Определение показателей надежности на стадии проектирования является наиболее важной задачей в теории надежности, способствующей наибольшей эффективности использования объекта. Прогноз надежности на стадии проектирования обходится значительно дешевле (~ 1000 раз), чем на стадии изготовления и эксплуатации, потому что не привлекаются зна­чительный станочный парк и дорогая рабочая сила.

Существуют три группы методов прогноза надежности.

1-я группа - теоретические расчетно-аналитические мето­ды, или методы математического моделирования. Матема­тическое моделирование - это процесс создания мате­матической модели, т. е. это описание математическими знаками и символами изучаемого сложного процесса. Неопре­деленные явления можно описать по-разному, т. е. составить несколько математических моделей.

Вероятностно-аналитические методы - это прило­жение теоретических положений теории вероятности к инже­нерным задачам. Эти методы имеют для реальной практики значительный недостаток: некоторые из них могут быть ис­пользованы, только если имеются аналитические выражения для распределений случайных величин. Вывести и получить аналитические выражения для распределений случайных ве­личин обычно очень сложно, поэтому на стадии проектирова­ния, когда дается прикидочная оценка показателей надежнос­ти, эти методы годятся не всегда. Хотя вычисление вероятнос­ти нахождения случайной величины в заданных пределах ее значений, обеспечивающих нормальное безотказное функцио­нирование используемого объекта, в математическом отноше­нии весьма простая операция, если имеется закон распределе­ния этой случайной величины.

Тогда имеем:

где R - надежность, т. е. вероятность нахождения случайной величины X в допустимых пределах Х min доп, Х max доп - мини­мально допустимом и максимально допустимом.

Значит, задача подсчета надежности сводится к нахожде­нию теоретической непрерывной и дискретной плотности ве­роятности состояния одной X или нескольких , Х 1 , Х2, ..., Х п случайных величин. Знание распределения φ(Х) - необходи­мое условие для расчетчика. Перечислим наиболее распрост­раненные теоретические расчетно-аналитические методы:

1. На основе известных законов распределений для показателей надежности системы в целом.

2. На основе известных законов распределений для показателей надежности отдельных элементов системы.

3. Упрощенный метод на основе принятия нормальных за­конов распределения для показателей надежности отдельных элементов системы.

4. Метод статистического моделирования, или метод Мон­те-Карло, на основе любых законов распределения параметров системы.

5. Комбинаторно-матричный метод с любыми распределениями вероятности параметров системы.

Перечисленные методы представляют основную часть из большого количества расчетно-аналитических методов.

2-я группа - экспериментальные и экспериментально-ана­литические методы - физическое моделирование.

1. На основе сбора и обработки ретроспективной и текущей информации о надежности объекта.

2. На основе специальных испытаний на надежность в нор­мальных условиях эксплуатации и ускоренных или форсиро­ванных испытаний.

3. На основе испытаний моделей объекта в нормальных условиях эксплуатации и ускоренных испытаний.

3-я группа - эвристические методы, или методы эвристи­ческого моделирования.

Эвристика - наука, занимающаяся изучением природы мыслительных операций человека в ходе решения различных задач.

Здесь отметим следующие методы:

1. Метод экспертных или балльных оценок. Выбирается комиссия, состоящая из опытных высокопрофессиональных в данном вопросе экспертов, которые путем выставления баллов оценивают рассматриваемый показатель надежности. Затем
проводится математическая обработка результатов оценки (коэффициент конкордации и др.). Это хорошо известный ме­тод при оценке спортивных соревнований (гимнастика, фигурное катание, бокс и др.).

2. Мажоритарный метод, или метод голосования, основанный на использовании мажоритарной функции. Мажоритарная функция принимает два значения «да» или «нет» - «1» или «О», причем значение «1» принимает тогда, когда число переменных, входящих в нее и принимающих значение «1», больше числа переменных, принимающих значение «О». В противоположном случае функция принимает значение «О».

Все перечисленные методы являются недетерминирован­ными, или основанными на статистике, или субъективными, т. е. ответ является неопределенным. Но несмотря на это, эти методы позволяют сравнивать по надежности различные ва­рианты системы, выбрать оптимальную систему, найти сла­бые места и выработать рекомендации по оптимизации надеж­ности и эффективности функционирования объекта.

Если невозможно испытать систему, можно прогнозиро­вать надежность, комбинируя испытания отдельных элемен­тов системы с аналитическими методами. Прогноз на надеж­ность позволяет провести расчеты по обеспечению запасными частями, организовать техническое обслуживание и ремонт, а значит, обеспечить рациональную эксплуатацию объекта.

Чем сложнее система, тем больший эффект дают расчетные методы на всех этапах разработки и эксплуатации.

Открытие новых технических решений влечет за собой ана­лиз их уровня и конкурентоспособности тех объектов техни­ки, в которых эти решения использованы. С этой целью про­водятся патентные исследования, основной задачей которых является оценка патентной чистоты и патентоспособности ис­пользованных технических решений.

В соответствии с ГОСТом Р 15.011-96 патентные исследова­ния относятся к прикладным научно-исследовательским рабо­там и являются неотъемлемой составной частью обоснования принимаемых решений хозяйствующими субъектами, связан­ными с созданием, производством, реализацией, совершенст­вованием, ремонтом и снятием с производства объектов хо­зяйственной деятельности. При этом к участникам хозяйст­венной деятельности относят предприятия, организации, концерны, акционерные общества и другие объединения неза­висимо от форм собственности и подчинения, государственно­го заказчика, а также лиц, занимающихся индивидуальной трудовой деятельностью.

Патентные исследования проводятся на всех стадиях жиз­ненного цикла объектов техники: при разработке научно-тех­нических прогнозов и планов развития науки и техники, при создании объектов, техники, аттестации промышленной про­дукции, определении целесообразности ее экспорта, продажи и приобретения лицензий, при защите государственных инте­ресов в области охраны промышленной собственности.

Этим документом установлен порядок работ по патентным исследованиям: разработка задания на проведение патент­ных исследований; разработка регламента поиска информа­ции; поиск и отбор патентной, другой научно-технической, втом числе конъюнктурно-экономической информации; обоб­щение результатов и составление отчета о патентных иссле­дованиях.

В качестве задания на проведение патентных исследова­ний предоставляется технический документ, оформленный в установленном порядке, или другие документы: рабочая про­грамма, график проведения патентных исследований и т. д.; последние должны содержать все сведения, предусмотрен­ные ГОСТом, и быть оформлены надлежащим образом. Все виды работ по патентным исследованиям проводятся под на­учно-методическим руководством патентного подразделения. Для проведения поиска по фондам патентной и другой науч­но-технической, в том числе конъюнктурно-экономической, информации составляется регламент поиска (программа). Для определения области поиска требуется сформулировать предмет поиска, выбрать источники информации, опреде­лить ретроспективу поиска, страны, по которым следует про­водить поиск, и классификационные рубрики (МКИ, НКИ, УДК).

· исследование технического уровня объектов хозяйственной деятельности, выявление тенденций, обоснование прогноза их развития;

• исследование состояния рынков данной продукции, сло­жившейся патентной ситуации, характера национального производства в странах исследования;

· исследование требований потребителей к продукции и услугам;

· исследование направлений научно-исследовательской и производственной деятельности организаций и фирм, которые действуют или могут действовать на рынке исследуемой продукции;

· анализ коммерческой деятельности, включая лицензионную деятельность разработчиков (организаций и фирм), производителей (поставщиков) продукции и фирм, предо­ставляющих услуги, и патентной политики для выявления конкурентов, потенциальных контрагентов, лицензиаров и лицензиатов, партнеров по сотрудничеству;

· выявление торговых марок (товарных знаков), используе­мых фирмой-конкурентом;

• анализ деятельности хозяйствующего субъекта; выбор оп­тимальных направлений развития его научно-технической, производственной и коммерческой деятельности, патент­ной и технической политики и обоснование мероприятий по их реализации;
• обоснование конкретных требований по совершенствова­нию существующей и созданию новой продукции и техно­логии, а также организации выполнения услуг; обосно­вание конкретных требований по обеспечению эффектив­ности применения и конкурентоспособности продукции и услуг; обоснование проведения необходимых для этого ра­бот и требований к их результатам;
• технико-экономический анализ и обоснование выбора тех­нических, художественно-конструкторских решений (из числа известных объектов промышленной собственности), отвечающих требованиям создания новых и совершенство­вания существующих объектов техники и услуг;
• обоснование предложений о целесообразности разработки новых объектов промышленной собственности для исполь­зования на объектах техники, обеспечивающей достиже­ние технических показателей, предусмотренных в техниче­ском задании;
• выявление технических, художественно-конструкторских, программных и других решений, созданных в процессе вы­полнения НИР и ОКР с целью отнесения их к охраноспо­собным объектам интеллектуальной собственности, в том числе промышленной;
• обоснование целесообразности правовой охраны объектов интеллектуальной собственности (в том числе промышлен­ной) в стране и за рубежом, выбор стран патентования; ре­гистрации;
• исследование патентной чистоты объектов техники (экс­пертизы объектов техники на патентную чистоту, обосно­вание мер по обеспечению их патентной чистоты и беспре­пятственному производству и реализации объектов техники в стране и за рубежом);

· анализ конкурентоспособности объектов хозяйственной дея­тельности, эффективности их использования по назначению, соответствия тенденциям и прогнозам развития; выявление и отбор объектов лицензий и услуг, например инжиниринг;

· исследование условий реализации объектов хозяйственной деятельности, обоснование мер их оптимизации;

· обоснование целесообразности и форм проведения в стране и за рубежом коммерческих мероприятий по реализации объектов хозяйственной деятельности, по закупке и продаже лицензий, оборудования, сырья, комплектующих изделий и т. д.

