Понятие отказа. Классификация отказов

Под отказом понимают полную или частичную потерю из­делием работо­способности вследствие ухода одного или несколь­ких параметров изделия за пределы установленных норм.

По своей физической природе отказ - событие случайное. Случайной ве­личиной, описывающей отказ, является наработка до отказа.

Под наработкой в общем случае понимают продолжитель­ность работы из­делия, выраженную в часах, циклах переключе­ния или других единицах исходя из вида и функ­ционального назначения изделия. К примеру, для интегральной микросхемы наработка выражается в часах, для переклю­ча­теля - в циклах переключения, для счетчика бета-излучения - в им­пульсах и т.д. При этом, в случае если изделие работает с перерывами, то в суммарную наработку включаются только пе­риоды работы (функционирования) изделия.

Под наработкой до отказа понимают наработку изделия от момента всту­пления в работу (эксплуатацию) до возникновения первого отказа.

Сегодня существуют различные схемы классифи­кации отказов. Одна из схем, широко используемая в теории и практике надежности РЭУ, представлена в табл.1.1.

Таблица 1.1

Классификация отказов РЭУ и их элементов

Внезапный отказ - это отказ, характеризующийся скачко­образным изме­нением значения одного или нескольких парамет­ров изделия.

Под постепенным (параметрическим) понимают отказ, воз­никающий в результате постепенного (обычно непрерывного и монотонного) изменения значений одного или нескольких пара­метров изделия.

Четкой границы между внезапным и постепенным отказами провести не удается. В литературе дано следующее определœение внезап­ного отказа: это отказ, наступление которого не должна быть пред­сказано предварительным контролем или диагностированием.

Сбой (временный отказ) - это самоустраняющийся отказ или одно­кратный отказ, устраняемый незначительным вмеша­тельством оператора.

Перемежающийся отказ - это многократно возникающий самоустра­няющийся отказ одного и того же характера.

Под явным понимают отказ, обнаруживаемый визуально или штат­ными методами и средствами диагностирования при под­готовке объекта к применению или в процессе его применения по назначению.

Под скрытым (неявным) отказом понимают отказ, не обна­руживаемый визуально или штатными средствами и методами контроля и диагностирова­ния, но выявляемый при проведении технического обслуживания или специ­альными методами диагно­стирования.

Независимым называют отказ, не обусловленный другими отказами.

Зависимым называют отказ, обусловленный другими от­казами.

Под конструктивным понимают отказ, возникший по при­чинœе, связан­ной с несовершенством или нарушением установлен­ных правил и (или) норм проектирования.

Под производственным понимают отказ, связанный с несо­вершенством или нарушением установленного процесса изготов­ления или ремонта.

Подэксплуатационным понимают отказ, возникающий по причинœе, связанной с нарушением установленных правил или ус­ловий эксплуатации.

Под деградационным понимают отказ, обусловленный есте­ственными процессами старения, изнашивания, коррозии и уста­лости при соблюдении всœех установленных правил и норм проек­тирования, изготовления и эксплуа­тации.

Понятие отказа. Классификация отказов - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Понятие отказа. Классификация отказов" 2017, 2018.

Классификация отказов

К атегория:

Техническая эксплуатация машин

Классификация отказов

Основа классификации отказов - характер возникновения и особенности протекания процессов, приводящих к отказу. Отказы могут быть внезапными и постепенными.

Внезапный отказ возникает при скачкообразном изменении одного или нескольких параметров объекта, определяющих его качество. Такие изменения являются следствием сочетания неблагоприятных факторов воздействия. Внезапный отказ может возникнуть при возрастании механических нагрузок, превышающих расчетные, при несоблюдении условий эксплуатации, наличии скрытых технологических дефектов, при прекращении подачи смазки и т. п. Потеря работоспособности при этом происходит внезапно, без предшествующих признаков разрушения.

Постепенные отказы происходят вследствие постепенного изменения одного или нескольких параметров объекта. Основной причиной их является износ деталей и процесс естественного старения. Постепенному отказу предшествуют различные прямые и косвенные признаки, позволяющие его прогнозировать.

Принципиальной разницы между внезапными и постепенными отказами не существует. Внезапные отказы чаще всего являются следствием постоянного, но скрытого от глаз наблюдателя, старения, ухудшающего начальные параметры объекта. Так, постепенное накопление усталостных напряжений приводит к внезапному отказу.

Отказы в зависимости от их последствий можно разделить на зависимые и независимые. Зависимые отказы происходят вследствие отказа другой детали. Примером зависимого отказа может служить выход из строя поршня при обрыве клапана. Независимые отказы не зависят от отказов других деталей рассматриваемого изделия.

В зависимости от причины возникновения отказы подразделяют на конструкционные, производственные и эксплуатационные. Конструкционный отказ - это отказ, возникший в результате несовершенства или нарушения установленных правил и (или) норм конструирования объекта. Отказ, возникший в результате несовершенства либо нарушения установленного процесса изготовления или ремонта, выполнявшегося на ремонтном предприятии, называется производственным отказом. Эксплуатационный отказ - это отказ, возникший в результате нарушения установленных правил и (или) условий эксплуатации объекта.

Основным источником информации о надежности РЭО и СА на всех этапах жизненного цикла являются сведения об отказах, поэтому анализ отказов имеет исключительно важное значение для системы управления надежностью. В процессе анализа отказы классифицируют, определяют причины их возникновения, раскрывают механизм отказов и разрабатывают технические и организационные мероприятия по их предотвращению.

Классификация отказов на этапе разработки и производства приборов имеет своей целью определение факторов, которые играют доминирующую роль в выявлении причин отказов. Такими факторами могут быть конструктивные недоработки, дефекты материалов, нарушения технологического режима и установленных процедур контроля и испытаний. Причины отказов могут быть организационными и техническими. Для устранения организационных причин необходимо уточнить процедуры контроля и самоконтроля операторов, процедуры испытаний, совершенствовать технологический процесс. Для устранения технических причин следует изучить механизмы отказов с целью выработки технических мероприятий по исключению их действия.

Особое внимание при анализе отказов уделяется систематическим, или повторяющимся, отказам. Они возникают под воздействием неслучайного сочетания неблагоприятных факторов, и поэтому причины, их вызывающие, должны быть выявлены и устранены.

Методика анализа отказов предусматривает ряд последовательных действий, направленных на выявление причин и механизмов отказов. Согласно этой методике, прежде всего, проводится тщательный анализ условий возникновения отказа, при этом детально изучаются рабочие режимы.

Основные виды отказов классифицируют по:

Характеру изменения параметров объекта - постепенный, внезапный;

Связи с отказами других объектов - независимый, зависимый;

Стадии возникновения причины отказа - конструкционный, производственный, эксплуатационный, деградационный;

Устойчивости неработоспособности - самоустраняющийся, перемежающийся,

Способу обнаружения - явный, скрытый.

При постепенном отказе изменение параметра происходит без резкого скачка. Например, качество поддерживающей жидкости гирокомпаса с течением времени постепенно снижается. Такие отказы вызываются износом и старением элементов изделия, особенно изоляции токоведущих частей и подвижных электрических и механических соединений. Старение изоляции, т. е. необратимое изменение ее структурного и химического состава, происходит под действием различных эксплуатационных факторов: температуры, влажности, вибрации, электродинамических сил и др. Износ элементов подвижных электрических контактов электрических машин (коллекторов, контактных колец и щеток) вызывается механическим трением, биением рабочих поверхностей, нагревом в контакте и искрением.

Постепенное изменение электрических параметров полупроводниковых приборов и интегральных микросхем обусловлено неравномерным распределением примесей в полупроводниковом кристалле, применением структур с резко отличающимися физическими характеристиками. Возможность изменения параметров и пределы этих изменений учитываются критериями отказа. Предельные изменения параметров приборов учитываются при конструировании аппаратуры, чтобы исключить чувствительность ее выходных характеристик к этим изменениям.

В качестве примеров постепенных отказов можно привести отказы приборов, происходящие в результате возрастания обратных токов р-п-переходов за счет токов утечек, уменьшения коэффициента усиления транзисторов, возрастания прямого падения напряжения диодов, изменения уровня нуля или единицы цифровых интегральных микросхем и порогового напряжения МДП-приборов.

Внезапный отказ характеризуется скачкообразным изменением значений одного или нескольких параметров объекта. Так, перегорание предохранителя в цепи питания силового трансформатора в усилителе эхолота приводит к мгновенному выходу из строя линии приема сигналов. Такие отказы происходят в основном в результате короткого замыкания или обрыва электрической цепи (жил кабеля и приводов, резисторов, конденсаторов, полупроводниковых приборов, ИМС и др.). К общим причинам внезапных отказов РЭО и СА относятся конструкционные недостатки, низкое качество изготовления, неправильные действия судового обслуживающего персонала.

Причинами внезапных отказов могут быть как естественные постепенные изменения физической структуры прибора, которые при определенных условиях приобретают лавинообразный характер, приводящий к отказу, так и условия функционирования прибора в аппаратуре. При использовании прибора в электрическом режиме в его структуре в результате локальных флуктуаций плотности тока и перегревов могут возникать микроповреждения, которые, накапливаясь, при очередной неконтролируемой кратковременной перегрузке приводят к внезапному отказу. Характерными примерами внезапных отказов являются обрывы в структуре прибора и короткие замыкания (КЗ), возникающие в результате пробоя диэлектрических изолирующих слоев или проплавления p-n-переходов, вызываемых перегрузками. За коротким замыканием, как правило, следует обрыв, так как в местах пробоя резко возрастает плотность тока, происходит значительный разогрев образовавшейся проводящей перемычки и ее перегорание.

Деление отказов на внезапные и постепенные носит достаточно условный характер и определяется, в основном, возможностями контроля параметров объекта. Отказ классифицируется как внезапный, если ему не предшествует направленное изменение какого-либо из наблюдаемых эксплуатационных параметров, и, значит, практически невозможно прогнозировать время возникновения такого отказа. Постепенному отказу предшествует закономерное изменение эксплуатационного параметра, что позволяет прогнозировать время возникновения отказа.

Для ряда элементов постепенные отказы составляют значительную часть всех отказов.

Вероятность появления постепенных и внезапных отказов некоторых радиоэлементов представлена в табл. 3.1.

По взаимосвязи между элементами отказы принято разделять на независимые и зависимые. Если отказ определенного элемента прибора не обусловлен повреждением или отказами других элементов, его называют независимым. Например, в гирокомпасе отказ системы ускоренного приведения гиросферы в меридиан не может быть обусловлен выходом из строя системы охлаждения, так как эти системы работают независимо друг от друга.

Отказ узла пройденного расстояния в лаге может быть связан с неисправностью в узле скорости. Так как эти узлы между собой сопрягаются, то этот отказ является зависимым. Выход из строя блока питания (при отсутствии защиты от КЗ) из-за короткого замыкания в потребителе электроэнергии также может служить примером зависимого отказа.

Отказы электронных приборов, возникающие в результате процессов, происходящих в их внутренней структуре, называют независимыми. Однако весьма часты случаи, когда повреждения приборов связаны с выходом из строя предохранителей цепей защиты от перегрузок и пассивных ограничительных элементов.

