ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ПРИБОРОВ

Надежность прибора закладывается на этапах проектно-конструкторской работы и обеспечивается в процессе его изготовления и эксплуатации. Рассмотрим некоторые факторы и мероприятия, которые нужно учитывать и соблюдать для обеспечения и повышения показателей надежности приборов.

ПРОЕКТНО-КОНСТРУКТОРСКИЕ МЕРОПРИЯТИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ

  • 1. При поиске идей и разработке принципа функционирования прибора необходимо учитывать надежность тех физических эффектов, которые будут положены в основу его работы. Например, приборы для измерения длин, основанные на интерференции света (интерферометры) и работающие в цеховых условиях, будут менее надежны (из-за чувствительности к колебанию температуры, давлению и влажности воздуха, вибрациям и т. д.) по сравнению с оптико-электронными приборами, основанными на фотоэлектрических и телевизионных преобразователях (датчиках) линейных перемещений и расстояний, которые менее чувствительны к влияющим факторам.
  • 2. При разработке структуры и конструкции прибора следует использовать как можно больше известных (заимствованных) конструктивных решений, унифицированных и стандартизированных функциональных устройств, узлов и элементов.

Использование заимствованных решений и унифицированных устройств повышает надежность прибора, так как они проверены практикой и лучше отработаны в схемном, конструктивном и технологическом отношениях.

3. Для ответственных элементов прибора необходимо использовать высококачественные материалы и комплектующие изделия, которые обязательно должны выбираться с учетом условий и режимов его работы. Например, неправильный выбор материалов прибора, работающего в тропиках, существенно уменьшает срок его службы (ресурс) и может привести к катастрофическому отказу. Применение пластмасс для ответственных деталей (линз, кулачков, зубчатых колес и др.) или интенсивно работающих вспомогательных элементов (переключателей, фиксаторов и др.), как правило, снижает надежность прибора, так как многие виды полимеров подвержены старению во времени (т. е. изменению структуры и химического состава, сопровождающемуся изменением механических, физических и химических свойств) под воздействием внешних факторов — солнечного света, температуры, кислорода, озона, влаги, ионизирующих излучений, проникающей радиации, механических напряжений, биологических и химических воздействий среды и т. д.

Ответственные детали приборов должны подвергаться необходимой термической обработке (закалка, отжиг, старение), покрытиям, смазке, консервирующей защите, что существенно повышает показатели надежности всего прибора. Сочетания материалов деталей в соединениях не должны образовывать гальванических пар.

4. Разрабатывая конструкцию прибора, необходимо соблюдать принципы конструирования, оказывающие влияние на его функциональную и точностную надежность (например, принцип отсутствия избыточного базирования в соединениях деталей, принцип учета тепловых свойств соединяемых деталей, принцип кратчайшей цепи преобразования, принцип отсутствия избыточных связей в механизмах и приводах и т. д. (см. рис. 1.14, 1.29, 1.36, 1.38, 1.61, 1.63)).

При определении размеров и посадок деталей следует учитывать условия жесткости, износоустойчивости, отсутствия заклинивания, деформаций и т. п. Например, если изменение зазора Дев посадке линзы в оправу (рис. 3.37) при отклонении температуры At от номинального значения будет больше, чем минимальное значение этого зазора Дс0 min при номинальной температуре (20°С), то возможна деформация линзы и отказ прибора. Это происходит при невыполнении условия: Ас = Дс0mirl + (ах - a2) D At > 0, где ах, а2 — коэффициенты линейного расширения материалов линзы и оправы, D — размер (диаметр) сопрягаемых деталей.

