Глава 8. НАДЕЖНОСТЬ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

8.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНЫ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ

Рост сложности и увеличение мощности ПУ при одновременном повышении требований к их эффективности и надежности, а также применение ПУ в областях, где их отказы недопустимы или наносят существенный ущерб народному хозяйству, — вот основные причины того, что актуальность проблемы обеспечения и повышения уровня надежности СПП непрерывно возрастает.

Эта проблема является сложной научно-технической задачей, требующей для своего решения как значительных затрат материальных и людских ресурсов, так и ряда мер экономического и организационного характера. Тем не менее, если разумно использовать эти средства, они всегда окупаются, о чем свидетельствует опыт передовых отечественных предприятий и зарубежных фирм. Стоит особо подчеркнуть, что повышение надежности любых изделий не может быть достигнуто без затрат, причем чем выше требуемый уровень надежности, тем больше эти затраты. Чем ниже надежность, тем существеннее ущерб при возникновении отказов. Эта ситуация проиллюстрирована рис. 8.1, из которого видно, что существует некоторый уровень надежности, отвечающий минимальным суммарным затратам (и в этом смысле он может быть назван оптимальным).

Рис. 8.1. Графическая иллюстрация экономических аспектов надежности: 1 - затраты на повышение надежности; 2 - затраты на возмещение ущерба от ненадежности; 3 - суммарные затраты на обеспечение заданного уровня надежности

Настоящая глава является кратким изложением различных аспектов проблемы надежности СПП. Предлагаемый материал сопровождается достаточным числом справочных данных и примеров для того, чтобы читатель мог провести большинство указанных в тексте расчетов, не прибегая к другим источникам. Одновременно приводится библиография работ, к которым следует обратиться для более детального изучения предмета.

Надежность есть свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования [8.1]. Следует подчеркнуть, что в этом определении речь идет не о всех свойствах изделия, а только о сохранении его работоспособности. Под работоспособностью понимают состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской документации [8.1]. Событие, заключающееся в нарушении работоспособности, есть отказ. Следует отличать неработоспособное состояние от предельного. Под неработоспособным состоянием понимают состояние объекта, при котором значение хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской документации. Предельное состояние — это состояние объекта, при котором его дальнейшее применение по назначению недопустимо или нецелесообразно либо восстановление его исправного или работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно. Представляет интерес вопрос о соотношении между понятиями качество и надежность.

Если учесть, что качество — это совокупность свойств продукции, обусловливающих ее пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с ее назначением, то ясно, что надежность есть важнейшая составляющая качества, а именно та его часть, которая связана с сохранением работоспособности изделия. Другими словами, если слегка сузить понятие качества и ограничить его только работоспособностью (т. е. отбросить такие свойства изделия, как внешний вид, маркировка, удобство применения и т. п.), то можно дать следующее определение: надежность — это свойство изделия сохранять свое качество во времени. Продолжительность или объем работы изделия называется наработкой. Соответственно наработка до отказа есть наработка объекта от начала его эксплуатации до возникновения первого отказа. Будем обозначать наработку до отказа символом (иногда просто t). Наработка может измеряться не только временем t, но и циклами или числом срабатываний или N), километрами пробега и т. п.

Надежность—комплексное свойство, которое в общем случае состоит из безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости.

Безотказность — свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или некоторой наработки. Долговечность — свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта. Ремонтопригодность — свойство объекта, заключающееся в его приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений и поддержанию и восстановлению работоспособного состояния. Сохраняемость — свойство объектов сохранять значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в течение и после хранения и (или) транспортирования. В зависимости от возможности и (или) целесообразности объект после наступления отказа либо возвращают, либо не возвращают в работоспособное состояние. Соответственно в первом случае объект называется восстанавливаемым, во втором — невосстанавливаемым. Если восстановление объекта происходит путем его ремонта, то он называется ремонтируемым, в противном случае — неремонтируемым. СПП, как правило, являются и невосстанавливаемыми, и неремонтируемыми элементами, вследствие чего понятие ремонтопригодности к ним неприменимо. На остальных свойствах надежности следует остановиться подробнее. Рисунок 8.2 иллюстрирует различие между безотказностью (рис. 8.2, а) и долговечностью (рис. 8.2, б). Штриховкой на рисунке показаны участки функционирования изделия. Стрелками на оси абсцисс отмечены участки перерывов в работе.

Рис. 8.2. Графическая иллюстрация различия между безотказностью (а) и долговечностью (б): ППР — планово-предупредительный ремонт; ТО — техническое обоснование; х — момент наступления отказа или предельного состояния

Эти интервалы следует рассматривать не как хранение, а как эксплуатацию изделия при других (обычно гораздо меньших) внешних воздействиях.