Главная » Мануалы

1 ... 39 40 41 42 43 44 45 ... 48

ление избавиться от этого недостатка приводит к использованию специального приема - усечению процедуры последовательного анализа испытаний [28].

При оценке надежности датчиков иа этапе проектирования применяют упрощенные приемы усечения.

Используя основные расчетные соотношения последовательного анализа [25], определяют минимальное число периодов работы датчиков 1/,ф, которое испытываемые образцы должны набрать без отказов, чтобы подтвердить соответствие заданному уровню надежности (продолжительность каждого периода должна быть равна времени tp, в течение которого задана вероятность безотказной работы):

Р in(l-%i)/(l-9 )

где Р - риск заказчика, или вероятность того, что принятая гипотеза Р ошибочна, а верна гипотеза Р <: Poi! - риск

поставщика, или вероятность того, что отвергнутая гипотеза Р > Pq верна; Qoi ~ - oi - максимально допустимая величина вероятности отказа в течение времени tp-, = 1 - -о - вероятность отказа в течение времени tp. Число образцов в выборке

я = 1/кр/т, (15.3)

где т - число периодов работы длительностью tp каждого образца. Минимальное число отказов, произошедших в течение Vp периодов, при котором датчики не соответствуют заданному уровню надежности, К^р определяется выражением

in-l=:i-KKpini

бр- ln(9oi/9o)~ln(l-9oi)/(l-ft) -

Если при наработке V p = ntp не произойдет ни одного отказа, то датчики считают соответствующими заданному уровню надежности.

При фактическом числе отказов /Сф :> К^р датчики считают не соответствующими заданному уровню надежности.

Если О < Кф < Кбр, то испытания продолжают до получения наработки:

In -jzT - [In (ЯоМ - In (1 - <?oi)/(l - до)]

~ 1п(1-Ы/(1-9о) -

Датчики считают соответствующими заданному уровню надежности, если при доработке от Ущ, до Уф не произойдет ни одного , отказа. При таком усечении несколько возрастет риск постав- Щика, но тем не менее подобный метод часто используют На практике.

Несмотря на то, что математический аппарат статистических методов контрольных испытаний на надежность достаточно хорошо

отработан, при составлении конкретной методики испытаний на надежность разработчик сталкивается с значительными трудностями .

В общем случае можно сказать, что трудности эти связаны с требованием максимального приближения условий испытаний на надежность к условиям эксплуатации, в то время, как: во-первых, условия эксплуатации чаще всего четко не определены, отсутствуют указания о закономерности изменения во времени эксплуатационных факторов; во-вторых, невозможно имитировать одновременное воздействие комплекса факторов, соответствующего условиям эксплуатации. Кроме того, специфика общих требований к испытаниям на надежность также может явиться причиной некоторых затруднений.

Остановимся на общих требованиях, предъявляемых к организации и режиму проведения испытаний на надежность.

Испытания на надежность могут проводиться как самостоятельный вид испытаний или же одновременно с испытаниями по определению других технических характеристик датчиков. В последнем случае планирование испытаний усложняется, но затраты на их проведение снижаются.

План испытаний составляют таким образом, чтобы испытаниям на надежность предшествовали испытания на воздействие факторов, после которых датчики должны сохранять работоспособность, например испытания на транспортирование, механическую прочность и т. д. Режим испытаний должен быть максимально приближен к условиям эксплуатации. Если у датчика два режима работы: режим готовности и режим вьшолнения задания, то для датчиков одноразового использования испытания на надежность проводят в каждом режиме отдельно, а для датчиков многократного или цикличного использования наработка при испытаниях на надежность осуществляется циклами, состоящими из времени готовности и времени вьшолнения задания. В ТЗ на разработку обычно указывают максимальные значения воздействующих величин и время, в течение которого задается вероятность безотказной работы. Поэтому построить режим испытаний в лабораторных условиях таким образом, чтобы он был максимально близок к эксплуатационному, довольно сложно из-за отсутствия соответствующей информации, а также многокомпонентных стендов, имитирующих эксплуатационные условия.

В связи с указанными трудностями в построении режима испытаний, их часто делят на лабораторные, стендовые и натурные. Статистические данные по результатам всех видов испытаний соответствующим образом обрабатывают и дают оценку надежности датчиков.

В настоящее время при проведении испытаний на надежность в лабораторных условиях чаще всего поступают, следующим образом: полученную расчетным путем суммарную наработку датчиков У,ф делят не менее, чем на три цикла; в состав каждого

цикла входит наработка датчиков при воздействий каждого из наиболее существенных факторов, входящих в условия эксплуатации. Значение этих факторов должны соответствовать значениям, указанным в ТЗ. Время воздействия каждого фактора должно соответствовать времени, в течение которого задана вероятность безотказной работы. Очередность воздействующих факторов при испытании, если она не оговорена в ТЗ, должна быть следующей: механические нагрузки, повышенная температура, повышенная влажность, отрицательная температура, нормальные климатические условия. Рекомендуется совмещать, если это соответствует условиям эксплуатации, такие виды испытаний, как воздействие пониженного давления и повышенной температуры, пониженной температуры и ударов, вибраций. Необходимо учитывать также при испытаниях на надежность колебания напряжения питания число включений, соответствующих сроку эксплуатации .

И все же подобное построение режима испытаний носит несколько формальный характер. Для построения оптимального режима испытаний необходимо тщательное изучение условий эксплуатации, исследование критичности датчика к различным воздействующим факторам.

Кроме того, целесообразно при составлении плана испытаний на надежность, особенно на этапе разработки, учитывать ресурс датчиков, заданный в ТЗ, так как на этапах разработки истинный ресурс датчика неизвестен. В ТУ на датчик обычно указывают назначенный ресурс или гарантийную наработку, значения которых равны ресурсу, заданному в ТЗ. Соответствие надежности датчика требованиям ТЗ в момент выработки назначенного ресурса или окончания гарантийной наработки может стать критерием того, что датчик соответствует требованиям ТЗ, предъявляемым к ресурсу. В связи с этим величину га - число периодов работы длительностью - следует определять, исходя из назначенного ресурса Г„р:

Глава 16. ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ В ПРОЦЕССЕ РАЗРАБОТКИ ДАТЧИКА

16.1. ПРОГРАММА ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ

Надежность является одним из основных показателей качества датчика. С точки зрения надежности датчик можно рассматривать в двух аспектах. С одной стороны, датчик является частью конструкции изделия, параметр которого он измеряет, например: датчик давления, ввинченный в соответствующее посадочное отверстие трубопровода, бака или другого рабочего объема; датчик несплошности, являющийся частью магистрали; датчик крутящих моментов, являющийся частью рабочего вала, и т. п. В таких случаях особое внимание обращается на недопустимость разрушения датчика, в результате которого не только будет утрачена информация о параметре, но и возможен выход из строя, авария ответственных узлов и контролируемого изделия в целом. В связи с этим стали выделять так называемую механическую составляющую надежности датчика, под которой^понимается вероятность неразрушения конструкции датчика в течение времени выполнения задания.

С другой стороны, датчик рассматривается как преобразователь измерительной информации с нормированными метрологическими характеристиками. Изменение этих характеристик во времени приводит к тому, что, начиная с некоторого момента, реальные погрешности преобразования будут превышать нормированные значения. В таких случаях говорят о метрологической надежности датчика, понимая под этим вероятность непревышения реальными погрешностями нормированных значений в течение времени вьшолнения задания.

Таким образом, ненадежность датчика может, с одной стороны, послужить причиной выхода из строя дорогостоящего объекта, а с другой, - причиной получения недостоверной информации об исследуемом или контролируемом параметре объекта. Это приводит к повышению требований к надежности датчика. Если, скажем, 8-10 лет назад задание требований к надежности в технических заданиях (ТЗ) было явлением единичным, то в настоящее время практически во всех ТЗ такие требования содержатся, причем наблюдается непрерывная тенденция их ужесточения. Особенно остро стоит вопрос о механической надежности датчиков. Так, если учесть то обстоятельство, что сложность различного

рода технических устройств непрерывно возрастает и, кроме того, так же возрастает их энергоемкость (в ряде случаев при неизменных габаритных размерах), то естественно растут их удельные энергоемкости и, следовательно, удельные нагрузки. Все это приводит к необходимости установки все большего числа датчиков.

Если считать, что механическая надежность датчиков оказывает непосредственное влияние на надежность всего изделия в целом, то эквивалентная надежность, вносимая только установ-

п

ленными датчиками, составит Рэ = ПР,-. При этом, если все п

установленных датчиков равнонадежны, то эквивалентная надежность Рэ составит Рэ = Р'1. Так, если Pi = 0,999 (весьма высокий показатель), а п = 100 - среднее число устанавливаемых датчиков для энергетического изделия средней сложности, то Рэ = 0,999° я 0,90 (цифра весьма скромная).

С другой стороны, для обеспечения заданных метрологических характеристик всегда стремятся повысить чувствительность датчика к измеряемому параметру, а это приводит к увеличению напряжений в элементах конструкции датчика. Так для повышения чувствительности мембранного датчика давления необходимо уменьшить толщину мембраны, т. е. увеличить уровень возникающих в ней деформаций и, как следствие, снизить механическую надежность.

К сожалению, такая альтернативная ситуация встречается практически всегда, когда приходится сталкиваться с проектированием датчиков для измерения механических величин. Решение этого вопроса волевым образом, видимо, ни в коем случае нельзя считать приемлемым. Поиск оптимального решения должен заключаться в нахождении разумного компромисса между потерями, связанными с недостаточной информативностью датчика, с одной стороны, и потерями, связанными с возможной утратой дорогостоящего изделия, с другой стороны.

Вопросы обеспечения надежности датчиков являются в определенной степени новыми по той причине, что разработанная достаточно полно для электронных устройств с навесными элементами теория надежности, к сожалению, не дает ответа на многие вопросы, связанные с оценкой надежности электромеханических и особенно механических измерительных устройств. Эти трудности становятся понятными, если вспомнить, что датчики не содержат столь четко дифференцированных по своим функциям отдельных элементов, как электронные схемы. Сами элементы (в отличие от резисторов, конденсаторов, диодов, транзисторов и других радиодеталей) не выпускают в массовом производстве и поэтому они не могут быть исследованы достаточно детально статистическими методами. Кроме того, предположения о независимости действия причин отказов в каждом элементе вообще не соответствует реальной причинно-следственной связи проис-. 14* 419

ходящих в датчике физических явлений. В то же время многие методические приемы и математические модели общей теории надежности могут быть с успехом применены при расчете любых технических устройств, в том числе и датчиков, если только они будут соответствовать естественным закономерностям протекания физических процессов в этих устройствах.

Обеспечение надежности датчика охватывает широкий круг мероприятий в конструкторской, технологической и производственной сферах.

Организующей основой обеспечения надежности является программа обеспечения надежности (ПОН), объединяющая усилия всех служб предприятия на создание датчика с заданными характеристиками надежности.

При разработке программы необходимо руководствоваться двумя основными принципами организации работ по обеспечению надежности. Первый принцип заключается в том, что работы по обеспечению надежности должны охватывать все стадии разработки датчика. Второй принцип состоит в планировании и обязательном проведении достаточного объел1а отработочных испытаний.

Многие из работ по обеспечению надежности в настоящее время регламентируются различными нормативно-техническими документами отраслевого и государственного масштаба. Однако выработанных четких рекомендаций, связанных с оценкой механической и метрологической надежности, нет, поэтому рассмотрим этот вопрос более подробно.

16.2. РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА МЕХАНИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ ДАТЧИКА

Рассмотрим подробнее механическую надежность датчика. Так как требования к механической надежности датчика иногда достигают значения Р = 0,999 и выше, то производить оценку надежности общепринятыми методами статистических гипотез [19, 128] не имеет смысла из-за сложности и весьма большого объема испытаний. К тому же оценка механической надежности конструкции датчика в таком случае производится уже после того, как разработка фактически закончена. В случае несоответствия разработанной конструкции датчика требованиям надежности приходится проделывать значительную работу по изменению конструкции, причем эти изменения часто вносятся эмпирически и могут оказаться неэффективными. Отсюда вытекает необходимость учета надежностных требований при проектировании датчиков.

В настоящее время уже накоплен обширный опыт использования вероятностных методов в прочностных расчетах. Наиболее раннее применение в расчете механических конструкций вероятностный подход получает в строительной механике, затем в ряде 420

отраслей машиностроения [15, 16] и сейчас все более широкое применение находит при проектировании средств измерений.

Методика расчета механических конструкций с применением вероятностных методов в основном определяется характером нагруження, видом функции распределения параметров нагрузки и несущей способности конструкции. Несущей способностью конструкции называют значение нагрузки (силы, давления, напряжения), приводящее к необратимым изменениям ее параметров или к полному разрушению. Корреляция между параметрами нагрузки и несущей способности незначительна и ею, как правило, пренебрегают.

В первом приближении оценку механической надежности можно провести, не учитывая всех подробностей распределения нагрузок и всех влияний на несущую способность конструкций. Такой подход дает оценку по максимуму нагрузки, т. е. с некоторым запасом. Однако даже такая приближенная оценка окажет несомненную помощь разработчикам при создании конструкций с заданными характеристиками надежности.

Основой вероятностного расчета конструкции датчика с учетом надежностных требований является структурно-функциональный анализ (СФА). При СФА выявляются наиболее нагруженные элементы и узлы конструкции датчика, определяется вероятность керазрушения каждого элемента конструкции. Для проведения СФА составляют матрицу, дающую полную картину распределения нагрузки по элементам, функциональной стдимости каждого элемента. Матрицу составляют на основе эскиза общего вида, условий эксплуатации и принципов работы датчика. Соединение деталей и узлов датчика между собой также считают элементом конструкции и включают в матрицы.

После составления матрицы на основе логического инженерного анализа принципа работы датчика строят структурно-функциональную схему (СФС).

Структурно-функциональная схема надежности датчика, как и любого другого устройства, показывает, как соединены элементы датчика с точки зрения надежности; последовательно, параллельно, параллельно-последовательно и т. п.

На основе СФС производят поэлементное распределение вероятности неразрушения (Р), при этом используется принцип равнонадежности элементов конструкции [88].

Чтобы применить вероятностные методы к расчету конструкции датчика, необходимо знать характер нагрузки, вид функции распределения параметров нагрузки и несущей способности. В связи с тем, что функция распределения нагрузки, как правило, неизвестна и носит случайный характер, в ТЗ на разработку задается максимально возможное значение нагрузки. Характер Нагрузки квазистатический или динамический. В расчете значение нагрузки принимают детерминированным, равным максимальному значению, заданному в ТЗ.

Основой определения несущей способности элементов служит обычный прочностной расчет, выполняемый разработчиком на стадии проектирования. Формулы прочностного расчета связывают величины нагрузок с конструктивными параметрами датчика и прочностными характеристиками материалов. Подставив в эти формулы предельно допустимые величины прочностных характеристик материалов (предел текучести и т. п.), получим величины нагрузок, соответствующие несущим способностям элементов. Прочностные характеристики элементов конструкции считают распределенными по нормальному закону. Подобное допущение общепринято [102, 93 ], тем более для проектной оценки надежности конструкции. Кроме того, процесс эксплуатации датчика достаточно кратковременен, чтобы считать его протекающим без явлений, связанных со старением и накоплением повреждений конструкции.

Сделанные допущения позволяют приступить к определению коэффициента запаса несущей способности элементов конструкции с учетом требований надежности.

Определение коэффициента запаса выполняют в следующей последовательности.

Определяют так называемый гауссовский уровень надежности элемента у, связанный с вероятностью неразрушения Р, следующим образом [102]:

-у

Это выражение представляет собой нормированную функцию Лапласа. Для значений у и соответствующих значений Р (вероятности неразрушения) составлены таблицы, что весьма упрощает использование этих характеристик в расчетах [102].

Затем определяют коэффициент вариации несущей способности, представляющий собой отношение среднеквадратического отклонения несущей способности к математическому ожиданию vj =

= Or 1тц.

Коэффициент вариации несущей способности конструкции зависит от многих случайных величин, в первую очередь он определяется коэффициентом вариации прочностных характеристик материалов, далее колебаниями геометрических размеров конструкции, уровнем производства, стабильностью технологии изготовления. Коэффициент вариации прочностных характеристик сталей и сплавов, используемых в конструкции датчика, v 0,1 [103]. Экспериментальные исследования и статистическая обработка результатов, например для датчиков давления, показали, что коэффициент вариации несущей способности в среднем равен v/ 0,15. Поэтому при проектной оценке надежности рекомендуется использовать это значение v. Далее находят коэффициент запаса и несущую способность элементов конструкции. 42:

Коэффициент запаса К определяют по формуле [151

=-Г=- П6.2)

После определения коэффициента запаса можно приступить к расчету несущей способности элементов конструкции. При этом размеры элемента в пределах допуска берут минимальными. Несущая способность элемента и конструкции в целом должна удовлетворять условию

R:>KS, (16.3)

где R - несущая способность элемента; 5 - максимальное значение нагрузки.

Таким образом, требования к надежности проектируемого датчика учтены в коэффициенте запаса К-

Зная несущую способность R и ее связь с конструктивными параметрами и прочностными характеристиками материалов, находят параметры конструкции, удовлетворяющие заданным требованиям надежности.

Возможно и обратное решение задачи: определение вероятности неразрушения по заданному (нормированному) или известному коэффициенту запаса /С„. Гауссовский уровень надежности в этом случае находят по формуле

Y = (Kh-1) C v;,; (16.4)

в нашем случае == 0,15. Вероятность неразрушення определяют по формуле (16.1).

Если при проектной оценке встречаются элементы конструкции, прочностной расчет которых затруднен или же погрешность его велика, то целесообразно макетирование этих узлов и определение коэффициента запаса К и гауссовского уровня надежности y опытным путем. В общем случае y определяют по формуле [15]

ще R и S - оценки математического ожидания параметра несущей способности и нагрузки; и о^ - оценки среднеквадрати-ческого отклонения параметров несущей способности и нагрузки. При детерминированной нагрузке 5

y = (R-S)h,i. (16.6)

Для элементов, у которых у > Ь, вероятность неразрушения принимается равной I, так как учитывать значение вероятности разрушения < 6 -10~ соответствующее у > 5, не имеет смысла.

Вероятность неразрушения датчика в целом определяют по СФС с учетом полученной вероятности неразрушения для каждого элемента конструкции.

Рис. 16.1. Пьезоэлектрический датчик пульсации давления

Таким образом, расчетным путем получена оценка механической надежности проектируемого датчика. Она должна удовлетворять требованию Рр > Рд, где Рр и Рз - соответственно расчетное и заданное значения вероятности неразрушения.

Рассмотрим применение изложенной методики оценки механической надежности на примере конструкции пьезоэлектрического датчика динамических давлений (рис. 16.1).

Положим, что вероятность неразрушения датчика должна быть не ниже Ро = 0,999.

Рассмотрим последовательность проектирования, конструкции датчика, обеспечивающую удовлетворение надежностных требований.

Прежде всего необходимо провести структурно-функциональный анализ конструкции датчика. На основе эскиза общего вида (рис. 16.1) условий эксплуатации и принципов работы датчика составим матрицу СФА, позволяющую оценить функциональную значимость каждого элемента, последствия его отказа (табл. 16.1).

Позиции на рис. 16.1 соответствуют строкам матрицы (табл. 16.1).

В графах 5 и 6 матрицы использованы следующие обозначения: Рст - максимальная величина статического давления; АР - максимальная амплитуда динамического давления (пульсаций давления); - момент затяжки резьбового соединения; а^, - эквивалентное напряжение, учитывающее воздействие Р„, АР и Мз; [а]-допустимое напряжение растяжения; [ст 1-допустимое напряжение смятия; Оо,2 - напряжение, при котором остаточные деформации достигают определенной величины (обычно 0,2%); т„,дх - максимальное касательное напряжение, возникающее в рассматриваемом сечении; [т^р ]-допустимое напряжение среза; с^ - напряжение сжатия; с^ах - максимальное нормальное напряжение, возникающее в рассматриваемом сечении.

По результатам структурно-функционального анализа строим структурно-функциональную схему (СФС) надежности датчика (рис. 16.2). Элементы конструкции, не влияющие на механическую надежность датчика, в структурно-функциональную схему не включают. По СФС рассчитаем требования к вероятности не разрушения каждого элемента конструкции. По СФС имеем Рц = Py Pj,P. По принципу равнонадежности Р^ = Р^ = Pg = VK= 0,9997. 424

1 ... 39 40 41 42 43 44 45 ... 48