  • 5. В конструкции прибора необходимо предусмотреть разнообразные защитные устройства, которые можно подразделить на следующие группы:
    • ? устройства, предохраняющие прибор от аварийного состояния при отказе того или иного элемента прибора, ошибках оператора, колебаний электрического напряжения в сети и т. п. Например, автоматические выключатели и плавкие предохранители в цепи питания; фрикционная муфта (соединяющая двигатель и винт) в винтовом приводе движения измерительной пиноли сферометра, предохраняющая сгорание двигателя при выходе из строя концевого выключателя перемещения гайки и последующего стопорения ротора (см. рис. 2.7); защитные колпачки и блокираторы случайного нажатия кнопок включения (выключения) прибора, перехода на решение тестовых программ ЭВМ; компьютерные программы защиты от несанкционированного доступа в систему управления прибором или ошибок при вводе значений параметров;
    • ? устройства, предохраняющие подключение низковольтных источников света, фотоприемников и другого электрооборудования прибора в бытовую сеть либо к несоответствующим гнездам электронных блоков. Например, типичной и частой ошибкой является использование стандартной вилки для подключения источника излучения (лампы подсветки напряжением 6-8 Вт) к блоку питания, которую по ошибке можно включить в бытовую сеть, а также несоблюдение полярности питающего напряжения некоторых приемников излучения, приводящее к выходу прибора из строя или снижению порога его чувствительности;
    • ? устройства, предохраняющие съем несъемных наружных элементов без специального инструмента и приспособлений (окуляров, объективов, рукояток управления), а также потерю съемных элементов и их крепежа (невыпадающие винты, поддерживающие цепочки, магнитные фиксаторы крышек, кожухов, бленд, светофильтров);
    • ? устройства, предохраняющие наружные оптические детали от механического повреждения и загрязнения, а также исключающие возможность воздействия на органы управления и регулирования посторонними предметами (защитные кожухи, диафрагмы, экраны);
    • ? устройства, предохраняющие порчу прибора при хранении и транспортировке от влияния влаги, грызунов, плесени и грибков, тряски и вибрации (вентиляция, принудительный продув, осушка, амортизация, защитные металлические сетки и т. п.).
  • 6. Конструкция прибора должна обеспечивать доступность всех его компонентов, узлов и деталей для осмотра, контроля, обслуживания, регулировки или замены. Замена или регулировка малонадежных элементов прибора не должна приводить к разборке других узлов. Например, замена перегоревшего источника освещения не должна быть связана со съемом конденсора или разборкой части прибора для доступа к нему.
  • 7. В приборе должны быть предусмотрены световые и звуковые индикаторы включения питания и технического состояния прибора, сигнализирующие о разряде источников энергии, перегрузке, отказе двигателей, перегреве или переохлаждении, выходе из нормального режима эксплуатации, сбое программы вычислений, превышении допустимой погрешности измерений. Например, в автоматизированном приборе для измерения концевых мер длины АПМ-100 ([2.54, 2.48], см. также рис. 2.5) производится алгоритмическая компенсация случайной погрешности измерения из-за вибраций, шумов и наводок в электрических цепях и т. д. путем статистической обработки результатов измерения, при которой имеется возможность предусмотреть предупреждение оператора (звуковое, световое или текстовое на экране компьютера) о недопустимом увеличении поля рассеяния случайной погрешности.
  • 8. Весьма эффективным приемом повышения надежности приборов является резервирование, под которым понимается использование дополнительных (дублирующих) элементов, средств и возможностей в целях сохранения работоспособного состояния прибора при отказе одного или нескольких его элементов.

Дублирование малонадежных элементов или устройств в технических изделиях применяется достаточно давно и подсказано самой природой, которая заложила дублирование, например, важных органов и чувств человеку и животным.

Интересный эпизод связан с работой над повышением надежности самолетов на заре их освоения в начале XX в. В это время большинство катастроф самолетов было вызвано отказом магнето двигателя внутреннего сгорания — так называемым исчезновением искры зажигания.

Проблема повышения надежности магнето была решена юным А. А. Ми- кулиным, будущим академиком и известным конструктором авиационных двигателей.

Произошло все следующим образом [2.55].

Как-то раз Микулин встретил на улице огромного мужика с сильно подбитым, заплывшим и ничего не видевшим глазом. В это время и пришла догадка. Микулин сразу бросился бежать в гостиницу к знаменитому авиатору С. И. Уточкину, где между ними состоялся следующий разговор:

  • — У людей по два глаза, подбейте левый — правый будет видеть.
  • — Я никому не собираюсь подбивать глаза, — сказал Уточкин.
  • — На вашей машине одно магнето — поставьте два!
  • — Прекрасная мысль, — сказал Уточкин. — За каждый благополучный показательный полет я буду платить тебе по 10 рублей.

Показательные полеты тогда были платные. И Уточкин сдержал свое слово, посылая после каждого полета денежные переводы.

Кратностью резервирования называют отношение числа резервных элементов (изделий) к числу основных.

Различают резервирование следующих видов:

  • ? общее (резервирование прибора (изделия) в делом);
  • ? раздельное (поэлементное);
  • ? постоянное (без перестройки структуры прибора в случае отказа его элементов);
  • ? динамическое (с перестройкой структуры, в частности замещение отказавших элементов резервными);
  • ? нагруженное (горячее), когда резервные элементы находятся в тех же условиях, что и основные (работающие);
  • ? облегченное, когда резервные элементы до их подключения находятся в облегченных условиях;
  • ? ненагруженное (холодное), при котором резервные элементы включаются в работу только после отказа основных;
  • ? смешанное — комбинация вышеперечисленных видов.

