УДК 623.4.017:001.24
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОЦЕНКИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ МЕХАНИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ
В. В. Жаднов
Рассмотрены особенности отечественных и зарубежных методов оценки (прогнозирования) показателей надежности механических и электромеханических элементов приборов и систем. Приведены основные характеристики моделей эксплуатационной интенсивности отказов механических элементов и рекомендации по их применению. Показано, что даже использование программных средств, реализующих методы расчета надежности, может вызвать значительные трудности, связанные с достоверностью исходных данных. Ключевые слова: надежность, механические элементы, автоматизация расчетов, проектирование.
В настоящее время основным источником для расчетов показателей надежности элементов датчиков, приборов и систем является справочник "Надежность ЭРИ" [1], в котором приведены математические модели эксплуатационной интенсивности отказов электрорадио-изделий (ЭРИ) и численные значения их коэффициентов. Несмотря на то, что аббревиатура ЭРИ расшифровывается как "электрорадиоизделия", справочник содержит данные не только для расчета характеристик надежности изделий электронной техники (ИЭТ), таких, как интегральные микросхемы, полупроводниковые приборы и др., но и электромеханических элементов (например, машин электрических малой мощности), а также чисто механических элементов (соединений, плат с металлизированными сквозными отверстиями и др.). Однако, номенклатура таких элементов ограничена, поэтому при практических расчетах надежности теми элементами, которые отсутствуют в справочнике, пренебрегают и полагают их "абсолютно надежными".
Очевидно, что такой подход может привести (и приводит) к существенному завышению по-
казателей надежности систем, в первую очередь контрольно-измерительных, содержащих первичные преобразователи — датчики [2]. Поэтому при оценке надежности таких систем требуется учет надежности не только ЭРИ, но и широкого класса механических элементов (соединений, деталей и др.).
Для расчета таких элементов в [3] приведен метод расчета, основанный на использовании математических моделей эксплуатационной интенсивности отказов механических соединений, деталей, узлов и приборов. Кроме математических моделей (формул) в [3] также приведены таблицы, содержащие численные значения их коэффициентов. Следует отметить, что статья [3], изданная в 2006 г., в этой части является полной копией методики [4], выпущенной ИПУ РАН еще в 1998 г., данные которой в свою очередь в значительной степени заимствованы из РМ 25 446-87 [5], разработанного по результатам исследований, проведенных в НИИ "Тепло-прибор".
Если принять во внимание, что справочник "Надежность ЭРИ" в соответствии с [6], является официальным документом МО РФ, то легитимность
[5], не говоря уже о [4] и [3], вызывает большие сомнения в достоверности данных, приведенных в них, и возможности их использования при проведении расчетов надежности элементов современных (а не 1980-х годов прошлого века) датчиков, приборов и систем, тем более, что в части ИЭТ данные, приведенные в [4] безнадежно устарели (см. [1]).
Впрочем, последнее обстоятельство не столь существенно, так как по сей день выпускаются и применяются соединения, детали, узлы и приборы, разработанные в прошлом веке. В качестве примера рассмотрим класс "Прокладки". Для этого класса в [3] приведена следующая математическая модель эксплуатационной интенсивности отказов: = ^оа1ат, где ^о — интенсивность отказов в номинальном режиме и при нормальных условиях; а1 — коэффициент, зависящий от воздействующих факторов, условий эксплуатации и др.; а1П — коэффициент, зависящий от типа материала.
В свою очередь, коэффициент а1 рассчитывается по модели:
а1 = ^П^^З^М^ (1) где кц — коэффициент, зависящий от условий эксплуатации,
Значения коэффициентов и к12
Таблица 1
Условия эксплуатации кц (вибрации) кх2 (удары)
Неамортизированная Амор-тизиро-ванная Неамор-тизиро-ванная Амор-тизиро-ванная
Лаборатории, приборостроительные предприятия, сборочные цеха 1,0
Аппаратура прокатных станов, кузнечных молотов, прессов 10,0 3,0 15,0 5,0
Значения коэффициента кц
Таблица 2
Климат Кондиционер Отапливаемое помещение Неотапливаемое помещение
герметизированное негермети-зированное герметизированное негермети-зированное
Холодный 1,0 1,0 1,2 1,2 2,0
Морской субтропический 1,1 — — 1,5 2,0
Таблица 3 Значения коэффициентов к14 и к15
Таблица 4 Значения коэффициента ат
Аппаратура к14 (обслу-жива-ние) к15 (изго-товле-ние)
Бытовая 5,0 2,0
Управления технологическими процессами 0,8 0,5
Материал Температура, °С
20 40 60 80 100
Органический волокнистый 1,0 1,5 2,0 4,0 8,0
Фторопласт 1,0 1,0 1,0 1,0 1,2
вибрационных нагрузок и амортизации; &12 — коэффициент, зависящий от условий эксплуатации, ударных нагрузок и амортизации; к^з — коэффициент, зависящий от типа климата, наличия кондиционера, отопления и герметизации помещения;
— коэффициент, зависящий от вида аппаратуры и качества обслуживания; — коэффициент, зависящий от вида аппаратуры и качества изготовления.
