Методы конструирования, обеспечивающие получение высокой надежности

Одним из способов повышения надежности, когда это допустимо с точки зрения ограничений в массе, объеме и стоимости, является создание больших запасов прочности конструкции. При расчете ответственных силовых конструкций это означает, например, что нужно рассчитать конструкцию на 4 500 кг, когда максимальное усилие по техническим условиям составляет 450 кг. При конструировании радиоэлектронной аппаратуры режимы работы электронных элементов облегчаются до такой степени, что обеспечивается их использование на 10… 15% номинальных значений параметров. При конструировании гидравлических или пневматических систем это означает, например, конструирование сосуда высокого давления, рассчитанного на удельное давление 70 кг/см², при установленном максимальном удельном давлении 7 кг/см².

Для конструктора, стремящегося обеспечить высокую надежность, полезными оказываются два подхода — упрощение и стандартизация. Чем проще конструкция, тем выше внутренне присущая ей надежность. Уменьшение количества деталей или числа различных типов используемых деталей представляет собой очевидный метод повышения потенциальной надежности электронного устройства. Стандартные элементы и схемы обычно проходят тщательную приработку, и вероятность появления каких-либо неприятных неожиданностей при их использовании очень мала. Необходимо иметь в виду, что каждое затейливое устройство все же можно заставить функционировать; однако чем выше сложность конструкции, тем обычно меньше ее надежность.

Конструктор должен проявлять интерес к факторам инженерной психологии. Следует заботиться о том, чтобы неправильная сборка или неправильное использование созданной конструкции были бы затруднительными. По возможности длина кабелей должна выбираться таким образом, чтобы можно было соединить с соответствующим разъемом только нужный кабель; разъемы должны отличаться по размерам, чтобы подходил только разъем соответствующего кабеля. Если поставлено условие возможности замены функционального узла, то проблемы, связанные с удалением и заменой его малоквалифицированным персоналом в эксплуатационных условиях, должны быть тщательно рассмотрены и решены оптимальным способом. В случаях когда можно уронить болт крепления, гайку или винт в важную или недоступную часть устройства, вероятность повреждения конструкции (при прочих равных условиях) значительно возрастает.

Большое значение для повышения надежности имеют обеспечиваемые конструкцией возможности проведения производственных и эксплуатационных испытаний и контроля. Разработчик функциональной схемы по возможности должен так выбирать принцип действия и схему устройства и его узлов, чтобы они могли быть подвергнуты полной неразрушаюшей функциональной проверке. Например, электрический выключатель может быть проверен в работе, тогда как такая же проверка предохранителя приводит к его разрушению. В данном случае преимущество «испытуемости» должно быть взвешено и сопоставлено с вероятно более высокой надежностью предохранителя. Обмотка электромагнита может быть повторно много раз проверена в работе; пирозапал является устройством одноразового действия. Очень важной характеристикой высоконадежной конструкции является также возможность проконтролировать ее основные размеры, отделку поверхностей и другие нефункциональные особенности.

Необходимо отметить, что в отношении частой оперативной проверки сложных систем оружия существуют две школы. Так называемая школа «деревянных ракет» придерживается взгляда о необходимости проведения лишь очень редких проверок или исключения их, пока система оружия работоспособна. Вторая школа выступает за регулярные и частые функциональные проверки работоспособности системы оружия. Исследователи, принадлежащие к первой школе, исходят из того, что «проверка влечет за собой износ» и надежность системы оружия заметно понижается при каждой проверке. Фактически на практике прибегают к компромиссному решению, выражающемуся в проведении нечастых, но регулярных функциональных проверок по сокращенной программе.

Если конструкция требует применения специальных технологических процессов или необычных производственных методов, то эти требования должны быть четко указаны в чертежах и технических условиях. Кроме того, в них должны быть приведены предупредительные сведения относительно организации системы контроля производственных процессов и качества, с тем, чтобы были сведены к минимуму возможность неблагоприятного влияния на надежность и качество особенностей характеристик оборудования, способов его установки и степени подготовки персонала. В качестве примера можно указать на конструкцию, которая должна быть изготовлена в чистом помещении при определенных условиях работы. В случаях когда производственная организация этими условиями не располагает, они должны быть созданы либо должны быть приняты предупредительные меры, позволяющие устранить вредное влияние загрязненности помещения.

