнитных полей, создаваемых независимо работающими изделиями электронной аппаратуры (ЭА). Для обеспечения электромагнитной устойчивости изделия ЭЛ экранируются специальными металлическими экранами, в большинстве случаев совмещающими эти функции с функциями защитного кожуха.

Некоторые виды ЭА должны непрерывно работать в условиях ионизирующих излучений. Потоки нейтронов и ?-излучение, обладающие наибольшей проникающей способностью, могут приводить к отказам полупроводниковых приборов, деградации свойств органических и магнитных материалов. Ряд металлов (цинк, молибден, кобальт, кадмий и др.) в результате нейтронного облучения сами могут стать источниками вторичного излучения, защита от которого требует принятия специальных материаловедческих и других мер, использования специальных материалов.

Понижение давления воздуха сопровождается уменьшением его электрической прочности, что в ряде случаев может привести к пробою воздушных промежутков между токоведущими частями аппаратуры. Кроме того, при понижении давления ухудшается отвод тепла от нагретых элементов (вследствие уменьшения конвекции), в результате чего их температура повышается. Защиту обеспечивают введением систем обеспечения теплового режима, работа которых может быть основана на использовании термоэлектрических приборов, тепловых труб и др.

Влажность окружающей среды также оказывает отрицательное воздействие на работу ИЭТ, ЭА. Циклические изменения температуры (например, суточные) сопровождаются уменьшением концентрации паров в воздухе и конденсацией влаги на поверхности аппаратуры. Подобные явления могут произойти при попадании ИЭТ, ЭА в туман, если температура аппаратуры ниже температуры воздуха. При этом влага проникает внутрь изоляционных материалов, что приводит к резкому уменьшению сопротивления изоляции, росту потерь в диэлектрике и изменению диэлектрической проницаемости.

Воздействуя на металлы, особенно при наличии пыли, влага вызывает появление электрохимической коррозии металлов. Для защиты от воздействия влаги ИЭТ, ЭА, как правило, герметизируют, и такую аппаратуру называют влагоустойчивой. Высокая влажность воздуха способствует растворению химически активных веществ (кислот, щелочей, солей и т. д.), которые также вызывают коррозию металлов, а при достаточно высоких температурах образование плесени и грибков, развивающихся на пластмассе, красках, лаках, коже, резине, текстильных изделиях. В некоторых тропических районах в ИЭТ, ЭА могут попадать и развиваться биологические объекты, например муравьи или термиты, поедающие пластмассу, древесину и другие органические материалы.