В [3] также приведены таблицы с численными значениями коэффициентов. Из-за ограниченного объема статьи сами таблицы полностью приводить здесь
не будем, приведем лишь их фрагменты (см. табл. 1—4).
Хотя приведенные в [3] модели достаточно просты, но при большом числе элементов тру-
доемкость ручного расчета существенно возрастает. Поэтому для автоматизации расчетов надежности механических соединений, деталей, узлов и приборов была разработана система АСОНИКА-К-МЭ, которая вошла в состав программного комплекса АСОНИКА-К [7]. Главная форма интерфейса пользователя системы приведена на рис. 1.
Несмотря на очевидные достоинства использования системы АСОНИКА-К-МЭ для расчетов надежности, опыт ее применения показал, что модели [3] малопригодны для решения практических задач обеспечения надежности. Действительно, интенсивность отказов тех же прокладок не зависит ни от их площади, ни от количественных характеристик физико-механических свойств материалов и т. п. Другими словами, если полученные в результате расчетов интенсивности отказов прокладок (или любых других элементов) окажутся высокими, то число возможных путей повышения их надежности при использовании моделей [3] ограничено, а, следовательно, и возможность реализации соответствующих мероприятий маловероятна или потребует больших материальных затрат.
С этой точки зрения больший интерес представляют модели, приведенные в американ-
Рис. 1. Система АСОНИКА-К-МЭ. Интерфейс пользователя
16
вепвогв & Эувгетв • № 4.2013
ском стандарте NSWC-98/LE1 [8], разработанного специалистами Кардерокской дивизии Военно-Морского Флота США. В отличие от специалистов ИПУ РАН, которые, судя по [3], не поддерживают методику [4], американские специалисты непрерывно обновляют свой стандарт и в настоящее время действует редакция NSWC-06/LE10 [9]. Впрочем, что говорить о методике [4], если до сих пор действует редакция справочника [1] еще 2006 г., хотя в соответствии с [6] он должен обновляться каждые два года!
Чтобы дать представление о математических моделях эксплуатационной интенсивности отказов стандарта [9] приведем модель для класса "Прокладки/Заглушки":
^П =
= ^БKДKУKРKПKШKВKТKпр, (2) где ^б — базовая интенсивность отказов прокладки; Кд — коэффициент, зависящий от величины давления жидкости или газа внутри системы; Ку — коэффициент, зависящий от величины допустимой утечки через прокладку; КР — коэффициент, зависящий от размера прокладки; КП — коэффициент, зависящий от величины давления на прокладку деталями, между которыми она установлена; КШ — коэффициент, зависящий от шероховатости поверхности деталей; КВ — коэффициент, зависящий от величины вязкости жидкости или газа; КТ — температурный коэффициент; Кпр — коэффициент, учитывающий влияние примесей в жидкости или газе.
Даже простое сравнение моделей (1) и (2) показывает, что модели стандарта NSWC более точные, чем приведенные в [3]. Кроме того, сами коэффициенты этих моделей также представ-
Коэффициент давления поверхности, Кп 1 о о о ,о о о 0 1 0 0 0 о
/ /—
!
1 0,5 1,0 1,5 Отношение М/С
Рис. 2. NSWC-06/LE10. Зависимость коэффициента Кп от отношения М/С
Рис. 3. Программа MechReal. Интерфейс пользователя
ляют собой функции геометрических размеров, физико-механических свойств материалов и т. п. Ниже, в качестве примера, приведена формула для расчета коэффициента Кп:
Кп = г м/с
0,55
4,3
где М — твердость материала прокладки по Мейеру; С — давление соединяемых поверхностей на прокладку.
Очевидно, что применение моделей стандарта NSWC существенно увеличивает трудоемкость "ручных" расчетов в срав-
нении с [3]. Поэтому наряду с формулами для расчета коэффициентов в нем приведены соответствующие номограммы (рис. 2).
Впрочем, эти номограммы скорее дань традиции представления информации в справочниках по надежности, чем средство для облегчения расчетов, так как наряду со стандартом его разработчики также поставляют программу для ЭВМ MechReal (рис. 3).
Тем не менее, номограммы могут быть полезны при обосновании выбора мероприятий,
направленных на повышение надежности, поскольку дают наглядное представление о влиянии того или иного параметра на величины коэффициентов, а, следовательно, и эксплуатационной интенсивности отказов в целом.
Естественно, что модели этого стандарта входят и в состав программных средств (модулей "Прогнозирования безотказности" — Reliability Prédiction) зарубежных производителей, таких как PTC Corporate Headquarters, ReliaSoft Corporation, ALD Ltd. и др. [10]. Причем многие из них Рис. 4. Программа RAM Commander. Интерфейс пользователя построены таким образом, что
гО<
PODGRUPP
IDENT Number (10)
NOMER Number (10)
NOMGRUPP Number (10) NOMPODGRUPP N
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.