· проведение других работ, отвечающих интересам хозяйст­вующих субъектов.

В соответствии с поставленными задачами в итоговый отчет по патентным исследованиям включаются следующие матери­алы: по анализу и обобщению информации в соответствии с по­ставленными перед патентными исследованиями задачами; обоснованию оптимальных путей достижения конечного ре­зультата работы; по оценке соответствия завершенных патент­ных исследований заданию на их проведение, достоверности их результатов, степени решения поставленных перед патентны­ми исследованиями задач, обоснование необходимости прове­дения дополнительных патентных исследований.

Основная (аналитическая) часть отчета о патентных иссле­дованиях содержит информацию: о техническом уровне и тен­денциях развития объекта хозяйственной деятельности; об использовании объектов промышленной (интеллектуальной) собственности и их правовой охране; об исследовании патент­ной чистоты объекта техники.

Согласно работе "прогноз определяется как вероятностное научно обоснованное суждение о перспективах, возможных состояниях того или иного явления в будущем и (или) об альтернативных путях и сроках их осуществления".

По оценкам отечественных и зарубежных специалистов в настоящее время насчитывается более 150 методов прогнозирования, но число основных методов, повторяющихся в различных вариациях, во много раз меньше. Считают, что указанные методы базируются на двух крайних подходах: эвристическом и математическом.

Применительно к механическим системам, в частности, к автомобилям, методы прогнозирования при оценке показателей надежности начали применяться сравнительно недавно. Так, для нормирования пробегов новых конструкций L H рекомендована зависимость

где L C , σ c - средние значение и квадратическое отклонение ресурса серийной машины в эксплуатации.

Если увязать L c с календарным временем Т, то приходим практически к временному ряду L (или L H) в функции от Т.

В работе дана методика прогнозирования ресурсов агрегатов с использованием временных рядов и приведены конкретные примеры прогноза ресурсов двигателей. Применительно к автомобильному транспорту разработаны методы прогнозирования и управления технической эксплуатацией и надежность автомобилей . В частности, в работе рассмотрена система непрерывного прогноза оценки удельного уровня трудоемкости технического обслуживания и текущего ремонта, учитывающая связь краткосрочного, среднесрочного и долгосрочного прогнозов; даны конкретные примеры прогнозов указанных величин для грузовых автомобилей, автобусов и легковых автомобилей; рассмотрены основные аспекты принятия решений в условиях риска и неопределенности, основанные на байесовском подходе, теории игр и статистических решений.

Широкое распространение методы прогнозирования получили при оценке остаточного ресурса . В общем случае речь идет об аппроксимации индивидуальной реализации, связанной, например, с износом (или накопленным повреждением) аналитической зависимостью, параметры которой определяются по результатам диагностирования на предпрогнозном периоде с последующей экстраполяцией на интервале упреждения (прогноза) до достижения предельного состояния.

В ряде работ рассматриваются вопросы, связанные с прогнозированием (расчетом) параметров нагрузочных режимов агрегатов и деталей, необходимых для оценки статической прочности и усталостной долговечности при проектировании . Как правило, предлагаемые методы основываются на обобщении экспериментальных данных по нагрузочным режимам машин-аналогов или моделировании с использованием ЭВМ, но не предусматривают введения временного тренда. Поэтому прогноз осуществляется с помощью подстановки в расчетные зависимости конструктивных параметров проектируемой машины.

Теоретические и прикладные разработки в области прогнозирования надежности механических систем достаточно подробно освещены в ряде работ [...]. Порядок прогнозирования при использовании расчетных методов в общем случае предусматривает представление структуры изделия в виде иерархической системы "деталь - сборочная единица-изделие"; определение спектров нагрузок; формирование моделей физических нагрузок, приводящих к отказу; установление критериев отказов и предельных состояний; определение численных значений показателей надежности; оценку достоверности прогноза; корректирование показателей надежности с использованием результатов прогноза. Однако применение вышеизложенных положений для конкретных прогнозов затруднительно и это связано не только со спецификой изделий различных отраслей машиностроения, но и с недостаточной изученностью и неоднозначностью трактовки таких понятий, как классификация объекта прогноза, многовариантность и синтез прогнозов, процедуры принятия решений на основе прогнозной (априорной) информации и др. Поэтому целесообразно подробнее остановится на вопросах расчета показателей надежности механических систем при проектировании с точки зрения теории прогнозирования.

Под методологией прогнозирования понимается область знаний о методах, способах и системах прогнозирования . В соответствии с упомянутой работой и приведенной в ней терминологией под методом прогнозирования будем понимать способ исследования объекта прогнозирования, направленный на разработку прогноза, под методикой - совокупность одного или нескольких методов, наконец, под системой прогнозирования - упорядоченную совокупность методик и средств их реализации.

Теория прогнозирования включает в себя анализ объекта прогнозирования, в частности классификацию; методы прогнозирования, подразделяющиеся на формализованные (математические) и интуитивные (экспертные); системы прогнозирования, в том числе непрерывного, при котором за счет обратной связи осуществляется корректировка прогнозов в процессе функционирования объекта.

В соответствии с работами объекты прогнозирования классифицируются:

по природе (научно-технические, технико-экономические и т. д.);

по масштабности - в зависимости от числа значащих переменных, входящих в описание объекта, различают сублокальные (1-3 переменных), локальные (4-14), субглобальные (15-35), глобальные (36-100) и суперглобальные (свыше 100 переменных);

по сложности - в зависимости от степени взаимосвязанности переменных подразделяют на сверхпростые (отсутствие взаимосвязи), простые (наличие парных взаимосвязей), сложные (наличие взаимосвязи и взаимовлияния) и сверхсложные (необходимость учета взаимосвязи);

по степени детерминированности (детерминированные" стохастические и смешанные);

по характеру развития во времени регулярной составляющей процесса (тренда) - дискретные, апериодические и периодические;

по информационной обеспеченности периода ретроспекции - рассматривают объекты с полным количественным обеспечением, с неполным количественным обеспечением, с наличием качественной информации (и частично количественной), с полным отсутствием ретроспективной информации.

Прогнозирование показателей надежности механических систем, на наш взгляд, следует рассматривать в узком и широком смысле.

В узком смысле прогнозирование включает определение показателей надежности как характеристик, развернутых во времени; считается, что основные исходные данные - вид конструкции, материалы и технология изготовления деталей, нагрузочные режимы, условия эксплуатации, периодичности и объемы ТО и ремонтов, цены на детали и др. - заданы. Другими словами, прогнозирование в узком смысле производится после проверочного расчета. Помимо этого, накоплены определенные статистические данные о ресурсах деталей и агрегатов, т. е. предполагается, что имеется ретроспективная информация, которая может быть использована для экстраполяции, адаптации вероятностно-статистических моделей и т. п. Очевидно, в этом случае методы прогнозирования показателей надежности включают как основные или верифицируемые варианты различные виды расчетов показателей надежности при проектировании, основанные на физических моделях отказов.

В широком смысле прогнозирование подразумевает, что исходные данные для получения оценок надежности определяются с использованием опережающих методов прогнозирования (патентный, публикациониый и др.). Например, на основе опережающих методов прогнозируются параметры кривой износа, с помощью которой прогнозируются показатели надежности. Следовательно, в широком смысле прогнозирование показателей надежности разбивается на два этапа: первый - прогноз исходных данных; второй - собственно прогноз показателей надежности.

Трудность оценки надежности возрастает многократно при создании новых конструкций, материалов и т. д., по которым отсутствует количественная информация. Поскольку при получении информации о результатах различных испытаний происходит уточнение исходных данных, ресурсов и т. п., то прогнозирование может быть осуществлено только в виде непрерывной прогнозирующей системы.

В предложенной книге основное внимание уделено разработке методологии прогнозирования показателей надежности в узком смысле.

Рассмотрим объект прогноза - показатели надежности (ПН) деталей и агрегатов автомобиля - с точки зрения рассмотренной выше классификации. Очевидно, по природе ПН следует отнести к классу научно-технических прогнозов, включающих наряду с новыми видами техники, новыми материалами и прогноз технических характеристик. Для оценки масштабности и сложности объекта прогнозирования составим табл. 1.7, в которую включим основные показатели надежности (см. табл. 1.3) и модели расчета, рассмотренные в п. 1.2. Несмотря на условный характер классификации, из табл. 1.7 видно, что по масштабности и сложности показатели надежности агрегатов и автомобиля следует отнести к глобальным (суперглобальным) и сложным (сверхсложным).

По степени детерминированности оценки ПН являются стохастическими, при этом следует обратить внимание, что при расчете показателей надежности элементов деталей, т. е. на низшем уровне, мы сталкиваемся с так называемой природной неопределенностью, когда невозможно дать точную оценку показателя, например среднего ресурса, из-за недостаточной изученности объекта.

По характеру развития ПН классифицировать трудно. Так, на уровне расчетных моделей на износ реализации его могут быть представлены апериодическими зависимостями, тогда как в расчетах на усталость нагрузочные режимы - это случайные не-стационарные процессы. В то же время, рассматривая ретроспективную нормативную информацию о ресурсах автомобилей до капитального ремонта, можно сказать, что в зависимости от времени выпуска (или существенной модернизации) назначаемый заводом ресурс изменяется дискретно.