Отказы приборов по указанным причинам также называют зависимыми.

При рассмотрении причин выхода из строя полупроводниковых приборов и интегральных микросхем в аппаратуре необходимо установить степень зависимости отказа приборов от отказов других элементов. Это очень важно при выборе мер по устранению последующих отказов.

По характеру устранения различают самоустраняющиеся (сбой) и перемежающиеся отказы. В судовых условиях при кратковременном выключении судовой сети может нарушиться работоспособность любого судового электрорадионавигационного прибора (ЭРНП) и средства связи. Однако при подаче питания отказ может самоустраниться. Это пример сбоя, т. е. однократно возникающего и самоустраняющегося отказа или отказа, устраняемого оператором. Если несколько сбоев одного и того же характера следуют друг за другом, происходит перемежающийся отказ прибора. Простейшим примером таких отказов служат сбои, появляющиеся в приборах из-за наличия в объеме герметичного корпуса токопроводящих частиц, способных создавать кратковременные замыкания между внутренними выводами и отдельными токопроводящими дорожками.

Самоустраняющиеся отказы могут возникать вследствие кратковременного воздействия на некоторый элемент (или элементы) устройства или системы внешних помех, а также в результате кратковременного изменения параметров элементов (кратковременное нарушение контактов, подвижных связей и т. п.).

Самоустраняющийся отказ ЭВМ сопровождается искажением информации при операциях передачи, хранения и обработки, поэтому, если не устранить последствия такого отказа, задача может оказаться неправильно решенной из-за искажения данных, промежуточных результатов или непосредственно программ. При самоустраняющемся отказе РЭО и СА, построенных на базе микропроцессоров и ЭВМ, необходимо восстанавливать достоверность информации, например, путем повторного пуска программы или ее части; в этом случае ремонт или регулировка аппаратуры, как правило, не требуется.

По степени обнаружения различают отказы:

Явные - обнаруживаются визуально или штатными методами и средствами контроля и диагностирования при подготовке объекта к использованию или в процессе его применения по назначению;

Скрытые - не обнаруживаются визуально или штатными методами и средствами контроля и диагностирования, но выявляются при техническом обслуживании или с помощью специальных методов диагностирования.

При возникновении отказа или повреждения следует выявить признаки (критерии) нарушения работоспособности объекта, выяснить причину их появления, определить характер и последствия.

Конструкционные отказы происходят в результате несовершенства или нарушения установленных правил и (или) норм конструирования объекта. Причинами, вызывающими такие отказы, могут быть неправильная оценка возможностей приборов при их выборе для изготовления аппаратуры, ошибки при ее конструировании. В результате приборы могут подвергаться перегрузкам и преждевременно выходить из строя.

Производственные отказы возникают вследствие несовершенства или нарушения установленного процесса изготовления или ремонта объекта, который выполняется на ремонтном предприятии.

При производстве радиоэлектронной аппаратуры приборы могут повреждаться в процессе входного контроля из-за неправильного выбора режимов измерений и испытаний, при установке в аппаратуру вследствие нарушения технологических режимов сборки.

Эксплуатационные отказы связаны с нарушением установленных правил и (или) условий эксплуатации объекта. Приведем пример эксплуатационного отказа. Правила включения гирокомпаса требуют, чтобы перед пуском все выключатели находились в положении «Выключено». Если оператор, нарушив это требование, оставит выключатель затухания в положении «Без затухания», что соответствует состоянию «Включено», то гирокомпас в меридиан не придет, несмотря на то, что все операции пуска будут выполнены строго в соответствии с правилами. В результате неправильных действий оператора произойдет отказ, который следует квалифицировать как эксплуатационный.

Деградационный отказ обусловлен естественными процессами старения, изнашивания, коррозии и усталости при соблюдении всех установленных правил и (или) норм проектирования, изготовления и эксплуатации.

Ресурсный отказ возникает тогда, когда объект достигает предельного состояния.

Критерий отказа - это признак или совокупность признаков нарушения работоспособного состояния объекта, установленного в нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации (например, контрольные амперметры показывают ненормальные токи в цепи питания моторов гирокомпаса). Кроме того, к критериям отказов относятся качественные признаки, указывающие на нарушение нормальной работы объекта: конкретные изменения в приборе, связанные с возникновением отказа (например, обрыв провода, деформация детали, обгорание контактов и т. п.).

Причина отказа - это явления, процессы, события и состояния, приведшие к возникновению отказа объекта. Причинами отказов могут быть нарушения правил и норм, допущенные при конструировании, производстве и технической эксплуатации, а также естественные процессы изнашивания и старения.

Последствия отказа - явления, процессы, события и состояния, обусловленные возникновением отказа объекта. Например, последствием отказа волновода в РЛС является выход из строя радиолокатора.

Классификация отказов имеет большое значение в практике эксплуатации РЭО и СА, так как позволяет определять причины отказа и устранять их.

Рассмотренные выше термины отражены в Государственных стандартах и нормативно-технической документации и являются обязательными при классификации отказов.

В процессе эксплуатации представляется возможным обнаружить и устранить ряд повреждений, которые могли бы привести к отказам, называемым предотвращаемыми. К ним относятся в основном постепенные отказы, при которых удается контролировать предшествующее им изменение характеристик РЭО.

Некоторые повреждения объекта не могут быть обнаружены и в конечном счете могут привести к непредотвращаемым отказам. К ним относятся внезапные отказы, статистические закономерности возникновения которых неизвестны.

Следует иметь в виду, что не все постепенные отказы можно предотвратить, так как часто весьма трудно определить медленные изменения параметров различных элементов РЭО и СА. Не все внезапные отказы относятся к непредотвращаемым, так как появление некоторых внезапных отказов может быть предсказано на основе изучения статистических закономерностей их возникновения во времени. Деление отказов на предотвращаемые и непредотвращаемые является условным, используется при оценке эффективности профилактических работ. Совершенствование методов контроля радиоаппаратуры приводит к тому, что все большая часть изменений параметров аппаратуры может быть обнаружена и предупреждена.

Соотношение между количеством предотвращаемых и непредо-твращаемых отказов различных типов радиоаппаратуры оценивается коэффициентом характера отказов:

где - количество предотвращаемых и непредотвра-щаемых отказов в данном типе радиоаппаратуры.

На значение коэффициента характера отказов любого типа аппаратуры большое влияние оказывают конструкционные, технологические и эксплуатационные факторы: свойства материалов и технология изготовления элементов, физические и химические воздействия на аппаратуру при эксплуатации, длительность эксплуатации и т. д.

Коэффициент характера отказов A(t) может быть определен для конкретных типов радиооборудования на основании статистических данных по отказам. Ниже приведены значения коэффициента характера отказов (в %) некоторых элементов радиоаппаратуры:

В процессе эксплуатации значительное количество отказов радиооборудования можно предотвратить путем своевременного выявления неисправностей и их устранения (настройка, регулировка и т. д.). Количество предотвращаемых отказов зависит от качества выполнения работ. Кроме того, совершенствование методов и средств контроля способствует тому, что большая часть изменений параметров ТС может быть обнаружена, а значит, и предупреждена.

Анализ отказов аппаратуры показывает, что примерно 40 - 45% всех отказов происходит из-за ошибок, допущенных при конструировании, 20% - из-за ошибок в процессе производства, 30% - в результате неправильной эксплуатации, 5 -10% - вследствие естественного износа и старения.

Причины отказов интегральных схем. В настоящее время уделяется большое внимание контролю качества электронного оборудования, однако, несмотря на это, в процессе эксплуатации часто происходят отказы отдельных компонентов или целых систем.

Выход из строя компонента может произойти по целому ряду причин, в частности из-за перегрузок по току или напряжению, чрезмерного нагревания, воздействия агрессивных химических веществ или повышенной влажности, а также некоторых условий производства и эксплуатации оборудования. Так, на начальном этапе эксплуатации отказы являются результатом производственных дефектов, ошибок проектирования или неправильного использования компонентов, а также применения дефектных компонентов, которые не были выявлены на этапе входного контроля. Большинство отказов в активный период эксплуатации происходит из-за высокой температуры и влажности, перегрузок по току и напряжению, вибрации, тепловых и механических воздействий, в дальнейшем - в результате старения компонентов. Причинами отказов, возникающих в процессе эксплуатации, могут служить коррозия, электрическая утечка, пробой изоляции, перемещение металлических ионов в направлении тока под воздействием электрического поля, а также разрушение материалов и проводников. Отказы механических компонентов, например, разъемов, происходят в результате износа контактов и увеличения их сопротивления.

Среди факторов, которые наиболее часто являются причиной выхода из строя электронного оборудования, можно выделить следующие:

Электрические перегрузки. Повреждения, вызванные электрическими перегрузками в процессе работы устройства, возникают под воздействием повышенного напряжения, тока или мощности. К таким повреждениям относятся:

Разрушение переходов и областей металлизации, а также обугливание и разрушение, связанные с перегревом отдельных областей кристаллов (в полупроводниковых устройствах);

Разрушение резистивного слоя или перегорание (плавление) провода в проволочных резисторах, появление разломов и изменение цвета корпуса (в резисторах);

Пробой диэлектрического материала и выделение тепла (в конденсаторах);

Плавление провода в обмотках, приводящее к короткому замыканию витков, чрезмерному выделению тепла в них, перегоранию или обугливанию компонента (в трансформаторах и катушках);

Электростатические разряды. Происходят из-за накопления заряда на выводах микросхем. При соприкосновении заряженного объекта с проводящей поверхностью возникает электрический разряд, приводящий к кратковременному потоку большого количества электронов в проводнике. Если при этом происходят необратимые изменения во внутренней структуре микросхемы, она выходит из строя.

К повреждениям, вызываемым электростатическими разрядами, относятся:

Разрыв тонких оксидных пленок в полупроводниковых устройствах как следствие пробоя диэлектрика;

Плавление проводников и областей металлизации из-за перегрева под воздействием высокого напряжения;

Ухудшение параметров или скрытые дефекты в структуре компонентов, которые не приводят к немедленному выходу устройства из строя, но делают работу системы неустойчивой и провоцируют эксплуатационные отказы в жестких условиях;

Наведение мощных электрических полей, приводящих к возникновению помех и сбоев в работе расположенных рядом электронных устройств.

Электромагнитные помехи и тепловой удар. Быстроменяющиеся электрические и магнитные поля способствуют появлению электромагнитных помех в проводниках. Наиболее часто источниками таких помех являются флуоресцентные лампы, промышленное и медицинское электронное оборудование, а также электробытовые приборы, использующие электродвигатели. К естественным источникам такого рода помех можно отнести грозовые разряды. Электромагнитные помехи в объекте становятся проблемой, когда имеется их источник, среда, передающая или ответвляющая помехи, и чувствительная к ним система. Электромагнитный сигнал от источника помех передается на чувствительное устройство благодаря явлениям проводимости и излучения. В первом случае помехи проникают в устройство через прямой проводящий тракт, во втором - через окружающую среду. Для того чтобы уменьшить электромеханические помехи, необходимо уже на стадии проектирования выбрать правильные схемотехнические решения и соответствующие им компоненты, правильную разводку печатных плат, специальные приемы заземления и экранирования.