Обычно значительно легче сконструировать аппаратуру для благоприятных окружающих условий, чем для жестких (предельных) условий. Одним из способов повышения надежности устройства является создание облегченных условий. Этого можно добиться путем обеспечения термостатирования или температурного контроля, ослабления ударных нагрузок с помощью амортизации, уменьшения влажности при транспортировке, хранении и эксплуатации, применением в замкнутом объеме влагопоглотителей и т. п. Несмотря на то что изменение окружающих условий (обычно путем применения специальных контейнеров, в которых поддерживаются требуемые условия) обходится очень дорого и связано с дополнительными трудностями, тем не менее, оно представляет собой выход из положения в тех случаях, когда невозможно найти приемлемое конструктивное решение для обеспечения надежности при работе во всем диапазоне предельных условий.

Одним из важных методов, используемых для достижения высокой конструктивной надежности, является резервирование, хотя этот метод обладает определенными ограничениями. Легко убедиться в том, что выполнение некоторой функции с помощью одной из двух функциональных цепей имеет преимущество в отношении обеспечения надежности по сравнению со случаем работы только одной цепи. Иногда автоматическое функциональное устройство дублируется с помощью ручного устройства (при участии оператора). Резервирование обеспечивается также применением нескольких двигателей на морских судах и самолетах. Для увеличения надежности систем может быть принято решение об использовании обслуживающего персонала в дополнение к полностью автоматизированным устройствам.

Следует иметь в виду, что резервирование как метод конструирования имеет определенные ограничения и не может рассматриваться как панацея от всех бед. Некоторые из этих ограничений заключаются в следующем:

• 1) ограничения в габаритных размерах и массе могут привести к двум дублированным схемам (или другим функциональным устройствам), в которых используются малогабаритные, менее надежные элементы, размещаемые в располагаемом объеме. При этих условиях надежность резервированной системы может оказаться даже меньше, чем надежность нерезервируемой системы;
• 2) удары, вибрации или изменения температуры, которые могут вызвать выход из строя одной схемы или системы, вероятно, вызовут выход из строя обеих (резервированных) систем. При таких условиях необходимо лучше направить усилия конструктора на защиту от перегрева, ослабление вибраций и ударов или на другую защиту схемы или системы от воздействия окружающих условий;
• 3) не всегда то, что кажется резервированием, оказывается им на самом деле. Так, например, две трубы, используемые для параллельной передачи жидкости (с необходимыми контрольными клапанами и т. п.), являются полностью резервированными только в том случае, если каждая труба в отдельности рассчитана на максимально требуемый поток жидкости. Можно привести и другой пример. Двухмоторный самолет, который при полете с одним двигателем не может обеспечить достижение требуемых высоты и скорости полета, теоретически менее надежен при полете над водной поверхностью, чем одномоторный самолет. Это объясняется тем, что вероятность отказа двигателя у двухмоторного самолета в два раза больше, чем у одномоторного.

Другой метод конструирования, направленный на повышение надежности, заключается в преднамеренном решении не рассчитывать конструкцию на самые худшие рабочие условия. Приняв такое решение, конструктор может использовать менее сложную конструкцию, обладающую более высокой надежностью при всех, кроме наихудших возможных сочетаний, условиях. Вероятность столкнуться с самыми худшими сочетаниями условий окружающей среды статистически весьма мала, и поэтому конструктор может ожидать выигрыша в надежности.

Наконец, эффективный метод повышения надежности заключается в том, чтобы проявлять неизменное глубокое внимание ко всем случаям отказов и неувязкам в конструкции, сведения о которых поступают из отчетов о разработке, конструктивного анализа, приказов на изменения в чертежах (от службы контроля качества продукции и службы технической связи), формальных программ испытаний, отчетов о неисправностях и отказах при эксплуатации и материалов исследования причин отказов. Оперативные эффективные корректировочные меры могут в значительной степени повысить надежность.

Таким образом, существует несколько методов, с помощью которых можно повысить конструктивную надежность. В каждом случае эти методы необходимо всесторонне оценить, выяснить ограничения, влияющие на конкретную разрабатываемую конструкцию. Конструктивные методы повышения надежности предусматривают: создание запасов прочности конструкции, облегчение режимов работы элементов, упрощение конструкции, использование стандартных деталей и узлов, учет факторов инженерной психологии, обеспечение ремонтопригодности и возможности проведения текущих испытаний и контроля, меры, позволяющие успешно выполнить специальные технологические процессы, обеспечение благоприятных окружающих условий работы устройства, обоснованное использование резервирования, и, наконец, учет материалов, содержащихся в оперативных отчетах по разработке, и принятие необходимых корректировочных мер для устранения вероятных причин ненадежной работы устройства.