СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ОТКАЗОУСТОЙЧИВОСТИ ИЗДЕЛИЙ (ВАРИАНТЫ)
METHOD FOR ENHANCEMENT OF ARTICLES FAULT RESISTANCE (VERSIONS)

Изобретение относится к области машиностроения и авиационно-космической техники и может быть использовано при создании различного класса изделий.
Порядок создания, производства и эксплуатации изделий, в том числе космических комплексов, регламентируется соответствующими нормативными документами и ГОСТ. Основным показателем качества изделия является надежность. Надежность является сложным свойством и состоит из сочетания свойств, в частности: безотказности, долговечности, отказоустойчивости (ГОСТ Р 5348-2009 «Надежность в технике»). Безотказность - это способность изделия выполнять требуемую функцию в заданном интервале времени при заданных условиях. Работоспособное состояние - состояние изделия, при котором оно способно выполнять требуемую функцию при условии, что представлены необходимые внешние ресурсы. Изделие в одно и то же время может находиться в работоспособном состоянии для некоторых функций и в неработоспособном состоянии для других. Кроме того, изделие может находиться в состоянии неисправности (частичной), приводящей к отказу (частичному). Поэтому одним и важных свойств надежности является отказоустойчивость, т.е. устойчивость к неисправности - способность изделия продолжать функционирование при определенных видах неисправности. (Неисправность - состояние изделия, характеризующееся неспособностью выполнять требуемую функцию.) Это особенно важно для уникальных (единичных) изделий авиационно-космической техники.
Одним из показателей надежности является вероятность безотказной работы (ВБР) - вероятность выполнять требуемую функцию при данных условиях в интервале времени. С учетом изложенного этот показатель будем понимать в более широкой трактовке как вероятность работоспособного состояния (ВРС), т.е. состояния, способного выполнять требуемую функцию при заданных условиях в интервале времени. Эта трактовка допускает возможность учитывать выполнение требуемой функции и в состоянии частичных неисправностей, сбоев.
Существующий способ обеспечения, повышения надежности, в том числе отказоустойчивости изделий включает определение интенсивности отказов, вероятности безотказной работы, устранение неисправностей, выбор и применение конструктивных, схемных решений изделия и его составных частей (СЧ), повышающих их надежность.
Комплекс взаимоувязанных требований и мероприятий, направленных на выполнение заданных в документации на изделие требований по надежности на соответствующей стадии жизненного цикла, представлен в ГОСТ (ГОСТ 27.410.87 - «Методы контроля показателя надежности и плана контрольных испытаний» и др.) и дан в справочнике Ю.К.Беляев, В.А.Богатырев и др. «Надежность технических систем», М., Радио и связь, 1985 г.
Указанный способ обладает существенным недостатком, а именно эволюционным характером совершенствования изделия (выбором и применением конструкторских и схемных решений), определяемым естественными причинами, особенно в ракетно-космической технике (РКТ), такими как уникальность (сложность) изделия, малая серия или единичные экземпляры, продолжительность создания (отработки) и их высокая стоимость. Все это ограничивает возможности принятия решений по использованию ряда мероприятий, направленных на совершенствование изделий, в том числе и инновационных.
Известен способ повышения надежности, отказоустойчивости, выбранный в качестве прототипа и включающий структурные и физические методы расчета (определение) количественных показателей надежности (безотказности, долговечности, отказоустойчивости) и выбор технических решений по совершенствованию изделий и составных частей, обеспечивающих оптимальное значение показателей надежности. Основные положения этого способа изложены в монографии: В.Ф.Грибанов, А.И.Рембеза и др. «Методы отработки ракетно-космических комплексов», М., Машиностроение, 1995 г. Однако этот способ является трудоемким, в особенности для сложных изделий, и, кроме того, сам выбор статистических распределений отказов не имеет обоснования. Это приводит к использованию различных распределений на отдельных этапах жизненного цикла изделия и его составных частей и значительно усложняет поиск решений по повышению надежности, отказоустойчивости. Кроме того, определение (уточнение) интенсивности отказов на этапе экспериментальной отработки практически не представляется возможным из-за ограниченности времени для изделий с длительным временем функционирования и их количества, необходимого для подтверждения надежности. Поэтому на этом этапе проводят испытания, в основном, на функционирование в заданных условиях, что снижает достоверность оценок показателей надежности, получаемых на этапе эскизного проектирования. При этом нормирование ВБР изделия и его СЧ в начале интервала времени в указанном способе ограничено условием: изделие находится в работоспособном стоянии, т.е. ВБР равна единице. Указанные недостатки снижают возможности и обоснованность принимаемых технических решений в обеспечении требуемого уровня показателей надежности.
Предлагаемый способ устраняет недостатки способа прототипа и направлен на повышение отказоустойчивости изделий и его составных частей (СЧ).
O
Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Способ повышения отказоустойчивости изделий и его составных частей заключается в определении интенсивности отказов (λ), вероятности работоспособного состояния (Р), ресурса, устранении неисправностей, оптимальном выборе и применении конструктивных и схемных решений изделия и его составных частей, отличающийся тем, что дополнительно определяют значение выходного параметра требуемой функции изделия и его составных частей (W) и диапазон их изменения (ΔW) и устанавливают: взаимосвязь между указанными параметрами и вероятностью работоспособного состояния (ВРС) согласно выражения
O
Р=exp(-ΔW/W)·F(λ·t),
где F(λ·t)≤1 - временной функционал, t - время функционирования изделия и его составных частей, и связь параметра требуемой функции от схемных, конструктивных параметров изделия и его составных частей с учетом структурных схем надежности изделия и его составных частей при действии внутренних и/или внешних факторов; затем варьируют схемные, конструктивные параметры изделия и его СЧ, осуществляют выбор варианта параметров в заданном диапазоне действующих факторов, обеспечивающих вероятность работоспособного состояния в заданном интервале времени не ниже заданной, при этом временной функционал ВРС определяют по выражению
1
P
n
F(λ·t)=1-ехр-(λ·t) при 0≤t≤T и/или
2
P
P
n
F(λ·t)=ехр-[λ·(t-T) при t≥T,
P
1
2
O
n
где показатель степени функционала лежит в диапазоне 1≤n≤3, T - длительность создания или отработки изделия, а интенсивности отказов удовлетворяют условию λ≥λ, и осуществляют отработку изделия и его составных частей моделированием уровня и режимов воздействующих внутренних и/или внешних факторов согласно критерия подобия по соотношению ΔW/W·(λ·t)=Const.
Дополнительно определяют скорость (v) и ускорение (а) изменения выходного параметра требуемой функции изделия и его составных частей во времени расчетным или расчетно-экспериментальным методом при действии внутренних и/или внешних факторов и определяют в заданном интервале времени интенсивность отказов по выражению
λ=α·a/2v,
где α≤2 - нормированный множитель; затем изменяют уровни внутренних и/или внешних воздействующих факторов в заданном интервале значений при различных схемных и конструктивных параметрах изделия и определяют оптимальное значение λ, и/или вероятность работоспособного состояния, обеспечивающие срок активного функционирования изделия и его СЧ не ниже заданного; при этом нормированное значение интенсивности отказов изделия и его СЧ определяют по интенсивности отказов аналогов изделия и его СЧ, скорости и ускорению изменения требуемой функции по известному времени их наработки или испытуемого изделия и его СЧ при экспериментальной отработке в течение времени, достаточного для определения скорости и ускорения изменения требуемой функции в заданном интервале времени.
C
Прогнозирование и/или определение срока активного функционирования (T) осуществляют по его приращению в течение времени создания или отработки (t) изделия по выражению
C
CO
O
n-1
T=T+α·(λt),
CO
где T - начальное значение срока активного функционирования,
O
α≤1 - коэффициент пропорциональности, n≠1 - показатель степени и
C
CO
1
1
T=T+α/ln(λt) при n=1 и α≤1.
O
В обоснование способа рассмотрим одно из изделий радиоэлектронной аппаратуры космического аппарата (КА) навигационных и связных систем - транзисторные усилители мощности (ТУМ), целевым назначение которых является усиление СВЧ излучения, формируемого его источником. Основной требуемой функцией ТУМ является мощность излучения (W) на выходе каждого каскада усилителя в заданном диапазоне его спектра. В конструкторской документации задается мощность излучения каждого каскада усилителя в некотором фиксированном диапазоне значений, возможный разброс которых может быть обусловлен различными причинами: уширением спектра излучения, уровнем стабилизации источников электропитания, перепадом температур и др. Поэтому получение фиксированного значения мощности (W) возможно с определенной вероятностью. В настоящее время нет метода формирования такой функции распределения состояний сложных технических систем. Для получения функции распределения состояний системы воспользуемся методом аналогий и классическим распределением статистической физики - распределением Больцмана в потенциальном поле (Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц «Статистическая физика». Изд. «Наука», М., 1964 г. С.135).
O
O
O
Рассмотрим качественно распределение энергии в усилителе. Эту энергию (Е), согласно закону сохранения энергии, можно разделить на составляющие части: энергию СВЧ излучения, джоулев нагрев элементов усилителя, тепловую энергию излучателя (холодильник). Из них выделим дополнительную часть ΔЕ=Δ(W·Т), где W - мощность излучения, Т - время, назовем ее данном случае энергией связи (потенциальной энергией) - та часть энергии, которая может перераспределяться между «основной» полезной частью (E=W·T) и другими составляющими. Величина этой составляющей по сути является энергетическим потенциалом качества изделия и может приближенно определяться отклонением (допуском) от основного значения параметра усилителя, который может быть определен с некоторой точностью как теоретически, так и экспериментально. Предложенное разделение энергии достаточно обосновано, т.к. все известные составляющие могу быть определены известными способами.
Вероятность работоспособного состояния (функционирования) с учетом введенной потенциальной энергии может быть оценена по распределению, аналогичному распределению Больцмана в потенциальном поле в виде:
где:
C
C
C
С - константа, t≤T - текущее время, T - срок активного существования изделия, λ=1/ T - интенсивность отказов. Константа С определяется нормировкой при условии: Р=1 при Δ W=0 и t=0, тогда С=1. Выражение (1) представим в виде раздельных сомножителей: «потенциального» и временного
C
При ΔW=0 частным решение (2) является известное распределение Пуассона для вероятности безотказной работы. При T>>t имеем «потенциальное» распределение вероятности работоспособного состояния (функционирования) изделия, определяемое в основном начальным состоянием изделия
O
При ΔW/W<<1 и разложении экспоненты в ряд из выражения (3) найдем
O
Для заданного интервала ΔW, определяемого допуском значений ΔW, вероятность работоспособного состояния (ВРС) приближенно можно определить по выражению
а вероятность «отказа» по соотношению
Отсюда видно, что границей изменения состояния системы является величина вероятности отказа, определяемая равенством (7)
O
C
-2
Это граничное значение по определению является критерием отказа. Оно может иметь различные уровни в зависимости от предполагаемых типов отказов (постепенный, внезапный, ресурсный и др.) Наибольший уровень может быть достигнут в предельном состоянии, например при ресурсном отказе. Типичные значения величины ΔW/W находятся на уровне ~5·10, т.е. ВРС при T>>t находится на уровне 0,95, что заметно снижает ВРС при длительном функционировании, в особенности, для сложных изделий, состоящих из нескольких составных частей.
В обобщенном виде выражение (2) можно записать в виде
где временной функционал F(λt)≤1 с учетом характерных вариантов распределения можно представить зависимостью
где показатель степени принимает значения, лежащие в диапазоне 3≥n≥1.
i
Вероятностный подход к «потенциальному» изменению требуемых функций усилителя позволяет использовать известные методы для оценки ВРС сложных структур с использованием структурных схем надежности в соответствии с ГОСТ Р 51901.14-2007 «Структурные схемы надежности и Булевы методы». Тогда согласно структурной и принципиальной электрической схемам типичного трехкаскадного усилителя с 3-мя источниками электропитания, источником излучения, управляемым аттенюатором и холодильником (излучателем) ВРС такого усилителя с последовательно соединенными элементами определяется произведением вероятностей составных частей (P) по выражению
i
где P вычисляется согласно выражений (3, 4). В предположении равновероятности работоспособного состояния составных частей и малых уровней показателя отказов найдем
i
O
i
где m - число элементов в структуре. При этом экспонента (3) и степенная функция(11) разложены в ряд по малому параметру. Из выражения (11) найдем, что вероятность отказа ТУМ определяется суммой отказов составных частей, т.е. по выражению Q=m(ΔW/W).
-2
-3
i
i
Так, при значении Q≈5·10 и m=9 найдем вероятность отказа каждого элемента, равную Q≈4,5·10, а вероятность работоспособного состояния отдельного элемента, равную P=0,996. Эти оценки показывают, что даже без учета временного функционала к составным частям усилителя должны предъявляться высокие требования к их качеству с учетом особенностей функционирования каждого элемента структуры, и требуют применения конструктивных, схемных решений по обеспечению таких требований и необходимого уровня вероятности работоспособного состояния. Поэтому определение, нормирование ВРС составных частей и всего изделия является важным элементом при решении задачи обеспечения заданного в конструкторской документации уровня вероятности работоспособного состояния.
Важным параметром соотношений (8, 9) является интенсивность отказов, трудность определения которой связана с необходимостью проведения длительных испытаний и использования, по крайней мере, нескольких образцов. Учитывая нелинейный характер изменения требуемой функции изделия и его составных частей, предшествующий их отказу, в предлагаемом способе интенсивность отказов определяют по выражению
где v, a - скорость и ускорение изменения требуемой функции в заданном интервале времени, α - нормированный множитель.
Таким образом, технические результаты заявленного способа заключаются в следующем. Параметрическая зависимость (12) дает возможность определить интенсивность отказов λ за существенно меньший период времени, уточнить на последующих этапах испытаний и, кроме того, определить ее расчетным путем при изменении требуемой функции от воздействия внутренних (электрических, тепловых и др.) и внешних факторов (ионизирующих излучений, электризация и др.), а также от параметров схемных и конструктивных решений изделия и его составных частей. При этом нормирование интенсивности отказов и ВРС можно определить по интенсивности отказов аналогов изделия и его СЧ, скорости, ускорению изменения требуемой функции по известному времени их наработки или испытуемого изделия и его составных частей при экспериментальной отработке в течение времени, достаточного для определения скорости и ускорения изменения требуемой функции в заданном интервале времени, а вероятность работоспособного состояния определяют в диапазоне значений 1>Р≥1/3. Нижнее значение ВРС по существу определяет предельное состояние изделия.
KA
KA
KA
C
C
C
-3
2
Для иллюстрации реализации способа рассмотрим характерные случаи. В работе И.Лисова «Сводная таблица космических запусков в 2006 г.» («Новости космонавтики» №3(290), т.17, 2007, С.9-11) дана сводка успешных и неуспешных запусков космических аппаратов (КА) и ракет-носителей (РН) различных стран, включая российские, за период 1998-2006 гг. При среднем значении ежегодно запускаемых за этот период КА N=118 среднее значение относительной доли отказов составило ΔN/N=0,06±0,015. В этом диапазоне значений она находится и в начальном периоде функционирования такой группировки. Приняв в качестве требуемой функции - количество КА функционирующей группировки, найдем, что относительная доля отказов определяет в общем виде вероятность работоспособного состояния (ВРС) (Р) в соответствии с выражениями (1, 4). По этим соотношениям ВРС лежит в диапазоне 0,955≥P≥0,925. При этом скорость и ускорение изменения состава группировки оценивается величинами v=0,06 1/год, а=0,015/2=7,5·10 1/г. (при минимальном времени 2 года, необходимом для определения, в данном случае, ускорения). Тогда в соответствии с выражением (12) интенсивность отказов равна λ=0,063 1/год при α=1, а вероятность работоспособного состояния на интервале времени в 1 год равна Р=0,88 (с учетом вероятности начального состояния). С увеличением времени функционирования ВРС уменьшается в основном согласно временному функционалу (9). Так, приняв статистику (функционал F) с n=1 и время функционирования T=6 лет (для отечественных КА), найдем приближенное значение ВРС в конце этого срока Р≈0,6. Приняв статистику (функционал F) с n=2 и λ=0,063 1/год найдем ВРС, равную Р≈0,996 при T=1 год (без учета поправки ВРС начального состояния), а при T=6 лет ВРС равна Р=0,98, а с учетом поправки начального состояния она равна Р=0,92, что близко вышеприведенному значению
Таким образом, предложенный способ дает возможность оценить ВРС как на начальном этапе функционирования, так и в течение текущего и длительного времени и прогнозировать предельное состояние изделия, определяемое его ресурсом. При этом оценки ВРС удается сделать за короткое время в процессе эксплуатации на уровне всего изделия.
λ
Аналогичные оценки можно сделать и на уровне отдельного изделия (КА) или его составной части. Для примера рассмотрим требуемую функцию изделия - обнаружительную способность (D) фотоприемников (ФП) на основе InSb инфракрасной аппаратуры КА дистанционного зондирования Земли (И.А.Белкин, A.M.Пирогова, Г.П.Рябоконь, И.Н.Сафронов. «Методика расчета влияния ионизирующих излучений на обнаружительную способность ФП ИК - аппаратуры КА ДЗЗ», «Космонавтика и ракетостроение» №2(59) ЦНИИмаш, 2010, С.191-194). В соответствии с проведенными в указанной работе расчетами, зависимость обнаружительной способности при фиксированных физических и технических параметрах ФП можно представить функционалом в виде
λO
1/2
-1
2
-6
где D, см·Гц·Вт - начальное значение обнаружительной способности (при D=10 рад), D, рад - интегральная доза ионизирующего излучения космического пространства (КП), к≈1,6·10 1/рад - коэффициент пропорциональности.
Учитывая, что интегральная доза определяется временем действия, то выражение (13) согласно соотношению
приводится к виду
1
1
3
2
5
4
-2
Поскольку интегральная доза зависит от условий функционирования (высоты орбиты, ее наклонения, солнечной активности, а также средств защиты), то значения k будут зависеть от параметров, определяющих эти условия. Так, доза (от электронов и протонов) на орбите высотой Н≈10 км с углом наклонения -30° в максимуме солнечной активности за защитой δ=0,1; 0,5 г/см согласно работам («Модель космоса», т.1, НИИЯФ МГУ, М., 2007, С.301-305; О.Ф.Немец, Ю.В.Гофман «Справочник по ядерной физике», изд-во Наукова думка, Киев, 1975, С.79-81) составит D=5,8·10рад/год и 10рад/год соответственно. Тогда в соответствии с выражением (14) коэффициенты равны к≈1·1/год; 1,6·10 1/год соответственно.
1
По найденному коэффициенту k и зависимости (15) можно найти, как относительное изменение требуемой функции на интервале времени Δt≈t, так и ее скорость, ускорение. Так, модуль относительного изменения обнаружительной способности равен
1
1
а отношение ускорения к скорости равно k. Тогда в соответствии с выражением (12) интенсивность отказов оценивается величиной λ≈k при коэффициенте а≤2.
Таким образом, по параметрическим зависимостям изменения требуемой функции от технических параметров изделия и его составных частей возможно определение необходимых величин для оценки показателей надежности таких как ВРС и ресурс. При этом соотношение (14) является посуществу критерием подобия, определяющего взаимосвязь технических параметров изделия с уровнем воздействующих факторов, интенсивностью отказов и временем действия при заданной статистике распределения отказов (при n=1).
C
Для определения функциональной зависимости срока активного существования (T) от текущего времени определим модуль относительного приращения ВРС по выражению (8) при его дифференцировании по времени. Получим соотношение
при n≠1 и
C
при n=1, после дифференцирования выражения (8) по n и Δn~n~1. Из этих соотношений выразим скорость изменения САС (T). Тогда САС можно представить выражениями
0
C
1
C
CO
где α=n·λ·P·ΔT/ΔP~1; α=λ·ΔT~1, T - начальное значение САС изделия, определяемое либо расчетным, либо расчетно-экспериментальным методом на заданном интервале времени. Коэффициенты также могут быть определены экспериментально по известному закону изменения ВРС (n), интенсивности отказов и вероятности работоспособного состояния, предшествующей отказу для различных классов изделий.
Из выражений (19, 20) видно, что при n<1 САС падает, а при n≥1 растет, причем при показателе, равном 2, наблюдается линейный рост, а при n=3 квадратичный рост во времени.
O
Э
Таким образом, на основании экспериментальной зависимости возможно нормирование коэффициентов и интенсивности отказов и далее прогнозировать САС и ВРС. Однако приведенные оценки относятся к периоду отработки на завершающей стадии и этапе эксплуатации (функционирования) изделия. В действительности основная отработка происходит на этапе эскизного проектирования и наземной экспериментальной отработки изделия, и именно на этом этапе ставится задача достижения высокой вероятности работоспособного состояния P, которая в дальнейшем при эксплуатации может только уменьшаться. Тогда полагая, что основные закономерности изменения ВРС изделия на этом этапе (Р) аналогичны закономерностям на этапе эксплуатации, можно записать
P
P
Э
Э
P
P
C
Э
Э
-2
n
при времени, ограниченном периодом (T), разработки о≤t≤T. При такой зависимости ВРС на уровне Р≥0,95 (при вероятности отказов Q≤5·10) может быть достигнута при (λT)≥3. Тогда, положив n=2 и T=3года<<T, найдем интенсивность отказов на уровне λ≥0,58 1/год. При такой интенсивности отказов за этот период возможно проведение нескольких видов испытаний (до 5 видов). Тогда объем (количество) испытаний на каждом виде, для обеспечения заданного Р, должен быть не ниже N>1/Q~100 испытаний с той же интенсивностью λ~0,58, при которой вероятность отказов должна быть в 5 раз ниже. При определении интенсивности отказов на этом этапе от технических параметров изделия по соотношению (12) и уровня воздействующих факторов по соотношению аналогичному (14, 15) позволяет оценить и прогнозировать ВРС, САС при различных технических решениях и осуществлять выбор оптимальных решений на ранних стадиях разработки.
Технике - экономическая эффективность предложенного способа сводится к управляемости процесса создания, отработки и существенному сокращению времени создания и отработки изделия с оптимальными характеристиками и показателями надежности.