Наконец объект прогнозирования с точки зрения информационной обеспеченности полностью отвечает введенному ранее понятию прогнозирования надежности механических систем в узком и широком смысле.

Таким образом, оценки показателей надежности деталей и агрегатов автомобиля соответствуют принципам классификации объектов прогнозирования.

Математические формализованные методы прогнозирования подразделяют на симплексные (простые), статистические и комбинированные. Основу симплексных методов составляют экстраполяции по временным рядам (метод наименьших квадратов, экспоненциального сглаживания и другие). Статистические методы включают корреляционный и регрессионный анализ, метод группового учета аргументов, факторный анализ. Под комбинированным методом подразумевается синтез вариантов прогнозов, выполненных о использованием математических и эвристических методов.

Следует обратить внимание на отличие прогнозных оценок при использовании общих методов прогнозирования и при оценке показателей надежности. Так, прогноз в общем случае представляется в виде точечной и интервальной оценок. При прогнозировании надежности, например, ресурса деталей его средняя величина совпадает с точечным прогнозом, но для перехода к другим показателям интервальной оценки недостаточно, т. к. необходимо знать плотность распределения ресурсов.

Учитывая, что при прогнозировании ПН на ранних стадиях проектирования нет возможности проведения экспериментов с целью раскрытия "природной" неопределенности, возможный путь решения сводится к разработке нескольких прогнозных методов с целью использования их в комбинированнном прогнозе. Поэтому указанные математические методы должны быть дополнены специальными методами и методиками, которые условно можно разделить на три группы.

Первая группа специальных методов, предназначенная для прогнозирования показателей надежности деталей, включает вероятностно-статистические модели (ВСМ), основанные на феноменологических явлениях и гипотезах (расчеты на износ, усталость прочность и т, д.). Однако, как показал анализ (см. п, 1.2.), применение этих моделей для прогнозирования ПН требует со-ответствующей систематизации и классификации, а также накопления и обобщения опыта прогнозных расчетов применительно к конкретным деталям с целью повышения их достоверности и точности.

Ко второй группе следует отнести методы, являющиеся обобщением экстраполяционных и статистических методов и отражающие специфику эксплуатационных отказов, в частности корреляционные уравнения долговечности (КУД) для деталей шасси автомобиля . Очевидно, отдельные разработки по КУД должны быть формализованы в виде соответствующей методики.

Третью группу специальных методов, предназначенных для прогнозирования показателей надежности сборочных единиц, агрегатов, изделия в целом, составляют структурно-функциональные модели (СФМ), которые в общем случае отражают взаимосвязь и взаимовлияния отдельных деталей на протекание разрушительных процессов, приводящих к отказам, предельные состояния сопряжений и т. д. В частном случае СФМ может быть построена с учетом показателей надежности деталей, спрогнозированных с помощью общих и специальных методов первой и второй группы. На основании этих прогнозов производится расчет (моделирование) показателей надежности восстанавливаемого объекта. Многовариантность и неопределенность прогноза определяются не только многовариантностью и неопределенностью исходных данных, но и стратегией ремонтов (замен), коррелируемостью отказов и т. д. Отсутствие общей методики прогнозирования ПН с помощью СФМ требует проведения соответствующих исследований.

Введение специальных методов увеличивает число вариантов прогноза ПН, что приводит к усложнению процедуры принятий решений на основе прогнозной информации. Редуцирования числа вариантов можно достигнуть с помощью комбинированного прогноза, методика которого, на наш взгляд, должна быть усовершенствована с учетом разработок, приведенных в , и конкретизирована применительно к ПН.

Дополним классификацию объектов прогноза по масштабности и сложности рассмотренными методами прогнозирования. Из табл. 1.6 видно, что специальные методы находят применение при оценке всех ПН и моделей отказов; использование комбинированных методов приводит к увеличению масштабности и сложности объекта прогноза, но это пока единственный путь повышения точности и достоверности оценок ПН при проектировании.

Заметим, что практическое применение общих и специальных методов прогнозирования становится возможным при наличии конкретных методик расчета, доведенных до соответствующих алгоритмов и программ, и информационной базы, включающей конструктивную документацию и банки данных по изделиям- аналогам о показателях надежности, условиях эксплуатации, испытаниях, нагрузочных режимах, износах, предельных состояниях и т. д. Для конкретных деталей или агрегатов автомобиля речь идет о формировании локальных информационных баз, обобщение которых позволит перейти к единой информационной базе отрасли.

На основе прогнозов ПН производится выбор оптимальных вариантов конструкции и оптимальной стратегии технического обслуживания и ремонта; разработка мероприятий по повышению надежности; уточнение параметров и режимов работы; планирование выпуска запасных частей, т. е. фактически осуществляется управление надежностью. Следовательно, прогнозная (априорная) информация должна использоваться для решений, связанных с управлением надежностью проектируемой конструкции.

Известно , что процесс принятия решений в общем виде характеризуется, во-первых, наличием одной или нескольких целей; во-вторых, разработкой альтернативных вариантов решений; в-третьих, выбором рационального (оптимального) решения, основанного на определенных критериях, с учетом факторов, ограничивающих возможности достижения цели. В зависимости от исходной информации различают задачи принятия решений в условиях определенности, риска и неопределенности. Для решения задач в условиях неопределенности используется теория статистических решений, которая подразделяется на два направления в зависимости от того имеется или отсутствует возможность проведения экспериментов в процессе принятия решений. Очевидно, разработка мероприятий по управлению надежностью на основе прогнозной информации является типичной задачей принятия решений в условиях неопределенности, зависящей от так называемых природных факторов, не известных или известных с недостаточной точностью в момент принятия решения и обусловленная их недостаточной изученностью.

Комплекс теоретических и прикладных вопросов, связанных с управлением надежностью при проектировании, является логическим продолжением и обобщением теории прогнозирования ПН и представляет, на наш взгляд, самостоятельную проблему. Поэтому, в данной работе целесообразно ограничиться рассмотрением некоторых вопросов управления надежностью, непосредственно относящихся к использованию прогнозной (априорной) информации о показателях надежности в процессе принятия решений.

Как отмечалось выше по основным принципам расчета свойств, составляющих надежность, или комплексных показателей надежности объектов различают:

Методы прогнозирования,

Структурные методы расчета,

Физические методы расчета,

Методы прогнозирования основаны на использовании для оценки ожидаемого уровня надежности объекта данных о достигнутых значениях и выявленных тендециях измезнения показателей надежности объектов-аналогов. (Объекты-анагалоги – это объекты аналогичные или близкие к рассматриваемому по назначению, принципам действия, схем­но-конструктивному построению и технологии изготовления, элементной базе и применяемым мате­риалам, условиям и режимам эксплуатации, принципам и методам управления надежностью).

Структурные методы расчета основаны на представлении объекта в виде логической (структурно-функциональной) схемы, описывающей зависимость состояний и переходов объекта от состояний и переходов его элементов с учетом их взаимодействия и выполняемых ими функций в объекте с последующими описаниями построенной структурной модели адекватной мате­матической моделью и вычислением показателей адежности объекта по известным характеристикам надежности его эле­ментов.

Физические методы расчета основаны на применении математических моделей, описывают их физические, химические и иные процессы, приводящие к отказам объектов (к дости­жению объектами предельного состояния), и вычислении показателей надежности по известным параметрам (загруженнос­ти объекта, характеристикам примененных в объекте веществ и материалов с учетом особенностей его конструкции и техиолопей изготовления.

Методы расчета надежности конкретного объекта выбирают в зависимости от: - целей расчета и требовалий к точности определения показателей надежности объекта;

Наличия и/или возможности получения исходной информации, необходимой для применения определенного метода расчета;

Уровня отработанности конструкции и технологии изготовления объекта, системы его технического обслуживания и ремонта, позволяющего применять соответствующие расчетные модели надежности. При расчете надежности конкретных объектов возможно одновременное применение различных методой, например, методов прогнозирования надежности электронных и электротехнических элементов с последующим использованием полученных результатов в качестве исходных данных для расчета надежности объекта в целом или его составных частей различными структурными методами.

4.2.1. Методы прогнозирования надежности

Методы прогнозирования применяют:

Для обоснованпя требуемого уровня надежности объектов при раработке технических заданий и/или опенки вероятности достижения заданных показателей надежности при проработке технических предложений и анализе требований технического задания (контракта);

Для ориентировочной оценке ожндемого уровня надежностн объектов на ранних стадиях нх проектнрования, когла отсутствует необходимая информация для применения друтнх методов расчета надежности;

Для расчета интенсивности отказов серийно выпускаемых и новых электронных и зсзектротехннческих злементов разных типов с учетом уровня нх нагруженности, качества изготовления, областей применения аппаратуры, в которой используются элементы;

Для расчета параметров типовых задач и операций технического обслуживания и ремонта объектов с учетом конструктивных характеристик обьекта, определяющих его ремонтопригодность.

Для прогнозирования надежности объектов применяют:

Методы эвристического прогнозирования (экспертной оценки);

Мелолы прогнозирования по статистическим моделям;

Комбинированные методы.

Методы эвристического прогнозирования основаны на статистический обработке независимых оценок значений ожидаемых показателей надежности разрлбатываемого объкта (иидивидуалыных прогнозов), даваемых группой квалифицированных (экспертов) на основе предоставленной им информации об объекте, услониях евго эксплуатации, планируемой технологии изготвления и другнх данных, имеющихся в момент проведения оценки. Опрос экспертов и статистическую обработку индивидуальных прогнозов показателей надежности проводят общепринятыми при экспертной оценке любых показателей качества методами (например, метод Дельфи).

М ет о д ы п р о г н о з и р о в а н и я п о статистическим моделям основаны на экстра- или интерполяции зависимостей, описывающих выявленные тенденции изменения показателей надежности объектов-аналогов с учетом их конструктивно-технологических особенностей и других факторов, информация о которых для разрабатываемого объекта изнесгна или может быть получена в момент проведения оценки. Модели для прогнозирования строят по данным о показателях надежности и параметрах объектов-аналогов с использованием известных статистических методов (многофакторного регрессионного анализа, методов статистической классификации и распознания образов).

Комбинированные методы основаны на совместном применении для прогнозирования надежности методов прогнозирования по статистическим моделям и эвристических методов с последующим сравнением результатов. При этом эвристические методы используют для оценкеи возможности экстраполяции статистических моделей и уточнения прогноза по ним показателей надежности. Применение комбинированных методов целесообразно в случаях, когда естъ основания ожидать качественных изменений уровня належности объектов, не отражаемых соответствующими статистическими моделями, или при недостаточном для применения только статистичеких методов числе объектов-аналогов.

^ Вопрос 24. Прогнозирование надежности машин

при помощи структурных схем.

При анализе надежности применяют метод структурных схем. Структурная схема представляет собой условную математическую и физическую модель изделия, по которой прогнозируется надежность в зависимости от уровня безотказности каждой детали и сборочной единицы.

Изделие при использовании структурных схем рассматривается как состоящее из отдельных элементов, предполагая, что отказ каждого элемента является независимым событием.

Различают последовательное, параллельное и комбинированное соединение элементов.

Под системой с последовательным соединением понимают такое соединение, когда отказ хотя бы одного элемента приведет к отказу всей системы.

Рисунок – Система с последовательным соединением элементов.

Вероятность безотказной работы системы n элементов в течение времени t определяют по формуле:

Где Р i (t) - вероятность безотказной работы i-го элемента за время t.

Если элементы равнонадежные, то есть
, то вероятность безотказной работы системы:

.

Вероятность отказа системы в течение времени t равна:

Частота отказов системы f c (t) определяется соотношением:

.

Интенсивность отказов системы:

,

Где
- интенсивность отказов i-го элемента;

Среднее время безотказной работы системы:

.

Система с параллельным соединение м элементов откажет лишь тогда, когда откажут все элементы.

Рисунок – Система с параллельным соединением элементов.

Вероятность безотказной работы системы при параллельном соединении n элементов в течение времени t будет равна:

.

Если элементы равнонадежные, т.е. , то

.

На практике одновременно встречаются оба вида соединения, тогда изделие рассматривается как смешанная система.

Рисунок – Система с комбинированным соединением элементов.

Вероятность безотказной работы в данном случае определяется по формуле:

Надежность системы с последовательным соединением элементов с ростом даже высоконадежных элементов значительно уменьшается.

Повышение надежности системы достигается за счет параллельного соединения элементов, хотя конструктивно в механической системе этот способ не всегда может быть реализован, т.к. увеличивает габариты и массу нефтепромыслового оборудования.

^ Вопрос 25. Резервирование как метод повышения надежности машин.

Одним из основных способов повышения надежности машин является резервирование.

Резервирование - структурная избыточность, предполагающая наличие в системе дополнительных элементов, не являющихся функционально необходимыми (наличие у автомобиля четырехколесных тормозных механизмов при функциональной достаточности двух).

Элемент на рисунке является основным и называется резервируемым. Элементы 2 ... n , предназначены для выполнения функций в случае отказа элемента 1, называются резервными.

Отношение количества резервных элементов к числу основных называется кратностью резерва .

Резервирование с кратностью единица называется дублированием .

Резерв по характеру нагружения делится на:

- нагруженный , при этом резервный элемент работает с той же интенсивностью, что и основной;

- облегченный , когда резервный элемент работает с меньшей интенсивностью, до тех пор пока не отказал основной;

- ненагруженный , в этом случае резервный элемент не используется до тех пор, пока не вышел из строя основной.

По масштабу резервирования различают на:

- общий резерв , при котором используется целая резервная система (дополнительный буровой насос в циркуляционной системе);

Рисунок– Схема общего резервирования системы.

- раздельный резерв , который предусматривает резервирование отдельных элементов системы (всех или только некоторых, наименее надежных, например, запасные втулки или поршни бурового насоса).

По восстанавливаемости отказавших элементов:

- резервирование с восстановлением , при котором восстановление отказавших основных и (или) резервных элементов технически возможно без нарушения работоспособности объекта в целом;

- резервирование без восстановления , при котором восстановление отказавших элементов (основных и (или) резервных) технически невозможно без нарушения работоспособности объекта в целом.

Повышение надежности подверженных старению технических систем в процессе эксплуатации может быть обеспечено только резервированием методами ремонта:

- нагруженным эксплуатационным резервированием , т. е. повышением ремонтопригодности изделия до уровня, исключающего образование критических дефектов, которые могли бы вызвать неремонтопригодное состояние объекта в течение определенной наработки;

- ненагруженным эксплуатационный резервированием - заменой отказавших элементов системы на ремонтные комплекты.

^ Вопрос 26. Роль технологии в обеспечении надежности машин.

Технологический процесс изготовления, сборки и контроля изделия должен с наименьшими затратами времени и средств обеспечить требуемый уровень качества продукции, включая и надежность.

Зависимость показателей надежности от уровня технологического процесса можно представить следующей схемой:

Последовательность технологических операций, применяемые методы и режимы обработки оказывают непосредственное влияние на износостойкость, прочность, коррозионную стойкость, теплостойкость, стабильность механических и физических свойств идругие эксплуатационные показатели изделий.

Совершенство технологического процесса во многом определяет и достигнутый уровень надежности изделия, так как именно в процессе изготовления обеспечивается заложенная конструктором надежность. Технологические методы обеспечения надежности имеют такое же решающее значение как конструктивные и эксплуатационные.

^ Вопрос 27. Понятие надежности технологического процесса.

Надежность технологического процесса - это его свойство обеспечивать изготовление продукции в заданном объеме, сохраняя во времени установленные требования к ее качеству.

Таким образом, технологическая система должна быть работоспособна как по показателям качества, так и по производительности. Свойство надежности технологического процесса отличается от понятия точности и стабильности.

Точность - свойство технологического процесса обеспечивать соответствие поля рассеивания значений показателя качества изготовления продукции заданному полю допуска и его расположению. Точность характеризует технологический процесс в некоторый фиксированный момент времени. Поэтому точность следует рассматривать как составную часть свойства надежности системы.

Стабильность - свойство технологического процесса сохранять показатели качества изготовляемой продукции в заданных пределах в течение некоторого времени. Понятие стабильности характеризует технологический процесс с позиции сохранения в заданных пределах показателей качества продукции. Технологический процесс может быть стабильным, но иметь низкую надежность.

Надежность технологических систем должна оцениваться только по тем параметрам и показателям качества изделия, уровень которых зависит от технологии изготовления.

При расчете надежности технологических систем следует исходить из того, что в конструкторской документации однозначно заданы номинальные значения и показатели качества готового изделия. Задача технолога оценить насколько процесс изготовления обеспечивает соблюдение установленных требований, не рассматривая технический уровень самих изделий. Поэтому технологический процесс может обладать высокой надежностью, хотя получаемая при его реализации продукция будет относиться к низкой категории качества, или морально устареть.

Показатели, которыми оценивается надежность технологического процесса, те же, что и для оценки надежности любой системы. При этом под безотказностью данного процесса понимается вероятность нахождения его технологических параметров в допустимых пределах в течение рассматриваемого периода времени.

^ Вопрос 28. Цели и виды испытаний на надежность.

Наиболее достоверную информацию о надежности машин получают в результате испытаний или наблюдений за машинами в процессе их эксплуатации.

В зависимости от целей испытаний их делят на два класса:

Исследовательские испытания

Испытания на надежность.

Исследовательские испытания проводят на стадии проектирования обычно на моделях, макетах или опытных образцах с целью выявления функциональных возможностей техники. Эти испытания необходимы в тех случаях, когда в машине применены новые физические эффекты, процессы, принципы компоновки или новые элементы (например, новые рабочие органы строительных машин).

Испытания на надежность проводят с целью определения и контроля по-казателей надежности машин и их элементов, исследование процессов, приводящих к отказам, выявления наиболее слабых элементов и определения причин их надежности.

^ Виды испытаний на надежность:

1. По уровню составных частей , подвергающихся испытаниям, различают испытание отдельных элементов или машины в целом. При элементных испытаниях отдельно может оцениваться надежность механической передачи, гидропривода, рамы, ходовой части, двигателя и т.п. В этом случае уменьшаются затраты времени и средств, более глубоко проводится обследование, имеются лучшие возможности для согласования и корректировки решений, расширяется унификация элементов. В тоже время нельзя полностью заменить испытание машины испытаниями элементов, так как при этом не учитывается взаимодействие различных узлов, входящих в машину.

2. По срокам проведения испытания могут быть ускоренные и нормальные.

Ускоренные испытания позволяют получить необходимый объем информации о надежности в более короткий срок, чем при нормальных условиях и режимах эксплуатации.

Нормальные испытания позволяют получить необходимую информацию о надежности в такой же срок, как и при работе машины в эксплуатационном периоде.