Теоретически резервирование повышает надежность приборов, так как

переводит систему из последовательно соединенных элементов (в смысле надежности, а не функциональной структуры) в систему с параллельным соединением.

Рис. 4.7

Последовательное (в смысле надежности) соединение элементов прибора

При последовательном соединении п элементов (рис. 4.7а) отказ системы наступает при отказе хотя бы одного из них, поэтому вероятность безотказной работы системы в течение времени t определяется (согласно правилу умножения вероятностей независимых событий) произведением вероятностей безотказной работы п ее элементов:

Интенсивность отказов системы вычисляется по формуле Среднее время безотказной работы определяется как

Для однотипных элементов, имеющих одинаковую вероятность безотказной работы всех элементов, например при последовательном включении п лампочек елочной гирлянды (рис. 4.76), соответственно имеем:

т. е. вероятность безотказной работы системы уменьшается с увеличением числа последовательного соединенных элементов, интенсивность отказов в п раз больше интенсивности отказов А одного элемента, а среднее время безотказной работы в п раз меньше среднего времени безотказной работы одного элемента.

Следовательно, при проектировании прибора необходимо стремиться к возможно меньшему числу последовательно соединенных элементов и повышать надежность элементов, имеющих наиболее низкую вероятность безотказной работы (например, их резервированием).

Как уже было сказано, последовательность включения элементов в смысле надежности не эквивалентна последовательности их включения в функциональном смысле (для передачи информации, энергии и т. и.). Например, система, изображенная на рисунке 4.7в с параллельно включенными резисторами Rl и R2, выходит из строя при коротком замыкании одного из них.

Отказ системы при параллельном соединении элементов (рис. 4.8а) не возникает при отказе любого элемента и происходит только тогда, когда откажут все элементы.

Рис. 4.8

Параллельное (в смысле надежности) соединение элементов прибора

Вероятность Fy(t) отказа системы в течение времени t в этом случае будет определена:

где Fj(t) — вероятность отказа г-го элемента.

Следовательно, вероятность безотказной работы системы с параллельным соединением элементов, исходя из (4.1), будет

При равнонадежных элементах (например, для елочной гирлянды с параллельным включением лампочек, рис. 4.8б) имеем:

Таким образом, резервирование является эффективным средством повышения надежности системы, особенно для этапа приработки прибора (вблизи t = 0), где функция распределения случайного времени до первого отказа элементов обычно подчиняется экспоненциальному закону, поэтому (см. формулу (4.2)):

Еще раз заметим, что параллельность соединения элементов в смысле надежности не всегда означает параллельность их соединения в функциональной структуре. Например, последовательное структурное соединение конденсаторов (рис. 4.8в) является параллельным в смысле надежности при коротком замыкании одного из них, когда их общая емкость не имеет значения (помехоподавляющий фильтр).

Примерами резервирования малонадежных элементов и систем являются следующие: дублирование источника освещения в медицинских операционных микроскопах; дублирование телевизионных камер в студиях, космических аппаратах; дублирование самих космических аппаратов при уникальных экспериментах (проекты «Вега», «Фобос»). Именно объектив второй межпланетной станции «Вега-2» передал на Землю наиболее удачные снимки ядра кометы Галлея в 1986 г.

9. Значительное количество отказов при эксплуатации приборов обусловлено ошибками операторов, вызванных ограниченными психофизиологическими возможностями человека, утомленностью, отступлением от привычных, стереотипных движений и расположений индикаторов и т. п., поэтому при проектировании приборов необходимо обеспечивать эргономические показатели их качества. Эти показатели характеризуют степень приспособленности прибора к взаимодействию с человеком с позиции удобства работы, гигиены, безопасности труда (см. п. 1.1.2).

В приложении 6 представлены некоторые психофизиологические данные человека, которые необходимо учитывать при разработке конструкции и инструкции эксплуатации прибора для обеспечения его надежности. Так, например, для человека, выполняющего операции «включено», «пуск», «увеличение», «ускорение», привычными являются движения органов управления и регулирования вверх, от себя, вправо; оптимальный момент сопротивления движению маховичка для совершения точных поворотов — (1-2) Н ем; разрешающая способность глаза (способность различать раздельно два предмета, расположенные близко друг к другу) — 1'; число динамически изменяющихся сигналов, одновременно требующих внимания оператора, не должно превышать трех-четырех.

Специальные вопросы обеспечения надежности системы «человек — машина», являющиеся одной из важнейших задач инженерной психологии, рассмотрены, например, в работе [2.56].

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >