НАДЕЖНОСТЬ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
§ 2. 1. Срок службы
Изготовленный и установленный электрический аппарат должен обеспечивать безаварийную работу обслуживаемой им части установки вполне определенное время — это время характеризуется сроком службы аппарата. Таким образом, срок службы — это время, проходящее от начала эксплуатации аппарата до полной его технической непригодности.
Срок службы аппарата связан с его износом. Обычно различают два вида износа: 1) физический (материальный) и 2) моральный (технический и экономический).
Физический износ связан либо с изменением внешних размеров деталей и с частичным расходом материалов, либо с постепенным ухудшением физико-технических свойств материалов — старением.
В первом случае износ может быть: механическим — когда размеры деталей и их конфигурация меняются в результате истирания, смятия, деформации; химическим — в результате коррозии; электрическим — в результате эрозии материала контактов под действием искры или дуги, а также оплавления и сгорания материала контактов под действием дуги. Основное значение имеет механический износ, когда изменение размеров и формы деталей может привести к различным заеданиям, увеличенным зазорам, нарушению регулировки и даже к поломке деталей.
Во втором случае старение может быть: механическим — изменение характеристик пружин под действием длительной нагрузки и высокой температуры, а также явления усталости материала под действием многократного приложения знакопеременных нагрузок, приводящее обычно к поломке деталей; электрическим — обычно ухудшение изоляционных свойств деталей под действием статического электрического поля, перенапряжений, повышенной температуры, климатических условий, приводящее к увеличению токов утечки и к пробою изоляции; магнитным — утрата первоначальных магнитных свойств постоянными магнитами и изменение магнитных характеристик магнито-мягких материалов под воздействием внешних магнитных полей, температуры, вибраций, ударов и др.
Все перечисленные виды физического износа обязательно должны учитываться при проектировании электрического аппарата: выборе допустимых напряжений и температур, смазки трущихся поверхностей, защитных покрытий, расчетных значений электрической напряженности и т. д., так как от этих факторов зависит физический срок службы аппарата.
Моральный износ выражается в том, что в результате появления новых аппаратов того же назначения, но более совершенных, имеющих меньшие габариты, а нередко и более дешевых, ранее выпущенный аппарат становится несовершенным и не экономичным в эксплуатации, хотя и сохраняет свою работоспособность.
Продление физического срока службы аппарата достигается за счет его ремонта, замены или восстановления изношенных частей; средством устранения или ослабления морального износа является модернизация. Последняя обычно применяется не к отдельному аппарату, а к целому комплекту аппаратуры, обслуживающему установку.
При конструировании необходимо всегда иметь в виду, что чрезмерное увеличение физического срока службы не является преимуществом данной конструкции, так как она морально устаревает раньше, чем будут полностью использованы все ее физические ресурсы, поэтому еще работоспособный аппарат бывает необходимо заменять. Оптимальное решение этого вопроса заключается в том, что физический срок службы аппарата не должен быть больше морального срока службы.
Общее понятие срока службы необходимо дополнить еще двумя определениями: полный срок службы — определяется как физическим, так и моральным износом с учетом ремонтов и модернизации; гарантийный срок службы — гарантированная заводом-изготовителем длительность работы между плановыми ремонтами или с начала эксплуатации до первого планового ремонта.
§ 2. 2. Надежность
Срок службы в какой-то степени характеризует качество аппарата, однако он не показывает, насколько бесперебойно в процессе эксплуатации работает аппарат, а бесперебойность — безотказность — работы имеет важнейшее значение; она особенно повышается в случае автоматических установок.
Эта характеристика аппарата — безотказная работа его в заданных условиях эксплуатации — называется надежностью [Л. 22]. Надежность — свойство аппарата сохранять свои выходные характеристики и параметры в установленных пределах при данных условиях эксплуатации.
Из определения надежности следует, что ненадежным считается не только такой аппарат, который выходит из строя вследствие механического износа или поломки, электрического пробоя изоляции и т. д., но и такой, у которого выходные параметры выходят за установленные пределы, например ток срабатывания, напряжение отпадания. Таким определением учитывается, что нарушение работы всей установки может происходить не только при аварии аппарата, но и при нарушении его регулировки. Поскольку надежность характеризует безотказную работу, рассмотрим понятие отказа.
Отказом называется событие, после появления которого выходные характеристики аппарата выходят за установленные пределы, следствием чего является как нарушение нормальной работы самого аппарата, так и работы системы или установки, в которую включен аппарат. Отказ может наступать не только вследствие явных механических или электрических нарушений, но и вследствие нарушения регулировки. Моменты возникновения отказов обычно являются событиями случайными, и предсказать место их возникновения заранее можно лишь только в тех случаях, когда систематически наступает механический или электрический износ одного и того же узла во многих однотипных системах. Такие отказы называются закономерными, например отказ из-за износа контакта, механической защелки.
Отказ может быть независимым, если он не является результатом другого отказа, и зависимым, если появляется в результате другого отказа.
Различные механические или электрические повреждения обычно наступают мгновенно и приводят к потере работоспособности либо отдельного аппарата, либо всей установки. Такие отказы называются мгновенными, или внезапными. Длительное постепенное изменение физических свойств материалов — старение — по большей части вызывает постепенное ухудшение параметров или характеристик аппарата при сохранении его работоспособности. Такие отказы называются постепенными. Однако резкой границы здесь нет; постоянный отказ может перейти в мгновенный, например старение изоляции в конце концов может привести к пробою последней.
Отказы делятся также на окончательные и перемежающиеся. При окончательном отказе аппарат становится либо неработоспособным, либо его параметры и характеристики выходят за установленные пределы и не восстанавливаются до тех пор, пока не будет устранен отказ, т. е. не произведен ремонт. Перемежающийся отказ продолжается короткое время, после которого работоспособность аппарата или его параметры самовосстанавливаются. Примером перемежающегося отказа может служить случайное заедание подвижных частей, попадание грязи на контакты, приводящие к незамыканию электрической цепи и др.
Необходимо заметить, что не все отказы приводят к потере надежности электрического аппарата или комплекта аппаратуры. В сложной аппаратуре, особенно в комплектах, почти всегда есть элементы, выход из строя которых не приводит к уходу основных характеристик и параметров за установленные пределы. К таким элементам могут относиться сигнальные лампы и контакты, включающие их, некоторые контрольно-измерительные приборы и др. Отказ таких элементов называют второстепенной неисправностью и при расчете надежности не учитывают.
Рассмотрим некоторые количественные величины, характеризующие надежность.
Рис. 2.1. Типичная зависимость вероятности безотказной работы от времени
Рис. 2.2. Типичная зависимость частоты отказов от времени
Поскольку появление отказа является событием вероятным, то расчет количественных величин возможен только на основании данных большого количества испытании, а сами величины являются среднестатистическими, определяемыми на основании теории вероятностей. Они будут тем точнее, чем большее количество опытов обобщается при расчете.
К наиболее распространенным количественным характеристикам надежности относятся следующие:
- Вероятность безотказной работы P(t) — вероятность того, что в определенных условиях эксплуатации в пределах заданной продолжительности работы отказ не возникает. Эта характеристика зависит от времени, так как с увеличением времени работы вероятность безотказной работы уменьшается и определяется статистической оценкой
(2.1)
где N0 — число испытываемых образцов в начале испытания; n(t) — число отказавших образцов за время t.
Типичная зависимость вероятности безотказной работы от времени приводится на рис. 2.1.
Иногда более удобной является обратная величина — вероятность отказов, связанная с вероятностью безотказной работы зависимостью
(2-2)
Величина вероятности безотказной работы характеризует изменение надежности во времени.
- Частота отказов a(t) — отношение числа отказавших образцов η(t) за отрезок времени Δt к числу образцов Ν0, первоначально установленных на испытания при условии, что отказавшие образцы не восстанавливаются и не заменяются исправными:
(2-3)
Эта характеристика также зависит от времени; типичная зависимость приведена на рис. 2.2.
На кривой частоты отказов можно выделить три характерных участка. Участок от 0 до t характеризуется довольно большой частотой отказов, резко снижающейся ко времени t. Это объясняется наличием большого числа отказов в начале эксплуатации из-за элементов, имеющих внутренние дефекты, ошибок производства и др. Такое явление называют приработкой аппаратуры. Оно особенно резко выявляется во вновь спроектированной аппаратуре, когда заранее практически невозможно учесть все особенности как эксплуатации, так и изготовления. Участка приработки может не быть, если на заводе-изготовителе была произведена тщательная отбраковка деталей или проводились испытания аппаратуры в течение времени, соответствующего времени приработки. На участке от t1 до t2 частота отказов уменьшается по экспоненциальной кривой. Этот участок соответствует нормальной работе аппаратуры и является несоизмеримо более длинным, чем участок приработки. Уменьшение частоты отказов отнюдь не свидетельствует о повышении надежности, а объясняется тем, что согласно определению число испытуемых образцов в процессе испытаний обычно уменьшается, вместе с чем уменьшается и число отказов. Надежность при этом фактически также уменьшается. Участок от t2 до t3 характеризуется резким ростом частоты отказов, что вызвано механическим и электрическим износами деталей и старением материалов. Со времени t2 аппаратура практически изношена и требует замены. Уменьшение частоты отказов со времени t3 объясняется резким уменьшением числа оставшихся образцов.
Частота отказов связана с вероятностью отказов зависимостью (2.4) и, наоборот,
(2.5)
Частота отказов наиболее полно характеризует такое случайное явление, как время возникновения отказов.
3. Интенсивность отказов λ(ί) — отношение числа отказавших образцов n(t) за отрезок времени Δt к среднему числу образцов Nср, исправно работающих в этот отрезок времени при условии, что отказавшие образцы не восстанавливаются и не заменяются новыми:
(2.6)
Если аппарат состоит из ряда деталей, каждая из которых имеет соответственно коэффициент надежности q1, q2, q3,..... qm, то согласно теории вероятности коэффициент надежности всего аппарата определится как произведение:
(2.14)
Если коэффициенты надежности отдельных элементов одинаковы, то коэффициент надежности всего аппарата
(2.15)
Очевидно, общий коэффициент надежности будет определяться в основном коэффициентом надежности самой малонадежной детали или элемента конструкции. Для увеличения надежности всего аппарата или установки необходимо прежде всего иметь детали с равноценной максимально высокой надежностью и добиваться наиболее простой конструкции с наименьшим количеством деталей. Однако такое решение не всегда бывает возможным, так как повышение надежности всего устройства может потребовать повышения надежности отдельных элементов до недостижимо высокой степени. В этом случае ставится задача создания надежного устройства из ненадежных элементов. Эта задача решается при помощи резервирования элементов, сущность которого заключается в том, что вышедший из строя элемент немедленно автоматически заменяется резервным.
Надежность элемента при его резервировании, считая надежности основного и резервирующих элементов одинаковыми, согласно теории вероятностей
(2.16) где qp — общая надежность элемента с учетом резерва; q — надежность одного резервирующего элемента; т — число резервных элементов.