3. По месту и способу проведения, испытания делятся на:

Стендовые, которые проводят на специальном оборудовании (стендах), позволяющем воспроизводить заданные условия испытания изделия (создавать силовые, температурные и др. виды воздействия, реализовывать требуемый режим функционирования, например, двигателя или рабочего органа), а также обеспечивающем возможность измерения параметров технического состояния объекта и условий испытаний;

• 
  полигонные испытания, которые выполняются на специальных площадках (полигонах), где имеется возможность имитировать различные сочетания эксплуатационных воздействий в условиях, близких к реальным, а также контролировать условия испытаний и техническое состояние машины;
• 
  эксплуатационные испытания (наблюдения) дают наиболее полную и достоверную информацию о надежности машин в конкретных эксплуатационных условиях. Проводят их во время нормальной эксплуатации машины.

4. При проведении контрольных испытаний на надежность в ряде случаев рекомендуют их подразделять на испытания на безотказность, ремонтопригодность, сохраняемость и долговечность.

Испытания изделий на безотказность сводятся к контролю вероятности безотказной работы за заданное время или к определению наработки на отказ (средней наработки до первого отказа).

Испытания на ремонтопригодность обычно проводятся для определения среднего времени восстановления или вероятности восстановления работоспособности изделия за заданное время.

Испытания на долговечность предназначаются для контроля среднего или гамма-процентного ресурса.

Испытания на сохраняемость предусматриваются для контроля вероятности сохранения показателей изделия в течение заданного срока.

^ Вопрос 29. Объекты испытания на надежность.

Объектом испытаний могут быть:

образцы , если испытываются свойства материалов, определяющие долговечность изделий (испытания на износостойкость, усталостную прочность, коррозионную стойкость и т. п.);

детали , сопряжения и кинематические пары - для учета влияния конструктивных и технологических факторов на срок службы данных сопряжений (испытание подшипников, зубчатых колес, направляющих, шарниров и т. п.);

узлы машины , когда учитывается взаимодействие отдельных механизмов и элементов конструкции и их влияние на показатели работоспособности (испытание коробок скоростей и редукторов, двигателей, гидроагрегатов, систем управления, отдельных функциональных узлов машины);

машина в целом , когда учитывается взаимодействие всех механизмов и узлов в машине, условия ее эксплуатации и режимы работы (стендовые и эксплуатационные испытания насосов, автомобилей, текстильных машин и др.);

система машин , когда показатели надежности учитывают взаимодействие отдельных машин, связанных в единый производственный комплекс (надежность работы добывающих насосных установок, машин и агрегатов буровой установки, комплексов оборудования для интенсификации добычи нефти и т. п.).

Таким образом, объектом испытания могут быть разнообразные изделия от очень простых, обладающих однородными свойствами и одним или несколькими выходными параметрами, до сложных машин и комплексов, а также специально изготовленные модели (изделие или его часть, выполненные в масштабе) или макеты (упрощенное воспроизведение изделия или его части). Методика испытаний на надежность и их объем зависят от сложности изделия и его специфических особенностей.

^ Вопрос 30. Характеристики, оцениваемые при испытании на надежность.

Выделяют две основные группы характеристик изделия, которые являются объектом измерения и оценки при испытании на надежность.

1. 
   Характеристики процессов старения и разрушения и определение соответствующей им степени повреждения изделия. Так, при испытании изучается протекание процессов изнашивания, коррозии деформации, усталостных разрушений, и других, которые являются основной причиной потери изделием работоспособности.
2. 
   Характеристики изменения выходных параметров изделия (точности, КПД, несущей способности и т. д.), выход которых за допустимые пределы приводит к отказу.

Оценка процессов повреждения или выходных параметров изделия зависит от объекта испытания и поставленных задач. Чем сложнее объект испытания, тем большая доля общего объема испытаний приходится на оценку выходных параметров (рисунок).

При испытании материалов исследуются те процессы, которые приводят к его разрушению или изменению свойств (рисунок).

Для деталей и сопряжений кроме процессов повреждения определяются, как правило, и их выходные параметры - точность движения (вращения), изменение взаимного положения (износ сопряжения), коэффициент трения и др.

Для механизмов узлов и машин основным объектом измерения являются их выходные параметры. Процессы повреждения уже исследовались и оценивались при испытании отдельных элементов и узлов машины. При испытании всей машины процессы старения обычно регистрируются лишь для наиболее ответственных элементов, в основном определяющих работоспособность сложного изделия, например износ цилиндров двигателя, направляющих станка и т. п.

Задачи испытания и объекты измерения должны быть указаны в разрабатываемых для каждого случая методике и плане испытаний.

^ Вопрос 31. Причины отказа изделия раньше установленного ресурса.

В процессе эксплуатации изделия нередко отказы возникают раньше, чем это установлено ресурсом, что приводит к неожиданному прекращению работы машины или к снижению ее эффективности.

Различные факторы, действующие на машину при эксплуатации, связанные с климатическими, биологическими условиями и внешними воздействиями, создают комплекс причин для ускорения процессов старения и разрушения.

Так, повышенная влажность среды, колебания температуры, загрязненность атмосферы, ветер, акустический шум, солнечная радиация, плесень, бактерии, насекомые, грызуны - вот неполный перечень тех факторов, которые приходится учитывать при оценке возможности отказа изделия в различных условиях эксплуатации.

Чем большие воздействия оказывает на машину среда, тем выше вероятность отказа, которая резко возрастает при работе изделия в несвойственной ему обстановке. В этих случаях надо оценивать не вероятность отказа, а вероятность возникновения недопустимой ситуации.

При возникновении преждевременных отказов часто создается конфликтная ситуация между конструкторами, технологами и эксплуатационниками. Чтобы найти виновника и источник возникновения отказа необходимо проанализировать причины преждевременного отказа, т.е. обстоятельства, которые обусловили внезапность его возникновения.

Рассмотрим основные критерии для решения вопроса об ответственности той или иной службы за возникновение отказа.

Таблица 5 - Категории преждевременных отказов

Если отказ возник при нормальных условиях эксплуатации изделия без технологических дефектов, то возникновение такого отказа - допустимое событие, если число случаев отказа находится в регламентированных пределах.

Если же отказ связан с нарушением ТУ при изготовлении и эксплуатации изделий или неправильными расчетами при проектировании изделия, то соответствующие подразделения должны вносить коррективы в свою деятельность - пересмотреть методы расчета и прогнозирования надежности, повысить надежность технологического процесса, усовершенствовать методы эксплуатации и ремонта машины и т. п.

Большую информацию о преждевременных и недопустимых отказах, возникающих в процессе эксплуатации, могут дать рекламации потребителя, если они подвергаются тщательной обработке и анализу.

^ Вопрос 32. Периоды эксплуатации машин.

Под эксплуатацией машины понимают весь срок еесуществования от выпуска заводом-изготовителем до снятия с эксплуатации, который может состоять из отдельных периодов (табл.), во время которых работоспособность машины либо уменьшается, либо восстанавливается.

Таблица 4. Периоды эксплуатации машин.

Период эксплуатации	Работоспособность машин
I.Простои машины Консервация и хранение Транспортировка Проверка работоспособности (диагностика) или наладка (подготовка к работе) Простои (ожидание работы или ремонта)	Как правило, изменяется незначительно
II. Работа машины Работа при нормальных режимах и условиях эксплуатации Работа при повышенных режимах Работа при пониженных режимах Работа при проверках и испытаниях	Снижается
III. Ремонт машины Плановые периодические ремонты Техническое обслуживание Аварийные ремонты	Восстанавливается

От структуры процесса эксплуатации, т. е. от чередования и длительности отдельных периодов, во многом зависит выбор показателей надежности, которые отражают требования к безотказности изделия в период его работы и возможность длительного поддержания работоспособности изделия.

Кроме того, характер работы машины во времени определяет период, в течение которого следует оценивать ее безотказность. На фактические показатели надежности существенное влияние оказывают условия и методы эксплуатации машины, применяемая система ремонта и технического обслуживания, квалификация персонала.

^ Вопрос 33. Влияние системы обслуживания на надежность машин.

Потеря машиной работоспособности в процессе ее эксплуатации - неотвратимый процесс, протекающий в зависимости от конструкции машины и условий ее использования с большей или меньшей интенсивностью.

Предельным состоянием изделия будет такое, при котором вероятность выхода его параметров за допустимые пределы достигнет установленного уровня. Начиная с этого момента, изделие нуждается в восстановлении утраченной работоспособности.

Это достигается путем ремонта узлов и элементов машины, заменой износившихся частей запасными, регулировкой механизмов и другими методами, которые для краткости будем называть одним термином - ремонт.

От системы ремонта и ТО, которая определяет периодичность и объемы ремонтных работ, зависят показатели надежности изделия. Эта система для любой машины строится, как правило, на основании следующих принципов:

Для удобства эксплуатации машины и планирования ремонта предусматриваются периодические остановки машины для ее ремонта и профилактических мероприятий через заданные, как правило, равные промежутки времени (или после выполнения заданного объема работы);

Объемы периодических ремонтных работ и соответственно длительность простоя машины в ремонте неодинаковы, так как должно быть обеспечено восстановление работоспособности машины при протекании разнообразных процессов старения.

При разработке системы ремонта и технического обслуживания необходимо учитывать следующее:

В каждой машине, как правило, имеются детали и элементы с широким диапазоном их потенциальных сроков службы (наработки) до отказа;

Современные технические возможности позволяют осуществить ремонт и восстановить утраченную работоспособность для любых отказов машины (кроме особых случаев - например, гибели изделия в результате катастрофы); вопрос может идти лишь о больших или меньших затратах времени и средств;

Система ремонта и технического обслуживания имеет как общие для данного типа машин черты (например, характер и последовательность периодических ремонтов), так и параметры, отражающие уровень надежности машин данного назначения (например, время до капитального ремонта), основные параметры системы ремонта связаны с показателями надежности машины;

Система ремонта назначается для машины в целом, поэтому вероятность отказа отдельных узлов и механизмов машины и их регламентированные сроки службы (наработки) должны назначаться с учетом периодичности ремонтов, принятой данной системой;

При оценке работоспособности машины деление деталей и узлов на ремонтируемые и неремонтируемые не обязательно; для восстановления работоспособности машины неважно, заменяется или ремонтируется деталь, важно лишь, чтобы замененная или отремонтированная деталь отвечала техническим условиям;

При разработке технологических процессов ремонтных работ необходимо учитывать их влияние на качественные показатели отремонтированных изделий.

^ Вопрос 34. Методы повышения надежности нефтепромыслового оборудования

Методы и возможности по повышению надежности машин весьма разнообразны и связаны со всеми этапами проектирования, изготовления и эксплуатации машин. Проводимые в этой области мероприятия разделяются на несколько генеральных направлений.

1. Повышение сопротивляемости машин внешним воздействиям:

Создание прочных жестких, износостойких узлов за счет их рациональной конструкции;

Применение материалов с высокой прочностью, износостойкостью, антикоррозионностью, теплостойкостью;

Уменьшение нагрузок, действующих на механизм;

Применение упрочняющей технологии;

Исключение влияния технологической наследственности и др.

2. Изоляция машин от вредных воздействий.

Установка машины на фундамент,

Защита поверхностей от запыления и загрязнения,

Создание для машин специальных условий по температуре и влажности,

Применение антикоррозийных покрытий и т. д.

3. Создание оптимальной конструкции машины: с позиций надежности оптимальной будет такая конструкция машины и ее элементов, когда с наименьшими затратами средств достигается требуемая продолжительность работы отдельных узлов, механизмов и машины в целом при заданной безотказности и регламентированных затратах на ремонт и техническое обслуживание.

4. Применение автоматики для повышения надежности машин.

Проблема надежности машин возникла в первую очередь в связи с развитием автоматизации, с необходимостью обеспечить бесперебойную работу и взаимодействие механических, электрических, гидравлических и других устройств. Создание самонастраивающихся и саморегулируемых машин позволяет машине не только обладать способностью выполнять заданную работу, но и осуществлять свои функции длительное время, не опасаясь как внешних воздействий, так и процессов, происходящих в самой машине.

5. Создание машин с регламентированными показателями надежности. Под регламентацией показателей надежности понимается, знание законов распределения сроков службы (наработки), законов распределения скоростей изнашивания (или других процессов старения), характеристик начального состояния машины и всех тех данных, которые определяют область работоспособности машины и вероятность нахождения машины в заданном состоянии.

^ Вопрос 35. Направления дальнейших исследований в области надежности машин

Проблемы, которые являются первоочередными для дальнейших исследований по надежности машин и представляют самостоятельные направления в данной области:

1. 
   ^ Разработка моделей параметрических отказов. Развитие идей о взаимодействии машины со средой, учет обратных связей «процессы - выходные параметры машины», оценка взаимодействия параметров и других особенностей потери работоспособности сложных систем позволит разработать более совершенные модели отказов разнообразных машин и изделий. Эти модели должны учитывать внутренние связи и внешние воздействия, характерные для данной категории машин, давать основу для разработки алгоритмов по оценке надежности сложных изделий.
2. 
   ^ Динамика медленных процессов должна изучать те изменения в узлах и элементах машины, которые происходят в течение длительных промежутков времени. Эти процессы являются причиной отказов машины и изменения ее состояния со временем. Можно использовать фундаментальные принципы динамики машин и теории автоматического управления. При этом в первую очередь надо учитывать большую инерционность систем, возрастание периодичности внешних воздействий, взаимодействие обратимых и необратимых процессов, малую скорость процессов.

1. 
   ^ Прогнозирование надежности сложных систем. Для различных категорий машин необходимо дальнейшее развитие и воплощение идей о прогнозировании надежности на основе моделей отказов, которые базируются на закономерностях процессов повреждения (физики отказов) с учетом их вероятностной природы. Перспективным является использование методов статистического моделирования, когда учитываются вероятностные характеристики режимов и условий работы машины, внешних воздействий и протекающих процессов старения. Особенно актуальны еще недостаточно разработанные методы прогнозирования надежности с учетом процессов изнашивания, которые являются основной причиной отказов многих машин. Особую проблему представляет изучение надежности комплексов «машина - автоматическая система управления», так как взаимодействие механических и электронных систем порождает ряд новых аспектов теории надежности.
2. 
   ^ Нормирование показателей надежности. Разработка нормативов для показателей безотказности и долговечности машины, регламентация скоростей процессов, предельных состояний машины и ее элементов, запасов надежности, скорости изменения выходных параметров - необходимое условие для эффективного использования машин.

Базой является экономический фактор, оценивающий последствия отказов и выступающий в качестве критерия для оптимизации требований к показателям надежности.

1. 
   ^ Влияние износа на динамические параметры машины. Для многих машин динамика лимитирует (ограничивает) допустимые величины износов и ресурс изделия. В уравнениях динамики присутствуют показатели, зависящие от времени и имеющие случайную природу. Раскрытие этих закономерностей позволит объяснить многие сложные явления, связанные с изменением выходных параметров машины во времени, с отказами функционирования из-за разрушения ее элементов. Последнее часто является следствием возрастания динамических нагрузок в машине при износе ее элементов.
2. 
   ^ Разработка систем информации о надежности из сферы ремонта необходима для управления надежностью, оценки тенденций ее изменения и достигнутого уровня. Чем выше требования к безотказности изделий, тем меньше информации поступает из сферы эксплуатации. Необходимо создание специальных систем информации о степени повреждения элементов ремонтируемых изделий, не достигнувших предельного состояния и не имеющих отказов, для недопущения которых и производится их ремонт. Этот позволит оценить степень использования потенциальных возможностей изделия по надежности и обоснованно назначить ресурс для машины и ее агрегатов.
3. 
   ^ Испытание на надежность сложных систем. Основой для разработки методик испытаний сложных систем являются развитие методов испытания в сочетании с прогнозированием и использованием заданной информации, разработка алгоритмов по оценке надежности с учетом постоянно поступающей информации о состоянии изделия, выявление экстремальных реализаций потери изделием работоспособности, сочетание испытания со статистическим моделированием, оценка и прогнозирование ведущих процессов старения.
4. 
   ^ Анализ надежности технологического процесса. Технологический процесс должен обеспечить устойчивое формирование всех параметров изделия, которые определяют его надежность. Анализ структуры технологического процесса, применяемых методов и режимов обработки, методов контроля, учет остаточных и побочных явлений, связанных с обработкой и сборкой изделий, оценка технологической наследственности, использование принципов адаптации и саморегулирования позволят более эффективно решения обеспечивать надежность изделий при производстве.

^ 9. Оптимизация системы ремонта технического обслуживания. Выявление рациональных методов ремонта и Т. О. связано с их оптимизацией, в первую очередь, по критерию экономичности, что требует учета вероятностных процессов потери машиной работоспособности и реальных возможностей по ее восстановлению. Правильная организация системы ремонта и обслуживания может при тех же затратах значительно повысить эффективность использования сложных технических устройств и машин.

^ 10. Использование автоматики для обеспечения надежности машин. Создание кибернетических систем, предотвращающих вредные последствия процессов, протекающих в машине, воплощение принципа адаптации и саморегулирования не только для рабочих функций машины, но и для сохранения ее качественных показателей.

Широкий фронт исследовательских и конструкторских работ в области надежности машин являются залогом обеспечения с минимальными затратами времени и средств необходимого уровня надежности машин и изделий.

Случайное событие, приводящее к полной или частичной утрате работоспособности изделия, называется отказом.

Отказы по характеру изменения параметров аппаратуры до момента их возникновения подразделяют на постепенные и внезапные (катастрофические). Постепенные отказы характеризуются достаточно плавным временным изменением одного или нескольких параметров, внезапные – их скачкообразным изменением. По повторяемости возникновения отказы бывают одноразовые (сбои) и перемежающиеся.

Сбой – однократно возникающий самоустраняющийся отказ, перемежающийся отказ – многократно возникающий сбой одного и того же характера.

В зависимости от причины возникновения отказы делятся на устойчивые и самоустраняющиеся. Устойчивый отказ устраняется заменой отказавшего компонента, а самоустраняющийся исчезает сам, но может повториться. Самоустраняющийся отказ может проявиться в виде сбоя или в форме перемежающегося отказа.

Возникновение отказов происходит как из-за внутренних свойств аппаратуры, так и из-за внешних воздействий и носит случайный характер. Для количественной оценки отказов используют вероятностные методы теории случайных процессов.

Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени. Способность изделия непрерывно сохранять заданные функции в течение установленного в технической документации времени характеризуется вероятностью безотказной работы, интенсивностью отказов и средней наработкой между отказами. Безотказность изделия (например, ячейки) в свою очередь определяется значениями интенсивности отказов компонентов λi, входящих в его состав.

Теория оценки надежности методологически позволяет увидеть и "оправдать" существовавшие ранее конкретные модели оценки надежности, в частности компонентов, а также предвидеть степень их полноты, достаточности и адекватности для решения практических задач надежности.

Исследователи отказов компонентов использовали принцип каузальности (причинности) и для объяснения процессов деградации, приводящих к отказам, применяли знания из физики, химии, термодинамики и материаловедения. В результате появились синтетические термины и понятия – "механизм отказа", "энергия активации процесса деградации", составляющие основу физических методов анализа (физика надежности, физика старения, физика отказов), положенных в основу разработок моделей оценки показателей надежности с целью прогнозирования надежности компонентов. Такие модели широко используются в практической работе при анализе и оценке надежности изделий, в том числе компонентов МЭА, и приведены в официальных стандартах и каталогах микросхем, являющихся главным видом изделий элементной базы современных технических объектов. Поэтому знание этих моделей полезно для правильного инженерного применения.

Для того чтобы дать представление о природе процессов деградации в изделиях, вначале покажем, каким образом можно применить концепции химического равновесия, статистической механики и теории абсолютных скоростей реакций к системе, состоящей из многих частиц. Это позволит далее ввести как эмпирическую модель оценки скоростей реакции Аррениуса, так и более общую модель Эйринга.

Под механизмами отказов понимаются микроскопические процессы изменений, ведущие к отказу изделия. Механизм отказа представляет теоретическую модель, призванную объяснить на атомном и молекулярном уровнях внешние проявления отказа изделия. Эти внешние проявления обусловливаются видом отказов и представляют собой конкретные, физически измеримые состояния изделия.

Модель механизма отказов обычно является в большой мере идеализированной. Однако она позволяет предсказать взаимозависимости, что приводит к лучшему пониманию рассматриваемого явления, хотя количественные результаты зависят от конкретных компонентов, состава и конфигурации изделия.

Механизмы отказов могут иметь физическую и (или) химическую природу. На практике разделить механизмы отказов затруднительно. Поэтому зачастую в процессе анализа сложный ряд механизмов рассматривают как единый обобщенный механизм отказов. Как правило, особый интерес представляет какой-то один механизм из ряда действующих одновременно, который определяет скорость протекания процесса деградации и сам развивается наиболее быстро.

Механизмы отказов могут быть представлены либо непрерывными функциями времени, которые обычно характеризуют процессы старения и износа, либо скачкообразными функциями, отражающими наличие множества невыявленных дефектов или качественно слабых мест.

Первая группа механизмов обусловлена тонкими дефектами, приводящими к дрейфу параметров компонентов за пределы допусков, и характерна для большинства компонентов; вторая группа механизмов проявляется в небольшом числе компонентов и обусловлена грубыми дефектами, от которых избавляются посредством технологических отбраковочных испытаний (ТОИ).

Даже самый простой компонент изделия (в том числе ИМНЭ) является многокомпонентной гетерогенной системой, многофазной, имеющей граничные области между фазами. Для описания такой системы используют либо феноменологический, либо молекулярно-кинетический подход.

Феноменологический подход – чисто эмпирический, описывающий состояние системы на основании измеримых макроскопических параметров. Например, для транзистора по результатам измерений дрейфа во времени тока утечки и напряжения пробоя в определенные моменты времени устанавливается взаимосвязь этих параметров, на базе которой осуществляется прогнозирование свойств и состояний транзистора как системы. Однако эти параметры являются усредненными по множеству микроскопических характеристик, что снижает их чувствительность как индикаторов механизмов деградации.

Молекулярно-кинетический подход преимущественно связывает макроскопические свойства системы с описанием ее молекулярной структуры. В системе из многих частиц (атомов и молекул) их перемещения можно описать на основе законов классической и квантовой механики. Однако вследствие необходимости учета большого числа взаимодействующих частиц задача весьма объемна и трудна для решения. Поэтому молекулярно-кинетический подход также остается чисто эмпирическим.

Интерес к кинетике деградации компонентов ведет к анализу того, как протекают превращения (переходы) одного равновесного состояния в другое с учетом природы и скорости превращений. При таком анализе возникают некоторые трудности.

Работа компонентов зависит главным образом от таких необратимых явлений, как электро- и теплопроводность, т.е. определяется неравновесными процессами, для исследования зависимости которых приходится прибегать к методам аппроксимации, поскольку компоненты являются многокомпонентными системами, состоящими из ряда фаз вещества. Наличие множества неравновесных факторов может при определенных условиях влиять на природу и скорость изменения равновесных состояний системы. Следовательно, необходимо учитывать не только комбинации механизмов, способных меняться в зависимости от времени и нагрузки, но и изменения во времени самих механизмов.

Несмотря на эти сложности, можно сформулировать общую концепцию рассмотрения и анализа, исходя из того, что в технологии компонентов на основании контроля их параметров и результатов некоторого периода испытаний принято решать, какие из данного множества компонентов являются годными для конкретного применения. Процесс отбраковки осуществляется на протяжении всего производственного цикла: от материалов до испытаний готовых изделий.

Таким образом, остается только понять механизм эволюции готового компонента от состояния "годен" до состояния "брак". Опыт свидетельствует, что такое превращение требует преодоления определенного энергетического барьера, схематически показанного на рис. 5.13 .

Рис. 5.13.

р 1, р, р 2 – уровни энергии, характеризующие нормальное, активированное и отказовое состояния системы; Е a – энергия активации; δ – пространство неустойчивости системы; А, В, С – взаимодействующие частицы системы

Минимальный уровень энергии, необходимый для перехода из состояния p 1 в состояние р, называется энергией активации Е а процесса, которая может иметь механическую, тепловую, химическую, электрическую, магнитную или другую природу. В полупроводниковых твердотельных изделиях – это зачастую тепловая энергия.

Если состояние р 1 является минимально возможным уровнем энергии данной системы, а компонент соответствует состоянию "годен", то состояние р соответствует неустойчивому равновесию системы, а компонент – предотказовому состоянию; р 2 отвечает состоянию "отказ" компонента.

Рассмотрим случай, когда имеется один механизм отказа. Состояние системы (хорошее или плохое) можно охарактеризовать рядом измеримых макроскопических параметров. Изменение, или дрейф этих параметров можно регистрировать как функцию времени и нагрузки. Однако необходимо убедиться в том, что принятая группа макропараметров не отражает частный случай микросостояния системы (плохой или хороший). Признаком частного случая является отсутствие двух идентичных изделий с точки зрения их микросостояния. Тогда скорость деградации будет для них неодинакова, а сами механизмы могут оказаться различными в какой-то заданный промежуток времени, а значит, и технологические отбраковочные испытания (ТОИ) будут неэффективными. При идентичности микросостояний компонентов статистика отказов после их испытаний будет идентичной.

Рассмотрим анализ процессов деградации. В простой системе, состоящей из многих частиц, рассмотрим некоторое ограниченное число частиц, активно участвующих в процессе деградации, ведущем к деградации параметров компонента. Во многих случаях степень деградации пропорциональна числу активированных частиц.

Например, может происходить диссоциация молекул на составляющие их атомы или ионы. Скорость этого процесса (химической диссоциации) будет зависеть от числа диссоциирующих частиц и от их средней скорости прохождения через энергетический барьер.

Допустим, что имеем измеримый параметр П. Свойства изделия или некая функция параметра f (П) изменяется пропорционально скорости химической диссоциации каких-то веществ, входящих в состав материалов изделия, а сама диссоциация является главным механизмом деградации, приводящим к отказу изделия. В этом случае скорость изменения П или f (П) во времени t можно выразить следующим образом:

где N a – число частиц, достигших уровня энергии, достаточного для преодоления энергетического барьера;– средняя скорость движения активированных частиц через барьер;– коэффициент прозрачности барьера (он меньше единицы, так как часть активных частиц скатывается обратно с энергетической вершины барьера).

Задача определения N a из общего числа частиц в системе может быть решена при следующих допущениях:

• 1) только небольшая часть всех частиц системы всегда обладает энергией, необходимой для активации процесса деградации;
• 2) существует равновесие между числом активированных частиц и числом остальных частиц системы, т.е. скорость возникновения (рождения) активированных частиц равна скорости их исчезновения (гибели):

Задачи рассматриваемого типа являются предметом исследования статистической механики и связаны со статистиками Максвелла – Больцмана, Ферми – Дирака, Бозэ – Эйнштейна.

Если применить классическую статистику Максвелла – Больцмана, используемую как удовлетворительную аппроксимацию для частиц всех типов (все частицы различимы), то число частиц, которое будет находиться на одном и том же энергетическом уровне в равновесной системе из многих частиц, опишется следующим образом:

где Е a – энергия активации; k – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура.

В процессе многолетних исследований кинетики реакций эмпирическим путем было установлено, что в большинстве химических реакций и некоторых физических процессах имеет место аналогичная зависимость их скорости реакции от температуры и убыли

(убывания) исходной концентрации вещества С, т.е.

Другими словами, для термически активируемых химических реакций справедливо уравнение Аррениуса. Запишем его с учетом квантовомеханических поправок:

где А – коэффициент пропорциональности.

Большинство ускоренных испытаний компонентов основано на использовании уравнения Аррениуса, которое широко применяется, хотя зачастую и не обеспечивая вполне необходимую точность, для анализа процессов деградации изделий и прогнозирования их надежности.

Применительно к изделиям электроники самым ранним было его использование в исследовании нарушений (неисправностей) электрической изоляции.

Множитель А должен быть рассчитан с учетом:

• средней скорости преодоления частицами энергетического барьера;
• общего числа имеющихся (участвующих в процессе) частиц;
• функции распределения частиц по энергиям в системе.

где f * и f n – функции распределения активированных и нормальных частиц; δ – длина пути реакции; С n – концентрация нормальных частиц.

С учетом поступательной, вращательной и вибрационной энергий частиц последнее выражение записывается в виде, пригодном для использования в физике отказов:

где ; k – постоянная Больцмана; h – постоянная

Планка; Т – температура; – соответственно энергия активации, стандартная энергия активации Гиббса, энтропия и энтальпия активации, универсальная газовая постоянная.

Важность уменьшения энтропии в системе, состоящей из многих частиц, заключается в замедлении скорости деградации параметра изделия в связи с возрастанием упорядоченности системы. Это означает увеличение времени наработки на отказ, что можно показать, проинтегрировав последние уравнения:

Выражение для времени достижения компонентом отказового состояния t f от номинально-допустимого значения электрического параметра П0 до отказового Пf после интегрирования, подстановки пределов и логарифмирования примет вид

где ; коэффициент А" определяется в процессе испытаний на надежность и отражает предотказовое (т.е. энергетически активированное) состояние компонента.

Если под временем t f понимать среднюю наработку на отказ, то для экспоненциального закона распределения интенсивность отказов λ можно определить следующим образом:

Рассмотренный подход позволяет при теоретическом анализе надежности компонентов делать только качественные и полуколичественные выводы как вследствие многофазности и гетерогенности многокомпонентной надсистемы, частью которой является компонент (и даже элемент компонента), так и из-за вида временны́х экспериментальных моделей деградации компонентов. Это очевидно из сводки причин, механизмов и физико-математических моделей отказов компонентов ИС, представленной в табл. 5.20 (временны́е модели не всегда следуют логарифмической зависимости; на практике могут быть и степенны́е зависимости).

Достоинство подхода, основанного на использовании уравнения Аррениуса, состоит в возможности прогнозирования параметрических отказов изделий на основе ускоренных испытаний. Недостатком такого подхода является отсутствие учета конструкторско-технологических параметров элементов и компонентов.

Таким образом, подход Аррениуса базируется на эмпирической связи электрического параметра компонента или элемента и механизма отказа с энергией активации Еа. Этот недостаток преодолен теорией Г. Эйринга, который ввел понятие активированного комплекса частиц и методами статистической и квантовой механики нашел его обоснование. Однако в его теории не учитываются достижения российской термодинамической школы материаловедов, творчески переработавших идеи Д. Гиббса.

Тем не менее подход Аррениуса – Эйринга – Гиббса активно применяется для решения вопросов надежности при допущении температурной зависимости механизмов отказов и является основой различных моделей, служащих для нахождения интенсивностей отказов ИЭТ, приведенных в справочной литературе, руководствах и базах данных программ расчета показателей надежности.

В теории Эйринга не учитываются достижения российской термодинамической школы материаловедов, творчески освоивших и переработавших идеи Д. Гиббса, не очень почитаемого в Америке, но любимого в России и на просторах бывшего СССР. Известно, например, что В. К. Семенченко на основе обобщенных функций, связанных с уравнениями Пфаффа (1815 г. – так называемая пфаффова форма) предложил свой подход (свою С-модель) и модифицировал фундаментальное уравнения Д. Гиббса.

Таблица 5.20

Причины, характерные механизмы и модели отказов компонентов и их элементов

	Параметр (показатель) надежности	Причина (механизм) отказов	Модель отказов	Значение энергии активации Е a, эВ
Физико-химическая система	Время самопроизвольного выхода из устойчивого состояния τ	Процессы деградации
Герметизирующие покрытия (полимеры)	Средняя наработка на отказ tr	Деструкция (процессы сорбции, десорбции, миграции)
Поверхность полупроводника /7-типа	Поверхностная концентрация ионов n s	Инверсия, электромиграция
Алюминий массивный (объемный)	Средняя наработка на отказ t f	Термомеханические напряжения
Металлизация (пленочная)	Средняя наработка на отказ t f	Электромиграция, окисление, коррозия, электрокоррозия
Межсоединения	Сопротивление контактов R	Образование интерметаллидов
Резисторы	Сопротивление контактов R	Окисление
Конденсаторы	Емкость С	Диффузия, окисление
Микромеханический акселерометр (ММА)	Чувствительный элемент преобразователя механической деформации в ускорение	Микроползучесть		1,5-2

* Данные взяты из кн.: Технология СБИС. В 2 кн. Кн. 2 / К. Могэб [и др.]; пер. с англ.; под ред. С. Зи. М.: Мир, 1986. С. 431.

Необходимо отметить, что к развитию своих идей Д. Гиббс провидчески подтолкнул сам. Как было сказано в предисловии к "Принципам..." , он "признает неполноценность всякой теории", которая не учитывает свойств веществ, наличие излучения и других электрические явлений.

Фундаментальное уравнение вещества по Гиббсу (с учетом термических, механических и химических свойств) имеет вид полного дифференциала:

или, что то же, для удобства визуального анализа:

здесь Гиббс использует следующие обозначения: ε – энергия; t – температура; η – энтропия; р – давление; V – объем; μ, – химический потенциал; m i – мольная доля /-го компонента (i= 1, ..., п ).

Семенченко, используя метод обобщенных функций (пфаффовы формы) ввел в G-модель напряженности электрического (Е ) и магнитного (Я) полей, а также соответствующие им "координаты" – электрическую (Р ) и магнитную (М ) поляризации, модифицировал G-модель до вида

Поэтапная процедура применения наиболее простой модели – Аррениуса – для анализа данных испытаний по определению температурной зависимости процессов деградации компонентов выглядит так:

В связи с изложенным важно сделать замечания о концепции надежности, принятой фирмой Motorola для полупроводниковых диодов, транзисторов и ИС.

Как известно, надежность – это вероятность того, что ИС сможет успешно выполнить свои функции в заданных условиях эксплуатации за определенный промежуток времени. Это классическое определение.

Другое определение надежности связано с качеством. Поскольку качество – мера изменчивости, т.е. вариабельности, вплоть до потенциального, скрытого несоответствия или отказа в репрезентативной выборке, то надежность – мера изменчивости во времени в условиях эксплуатации. Следовательно, надежность – это качество, развернутое во времени в условиях эксплуатации.

Наконец, надежность продукции (изделий, в том числе компонентов) – это функция правильного понимания требований заказчика и внедрение или воплощение этих требований в конструкцию, технологию изготовления и эксплуатацию изделий и их конструктивов.

Метод QFD (quality function deployment) представляет собой технологию развертывания функций качества, структурирование функции качества (что означает проектирование изделий, при котором сначала выявляются запросы потребителей, затем определяются технические характеристики продукции и процессов изготовления, наилучшим образом соответствующие выявленным потребностям, в результате чего достигается более высокое качество продукции). Метод QFD полезен для установления и отождествления требований к качеству и надежности с целью их реализации в инновационных проектах.

Количество наблюдаемых отказов за общее количество часов в конце периода наблюдения носит название точечной оценки интенсивности отказов. Эта оценка получается из наблюдений за выборкой, например, испытуемых ИС. Оценка интенсивности отказов выполняется с использованием χ2-распределения:

где λ* – интенсивность отказа; а – доверительный уровень значимости; v = 2r 2 – число степеней свободы; r – число отказов; п – число изделий; t – продолжительность испытаний.

Пример 5.6

Вычислить значения функции χ2 для 90%-ной доверительной вероятности.

Решение

Результаты вычислений приведены в табл. 5.21.

Таблица 5.21

Вычисленные значения функции χ 2 для 90%-ной доверительной вероятности

Для повышения достоверности доверительного уровня оценки требуемой сегодня наработки фирмой Motorola используется подход, основанный на определении интенсивности отказов компонентов в форме уравнения Эйринга:

где А, В, С – коэффициенты, определяемые по результатам испытаний; Т – температура; RH – относительная влажность; Е – напряженность электрического поля.

Таким образом, изложенный материал свидетельствует о том, что в условиях достаточно широкого применения изделий зарубежной электронной техники с неизвестными показателями надежности можно рекомендовать использование представленных в настоящей главе методов и моделей для определения и прогнозирования показателей надежности компонентов и систем: для компонентов – с применением физических представлений на основе уравнений Аррениуса, Эйринга, Семенченко, Гиббса; для систем – с применением комбинаторного анализа (параллельного, последовательного и иерархического типов).

• Используемый на рисунке термин "Долина" – термин в физической химии (официально не определенный), применяющийся в диаграммах состояний частиц для частиц, понизивших свою энергию, "упавших" с вершины в долину (по аналогии с альпинизмом), преодолевших энергетический барьер и потерявших энергию после осуществления работы, т.е. осуществивших переход на более низкий энергетический уровень, характеризуемый меньшей энергией Гиббса, что является следствием реализации принципа минимума энергии, описанного в термодинамических потенциалах и введенного в науку (например, в теоретическую физику) самим Д. Гиббсом.
• Гиббс Дж. В. Основные принципы статистической механики, разработанные со специальным применением к рациональному обоснованию термодинамики // Гиббс Дж. В. Термодинамика. Статистическая механика: пер. с англ.; под ред. Б. М. Зубарева; сост. У. И. Фракфурт, А. И. Фрэнк (серия "Классики науки"). М.: Наука, 1982. С. 352-353.