Реферат

По дисциплине

«Надежность технических систем и техногенный риск»

по теме:

«Причины и виды отказов»

Введение

Переход объекта из одного вышестоящего технического состояния в нижестоящее обычно происходит вследствие событий: повреждений или отказов. Совокупность фактических состояний объекта и возникающих событий, способствующих переходу в новое состояние, охватывает так называемый жизненный цикл объекта, который протекает во времени и имеет определенные закономерности, изучаемые в теории надежности. Включающие в себя такие понятия, как повреждения, отказ и т.д. Рассмотрим эти понятия как можно полноценнее.

Повреждение - событие, заключающееся в нарушении исправного состояния объекта при сохранении работоспособного состояния.

Отказ - это событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта.

Применительно к отказу и повреждению рассматривают такие критерий, как причину, признаки, характер и последствия.

Под критериями отказа понимаются признаки, позволяющие установить факт нарушения работоспособности. Наиболее распространенными критериями отказов являются трещины, нарушения регулировок, износ и др.

Причинами отказов объектов могут быть дефекты, допущенные при конструировании, производстве и ремонте, нарушение правил и норм эксплуатации, различного рода повреждения, а также естественные процессы изнашивания и старения.

Признаками отказов объектов называются непосредственные или косвенные воздействия на органы чувств наблюдателя явлений, характерных для неработоспособного состояния объекта (падение давления масла, появление стуков, изменение температурного режима и т.д.).

Характером отказа (повреждения) являются конкретные изменения в объекте, связанные с возникновением отказа (обрыв провода, деформация детали и т.д.).

В данной работе я постараюсь рассмотреть классификацию, причины и последствия отказов в полном объеме.

1. Понятие отказа

Под отказом понимается событие, заключающееся в полной или частичной утрате работоспособности системы.

Отказ может быть связан с нарушением в выполнении каких-либо заданных функций (отказ функционирования) или с недостаточной квалификацией обслуживающего персонала, в результате которой система не выполняет заданные функции удовлетворительно. Отказы могут быть связаны с изменением параметров или характеристик системы, т.е. одна из основных функций выполняется плохо (отказ по параметру).

2. Классификация и характеристики отказов

Классифицировать отказы можно в зависимости от характера и особенностей, от момента возникновения. Перейдем к классификации отказов:

По характеру изменения параметра до момента возникновения отказа:

внезапный отказ;

постепенный отказ.

По связи с другими отказами:

независимый отказ;

зависимый отказ.

По возможности последующего использования после возникновения отказа:

полный отказ;

частичный отказ.

По характеру устранения отказа:

устойчивый отказ;

самоустраняющийся отказ (сбой или перемежающийся отказ).

По наличию внешних проявлений:

очевидный (явный) отказ;

скрытый (неявный) отказ.

По причине возникновения:

конструкционный отказ;

технологический отказ;

эксплуатационный отказ.

По природе происхождения:

естественный отказ;

искусственный отказ (вызываемый намеренно).

По времени возникновения отказов:

отказ при испытаниях;

отказ периода приработки;

отказ периода нормальной эксплуатации;

отказ последнего периода эксплуатации.

3. Характеристика отказов

Постепенные (износные) отказы характеризуются возникновением в результате постепенного протекания того или иного процесса повреждения, прогрессивно ухудшающего выходные параметры объекта.

Внезапные отказы возникают в результате сочетания неблагоприятных факторов и случайных внешних воздействий, превышающих возможности объекта к их восприятию. Внезапные отказы характеризуются скачкообразным характером перехода объекта из работоспособно в неработоспособное состояние.

Сложный отказ включает особенности двух предыдущих отказов.

К полным отказам относятся отказы, после которых использование объекта по назначению невозможно (для восстанавливаемых объектов - невозможно до проведения восстановления).

Частичные отказы - отказы, после возникновения которых объект может быть использован по назначению, но с меньшей эффективностью или когда вне допустимых пределов находятся значения не всех, а одного или нескольких выходных параметров.

Независимый отказ - отказ, не обусловленный другими отказами или повреждениями объекта.

Зависимый отказ - отказ, обусловленный другими отказами или повреждениями объекта.

Устойчивые отказы - отказы, которые можно устранить только путем восстановления (ремонта).

Отказы, устраняемые без операций восстановления путем регулирования или саморегулирования, относятся к самоустраняющимся.

Сбой - самоустраняющийся отказ или однократный отказ, устраняемый незначительным вмешательством оператора.

Перемежающийся отказ - многократно возникающий самоустраняющийся отказ одного и того же характера.

Явный отказ - отказ, обнаруживаемый визуально или штатными методами и средствами контроля и диагностирования при подготовке объекта к применению или в процессе его применения по назначению.

Скрытый отказ - отказ, не обнаруживаемый визуально или штатными методами и средствами контроля и диагностирования, но выявляемый при проведении технического обслуживания или специальными методами диагностики.

Большинство параметрических отказов относятся к категории скрытых.

Конструктивный отказ - отказ, возникший по причине, связанной с несовершенством или нарушением установленных правил и (или) норм проектирования и конструирования.

Производственный отказ - отказ, возникший по причине, связанной с несовершенством или нарушением установленного процесса изготовления или ремонта, выполняемого на ремонтном предприятии.

Эксплуатационный отказ - отказ, возникший по причине, связанной с нарушением установленных правил и (или) условий эксплуатации.

Деградационный отказ - отказ, обусловленный естественным процессом старения, изнашивания, коррозии и усталости при соблюдении всех установленных правил и (или) норм проектирования, изготовления и эксплуатации.

Искусственные отказы вызываются преднамеренно, например, с исследовательскими целями, с целью необходимости прекращения функционирования и т.п.

Отказы, происходящие без преднамеренной организации их наступления в результате направленных действий человека (или автоматических устройств), относят к категории естественных отказов.

Причины и последствия возникновения отказов

Причины возникновения отказов могут быть связаны с нарушением в выполнении каких-либо заданных функций (отказ функционирования) или с недостаточной квалификацией обслуживающего персонала, в результате которой система не выполняет заданные функции удовлетворительно. Отказы могут быть связаны с изменением параметров или характеристик системы, т.е. одна из основных функций выполняется плохо (отказ по параметру). Так же причинами отказов объектов могут быть дефекты, допущенные при конструировании, производстве и ремонте, нарушение правил и норм эксплуатации, различного рода повреждения, а также естественные процессы изнашивания и старения.

По признаку стадии происхождения дефекты можно разделить на три группы:

Дефекты (ошибки) проектирования. Сюда можно отнести:

недостаточную виброзащищенность;

наличие повышенных напряжений;

неправильный выбор материалов;

неправильное определение предполагаемого уровня эксплуатационных нагрузок.

Дефекты изготовления (производственные). К ним можно отнести:

дефекты механической обработки;

дефекты пайки;

дефекты термообработки;

дефекты сборки.

Дефекты эксплуатации. Сюда можно отнести:

нарушение условий применения;

неправильное техническое обслуживание и ремонт;

наличие перегрузок и непредвиденных нагрузок;

применение некачественных эксплуатационных материалов.

Также причинами возникновения отказов являются:

Конструкционный отказ, вызванный недостатками и неудачной конструкцией объекта;

Производственный отказ, связанный с ошибками при изготовлении объекта по причине несовершенства или нарушения технологии;

Эксплуатационный отказ, вызванный нарушением правил эксплуатации.

Характер устранения;

Устойчивый отказ;

Перемежающийся отказ (возникающий / исчезающий).

К последствиям отказа относятся явления, процессы и события, возникшие после отказа и в непосредственной причинной связи с ним (остановка двигателя, вынужденный простой по техническим причинам).

Последствиями отказа являются:

Легкий отказ (легкоустранимый);

Средний отказ (не вызывающий отказы смежных узлов - вторичные отказы);

Тяжелый отказ (вызывающий вторичные отказы или приводящий к угрозе жизни и здоровью человека).

Дальнейшее использование объекта:

Полные отказы, исключающие возможность работы объекта до их устранения;

Частичные отказы, при которых объект может частично использоваться.

Основные показатели безотказности для невосстанавливаемых объектов

Невосстанавливаемый объект - это объект, который не подлежит восстановлению в результате отказа.

Вероятность безотказной работы - это вероятность того, что в пределах заданий наработки отказ объекта не возникает. На практике этот показатель определяется статистической оценкой:

где N o - число однотипных объектов, поставленных на испытания (находящихся под контролем); во время испытаний отказавший объект не восстанавливается и не заменяется исправным;

n(t) - число отказавших объектов за время t .

Из определения вероятности безотказной работы видно, что эта характеристика является функцией времени, причем она является убывающей функцией и может принимать значения от 1 до 0.

График вероятности безотказной работы объекта

Как видно из графика, функция P(t) характеризует изменение надежности во времени и является достаточно наглядной оценкой

Иногда практически целесообразно пользоваться не вероятностью безотказной работы, а вероятностью отказа Q(t). Поскольку работоспособность и отказ являются состояниями несовместимыми и противоположными, то их вероятности связаны зависимостью:

P(t) + Q(t) = 1. (2)

Согласно законам теории вероятности вероятность безотказной работы можно определить по формуле:

(3)

где f(t) - плотность вероятности (согласно закона распределения).

Таким образом, зная плотность вероятности f(t), легко найти искомую величину P(t).

Связь между P(t), Q(t) и f(t) можно интерпретировать, как показано на рисунке 3.

Графическая интерпретация вероятности безотказной работы и вероятности отказа

отказ невосстанавливаемый наработка безотказный

Отметим, что не всегда в качестве наработки выступает время (в часах, годах). К примеру, для оценки вероятности безотказной работы коммутационных аппаратов с большим количеством переключений в качестве переменной величины наработки целесообразно брать количество циклов «включить» - «выключить». При оценке надежности скользящих контактов удобнее в качестве наработки брать количество проходов токоприемника по этому контакту, а при оценке надежности движущихся объектов наработку целесообразно брать в километрах пробега. Суть математических выражений оценки P(t), Q(t), f(t) при этом остается неизменной.

Средней наработкой до отказа называется математическое ожидание наработки объекта до первого отказа T 1 .

(4)

Таким образом, средняя наработка до отказа равна площади, образованной кривой вероятности безотказной работы P(t) и осями координат.

Статистическая оценка для средней наработки до отказа определяется по формуле

где N o - число работоспособных однотипных невосстанавливаемых объектов при t = 0 (в начале испытания);

t j - наработка до отказа j -го объекта.

Отметим, что как и в случае с определением P(t) средняя наработка до отказа может оцениваться не только в часах (годах), но и в циклах, километрах пробега и другими аргументами.

Интенсивность отказов - это условная плотность вероятности возникновения отказа объекта, определяемая при условии, что до рассматриваемого момента времени отказ не наступил. Из вероятностного определения следует, что

(6)

Статистическая оценка интенсивности отказов имеет вид:

(7)

где n(Δt) - число отказов однотипных объектов на интервале Δt 𝑖 , для которого определяется интенсивность отказов;

N ср. 𝑖 - число работоспособных объектов в середине интервала Δt 𝑖 (см. рисунок 4).

(8)

Схема для определения N ср

N 𝑖 +1 - число работоспособных объектов в конце интервала Δt 𝑖 .

Если при статистической оценке интенсивности отказов время эксперимента разбить на достаточно большое количество одинаковых интервалов Δt за длительный срок, то результатом обработки опытных данных будет график, изображенный на рисунке 5.

Кривая жизни объекта

Как показывают многочисленные данные анализа надежности большинства объектов линеаризованная обобщенная зависимость λ(t) представляет собой сложную кривую с тремя характерными интервалами (I, II, III). На интервале II (t 2 - t 1) λ = const. Этот интервал может составлять более 10 лет, он связан с нормальной эксплуатацией объектов. Интервал I (t 1 - 0) часто называют периодом приработки элементов. Он может увеличиваться или уменьшаться в зависимости от уровня организации отбраковки элементов на заводе-изготовителе, где элементы с внутренними дефектами своевременно изымаются из партии выпускаемой продукции. Величина интенсивности отказов на этом интервале во многом зависит от качества сборки схем сложных устройств, соблюдения требований монтажа и т.п. Включение под нагрузку собранных схем приводит к быстрому «выжиганию» дефектных элементов и по истечении некоторого времени t 1 в схеме остаются только исправные элементы, и их эксплуатация связана с λ = const. На интервале III (t > t 2) по причинам, обусловленным естественными процессами старения, изнашивания, коррозии и т.д., интенсивность отказов резко возрастает, увеличивается число деградационных отказов. Для того, чтобы обеспечить λ = const необходимо заменить неремонтируемые элементы на исправные новые или работоспособные, отработавшие время t ≤ t 2 . Интервал λ = const соответствует экспоненциальной модели распределения вероятности безотказной работы. Здесь же отметим, что при л = const значительно упрощается расчет надежности и λ наиболее часто используется как исходный показатель надежности элемента.

Гамма-процентная наработка до отказа - наработка в течение которой отказ в объекте не возникнет с вероятностью γ, выраженной в процентах, иначе это минимальная наработка до отказа которую будут иметь гамма процентов объектов данного вида. Обычно γ =100%.

Заключение

Из всего выше изложенного можно сделать вывод, что отказ это неотъемлемая часть любой техники. Все имеет свой срок годности. Рано или поздно деталь изнашивается, деформируется, портится и т.д., что выводит из эксплуатации всю технику или частично. Это событие принято называть отказом. В свою очередь отказ является толчком для развития более современной технологии.

Библиографический список

1. Надежность технических систем: Справочник. / Ю.К. Беляев, В.А. Богатырев, В.В. Болотин. Под ред. И.А. Ушакова - М.: Радио и связь 1985

Надежность технических систем. Бобров В.И. Учебное пособие - Москва: МГУП, 2004

ГОСТ 27.002-89 «Надежность в технике. Основные понятия, термины и определения»

Причины возникновения отказов могут быть связаны с нарушением в выполнении каких-либо заданных функций (отказ функционирования) или с недостаточной квалификацией обслуживающего персонала, в результате которой система не выполняет заданные функции удовлетворительно. Отказы могут быть связаны с изменением параметров или характеристик системы, т.е. одна из основных функций выполняется плохо (отказ по параметру). Так же причинами отказов объектов могут быть дефекты, допущенные при конструировании, производстве и ремонте, нарушение правил и норм эксплуатации, различного рода повреждения, а также естественные процессы изнашивания и старения.

Согласно ГОСТ 15467-79 отказ может быть в результате дефекта. Это понятие отражает состояние объекта. Дефектом называется каждое отдельное несоответствие объекта установленным нормам или требованиям. Дефект отражает состояние отличное от отказа. В соответствии с определением отказа, как события, заключающегося в нарушении работоспособности, предполагается, что до появления отказа объект был работоспособен. Отказ может быть следствием развития неустраненых повреждений или наличия дефектов: царапин; потертости изоляции; небольших деформаций.

По признаку стадии происхождения дефекты можно разделить на три группы:

1. Дефекты (ошибки) проектирования. Сюда можно отнести:

недостаточную виброзащищенность;

наличие повышенных напряжений;

неправильный выбор материалов;

неправильное определение предполагаемого уровня эксплуатационных нагрузок.

2. Дефекты изготовления (производственные). К ним можно отнести:

дефекты механической обработки;

дефекты пайки;

дефекты термообработки;

дефекты сборки.

3. Дефекты эксплуатации. Сюда можно отнести:

нарушение условий применения;

неправильное техническое обслуживание и ремонт;

наличие перегрузок и непредвиденных нагрузок;

применение некачественных эксплуатационных материалов.

Также причинами возникновения отказов являются:

1. Конструкционный отказ, вызванный недостатками и неудачной конструкцией объекта;

2. Производственный отказ, связанный с ошибками при изготовлении объекта по причине несовершенства или нарушения технологии;

3. Эксплуатационный отказ, вызванный нарушением правил эксплуатации.

4. Характер устранения;

5. Устойчивый отказ;

6. Перемежающийся отказ (возникающий / исчезающий).

К последствиям отказа относятся явления, процессы и события, возникшие после отказа и в непосредственной причинной связи с ним (остановка двигателя, вынужденный простой по техническим причинам).

Последствиями отказа являются:

1. Легкий отказ (легкоустранимый);

2. Средний отказ (не вызывающий отказы смежных узлов - вторичные отказы);

3. Тяжелый отказ (вызывающий вторичные отказы или приводящий к угрозе жизни и здоровью человека).

4. Дальнейшее использование объекта:

5. Полные отказы, исключающие возможность работы объекта до их устранения;

6. Частичные отказы, при которых объект может частично использоваться.

Основные показатели безотказности для невосстанавливаемых объектов

Невосстанавливаемый объект - это объект, который не подлежит восстановлению в результате отказа.

Вероятность безотказной работы - это вероятность того, что в пределах заданий наработки отказ объекта не возникает. На практике этот показатель определяется статистической оценкой:

где N o - число однотипных объектов, поставленных на испытания (находящихся под контролем); во время испытаний отказавший объект не восстанавливается и не заменяется исправным;

n(t) - число отказавших объектов за время t .

Из определения вероятности безотказной работы видно, что эта характеристика является функцией времени, причем она является убывающей функцией и может принимать значения от 1 до 0.

График вероятности безотказной работы объекта

Как видно из графика, функция P(t) характеризует изменение надежности во времени и является достаточно наглядной оценкой

Иногда практически целесообразно пользоваться не вероятностью безотказной работы, а вероятностью отказа Q(t). Поскольку работоспособность и отказ являются состояниями несовместимыми и противоположными, то их вероятности связаны зависимостью:

P(t) + Q(t) = 1. (2)

Согласно законам теории вероятности вероятность безотказной работы можно определить по формуле:

где f(t) - плотность вероятности (согласно закона распределения).

Таким образом, зная плотность вероятности f(t), легко найти искомую величину P(t).

Связь между P(t), Q(t) и f(t) можно интерпретировать, как показано на рисунке 3.

Графическая интерпретация вероятности безотказной работы и вероятности отказа

отказ невосстанавливаемый наработка безотказный

Отметим, что не всегда в качестве наработки выступает время (в часах, годах). К примеру, для оценки вероятности безотказной работы коммутационных аппаратов с большим количеством переключений в качестве переменной величины наработки целесообразно брать количество циклов «включить» - «выключить». При оценке надежности скользящих контактов удобнее в качестве наработки брать количество проходов токоприемника по этому контакту, а при оценке надежности движущихся объектов наработку целесообразно брать в километрах пробега. Суть математических выражений оценки P(t), Q(t), f(t) при этом остается неизменной.

Средней наработкой до отказа называется математическое ожидание наработки объекта до первого отказа T 1 .

Таким образом, средняя наработка до отказа равна площади, образованной кривой вероятности безотказной работы P(t) и осями координат.

Статистическая оценка для средней наработки до отказа определяется по формуле

где N o - число работоспособных однотипных невосстанавливаемых объектов при t = 0 (в начале испытания);

t j - наработка до отказа j -го объекта.

Отметим, что как и в случае с определением P(t) средняя наработка до отказа может оцениваться не только в часах (годах), но и в циклах, километрах пробега и другими аргументами.

Интенсивность отказов - это условная плотность вероятности возникновения отказа объекта, определяемая при условии, что до рассматриваемого момента времени отказ не наступил. Из вероятностного определения следует, что

Статистическая оценка интенсивности отказов имеет вид:

где n(Дt) - число отказов однотипных объектов на интервале Дt ?? , для которого определяется интенсивность отказов;

N ср . ?? - число работоспособных объектов в середине интервала Дt ?? (см. рисунок 4).

Схема для определения N ср

N i - число работоспособных объектов в начале интервала t ?? ;

N ?? +1 - число работоспособных объектов в конце интервала Дt ?? .

Если при статистической оценке интенсивности отказов время эксперимента разбить на достаточно большое количество одинаковых интервалов Дt за длительный срок, то результатом обработки опытных данных будет график, изображенный на рисунке 5.

Кривая жизни объекта

Как показывают многочисленные данные анализа надежности большинства объектов линеаризованная обобщенная зависимость л(t) представляет собой сложную кривую с тремя характерными интервалами (I, II, III). На интервале II (t 2 - t 1) л = const. Этот интервал может составлять более 10 лет, он связан с нормальной эксплуатацией объектов. Интервал I (t 1 - 0) часто называют периодом приработки элементов. Он может увеличиваться или уменьшаться в зависимости от уровня организации отбраковки элементов на заводе-изготовителе, где элементы с внутренними дефектами своевременно изымаются из партии выпускаемой продукции. Величина интенсивности отказов на этом интервале во многом зависит от качества сборки схем сложных устройств, соблюдения требований монтажа и т.п. Включение под нагрузку собранных схем приводит к быстрому «выжиганию» дефектных элементов и по истечении некоторого времени t 1 в схеме остаются только исправные элементы, и их эксплуатация связана с л = const. На интервале III (t > t 2) по причинам, обусловленным естественными процессами старения, изнашивания, коррозии и т.д., интенсивность отказов резко возрастает, увеличивается число деградационных отказов. Для того, чтобы обеспечить л = const необходимо заменить неремонтируемые элементы на исправные новые или работоспособные, отработавшие время t ? t 2 . Интервал л = const соответствует экспоненциальной модели распределения вероятности безотказной работы. Здесь же отметим, что при л = const значительно упрощается расчет надежности и л наиболее часто используется как исходный показатель надежности элемента.

Гамма-процентная наработка до отказа - наработка в течение которой отказ в объекте не возникнет с вероятностью г, выраженной в процентах, иначе это минимальная наработка до отказа которую будут иметь гамма процентов объектов данного вида. Обычно г =100%.