Содержание к диссертации
Введение
Глава I Общие вопросы проектирования и применения датчиков 16
1.1. Назначение и классификация датчиков 16
1.2. Характеристики датчиков 25
1.3. Обзор, анализ состояния и задачи исследования 31
Выводы по главе 1 43
Глава 2 Методы исследования и модели оценки показателей меха нической надежности датчиков на этапах проектирования 45
2.1. Общая методологическая концепция исследования и оценки показателей механической надежности датчиков 45
2.2. Идентификация однотипных датчиков на этапе «Техническое предложение» 52
2.3 Алгоритмы для реализации прогнозных процедур 64
2.4. Алгоритмы получения обобщенной информации по изделиям аналогам 79
2.5 Оценка показателей механической надежности датчиков на этапах "Эскизный проект" и "Технический проект" 96
Выводы по главе 2 108
Глава 3 Выбор оптимальных контрольных процедур обеспечения показателей механической надежности датчиков 111
3.1. Методология и задачи выбора оптимальных контрольных процедур 111
3.2. Модели и алгоритмы выбора оптимальных контрольных интервалов в процессе проектирования и производства датчиков 122
3.3. Оценка точности и адекватности моделей, используемых в задачах выбора оптимальных контрольных процедур в процессе проектирования и производства датчиков 145
Выводы по главе 3 154
Глава 4 Оценка и контроль показателей механической надежности датчиков в процессе их конструкторской, производственно технологической отработки и промышленного освоения 156
4.1. Вводные замечания 156
4.2. Оценка показателей механической надежности конструкций датчиков при хорошем уровне отладки процесса проектирования и выпуска комплекта конструкторско-технологической документации... 159
4.3. Оценка показателей механической надежности конструкций датчиков при среднем уровне отладки процесса проектирования 165
4.4. Оценка показателей механической надежности конструкций датчиков при недостаточном уровне отладки процесса проектирования... 172
4.5. Оценка показателей механической надежности датчиков на этапе конструкторско-технологических испытаний с учетом априорной информации 176
Выводы по главе 4 194
Глава 5 Подтверждение стабильности показателей механической надежности датчиков на этапах серийного освоения и установив шегося производства 196
5.1. Вводные замечания 196
5.2. Методологический подход к оценке стабильности показателей механической надежности датчиков 198
5.3. Оценка интегральной стабильности технологического процесса при изготовлении датчиковой аппаратуры 209
5.4. Оценка показателей механической надежности конструкций датчиков при наличии в них дефектов производства и нарушений технологических процессов 220
5.5. Оценка показателей механической надежности конструкций датчиков на этапах серийного освоения и установившегося производства 237 Выводы по главе 5 241
Глава 6 Модели и алгоритмы управления показателями качества и механической надежности датчиков 243
6.1. Функционально-параметрическая модель управления показателями механической надежности датчиков 243
6.2. Обобщенный алгоритм управления показателями качества создаваемой датчиковой аппаратуры 262
6.3. Алгоритмы, реализующие процедуры планирования показателей качества датчиковой аппаратуры 2 6.4 Алгоритмы, реализующие процедуры контроля показателей качества датчиковой аппаратуры 273
6.5 Алгоритмы, реализующие процедуры регулирования показателей качества датчиковой аппаратуры 276
Выводы по главе 6 280
Глава 7 Реализация и внедрение результатов работы 282
7.1. Анализ дефектности по результатам изготовления датчиков на этапах проведения опытно-конструкторских и для работы их в составе изделий заказчика 284
7.2. Анализ дефектности датчиков по результатам изготовления и испытаний на этапах проведения опытно-конструкторских работ 286
7.3 Анализ дефектности датчиков в процессе их эксплуатации в соста
ве изделий заказчика 298
Выводы по главе 7 304
Основные результаты и выводы 306
Перечень сокращений 309
Библиографический список 311
Приложение 1
- Характеристики датчиков
- Идентификация однотипных датчиков на этапе «Техническое предложение»
- Модели и алгоритмы выбора оптимальных контрольных интервалов в процессе проектирования и производства датчиков
- Оценка показателей механической надежности конструкций датчиков при среднем уровне отладки процесса проектирования
Введение к работе
Актуальность темы Создание сложных технических объектов, вооружений и военной техники ставит в число наиболее актуальных проблему проектирования высоконадежных датчиков, обеспечивающих получение измерительной информации о техническом состоянии, работоспособности и взаимодействии элементов и агрегатов данных объектов.
Получаемая с датчиков информация используется в разнообразных функциональных системах регулирования, диагностики и аварийной защиты составных частей и агрегатов исследуемых объектов, она позволяет прогнозировать и предотвращать развитие аварийных ситуаций на этих объектах, минимизировать потери материальных затрат и повышает вероятность выполнения поставленных перед данными объектами задач.
Современный подход к обеспечению надежности датчиков на требуемом уровне базируется на двух аспектах- механической и метрологической надежности С одной стороны, датчики являются частью конструкции исследуемых объектов, параметры которых измеряются, с другой стороны, они рассматриваются как преобразователи измерительной информации с нормированными метрологическими характеристиками. Поэтому низкая надежность датчиков может служить причиной выхода из строя дорогостоящего объекта или получения недостоверной информации об исследуемом (контролируемом) параметре.
На начальных этапах развития датчикостроения, в силу отсутствия требований по механической надежности датчиков в техническом задании (ТЗ), ее оценка проводилась в основном по результатам испытаний Возрастающие требования к механической надежности датчиков, а также сложность и большой объем испытаний по ее подтверждению привели к необходимости применения расчетной оценки механической надежности путем построения и анализа их структурно-функциональных схем. Однако такая оценка проводилась, как правило, на завершающих этапах разработки датчиков и в случае несоответствия показателей механической надежности установленным требованиям приводило к необходимости вьшолнения значительной работы и дополнительным материальным затратам, обусловленным изменением их конструкции Данные обстоятельства не способствовали поддержанию конкурентоспособности и устойчивого спроса на датчиковую аппаратуру из-за ее неэффективного проектирования и производства, так как в итоге все эти издержки приводили к значительному увеличению сроков и удорожанию разработки
В вопросах обеспечения надежности датчиковой аппаратуы следует отметить работы зарубежных и российских ученых Г П. Нуберта, А.М Тури-чина, Д.И Агейкина, П В Новицкого, Я В Малкова, Е П Осадчего, ЕА. Мок-рова, В В Рыжакова и др В большинстве известных публикаций рассматриваются частные технические или технологические решения, направленные на изменение конструкций датчиков, технологических процессов их изготовления, но отсутствует системный подход к проблеме обеспечения высоких значений показателей их механической надежности в экстремальных условиях эксплуатации датчиков
Вопросы повышения надежности подробно рассматриваются в работах Е П Осадчего, где им введены понятия ее механической и метрологической составляющих, а также среднего значения априорного коэффициента вариации несущей способности датчика Однако в этих и других работах не рассмотрены на необходимом уровне вопросы обеспечения нормативных показателей механической надежности датчиков с учетом действующих Xя и критических у?* значений определяющих параметров, связанных с вариацией прочностных характеристик материалов, колебаний геометрических размеров конструкции, уровнем производства, стабильностью технологии изготовления датчиков Недостаточно исследованы возможности применения методов и моделей получения прогнозной информации, разработки оптимизационных контрольных процедур, оценки степени отработанности кон-структорско-технологической документации, стабильности технологических процессов и автоматизированного управления качеством и показателями механической надежности датчиков на этапах их проектирования и эксплуатации в экстремальных условиях.
В этой связи разработка и исследование методов и моделей обеспечения управления качеством и показателями механической надежности датчиков, является актуальной проблемой.
Целые работы является разработка и исследование методов и моделей прогнозирования параметров и повышения точности оценки отработанности конструкторской документации, технологических процессов и надежности датчиковои аппаратуры на этапах ее проектирования и производства, внедрение предложенных методов управления качеством датчиковои аппаратуры с учетом влияния экстремальных воздействий дестабилизирующих факторов.
Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие основные задачи
Исследование методов и моделей прогнозирования и количественной оценки показателей механической надежности датчиков на основе структуризации критичных элементов на ранних, средних и поздних этапах их проектирования.
Разработка и исследование методов и моделей оптимального контроля показателей механической надежности датчиков и качества планов их создания на этапах проектирования, изготовления и эксплуатации
Развитие существующих, разработка и исследование новых методов и моделей оценки конструкторской документации и контроля показателей механической надежности датчиков в процессе их конструкторской, производственно-технологической отработки и промышленного освоения.
Разработка методов и моделей исследования показателей механической надежности и повышения точности технологических процессов создания датчиковои аппаратуры на этапах ее проектирования, серийного освоения и установившегося производства.
Разработка моделей автоматизированного управления показателями качества и механической надежности конструкций датчиковои аппаратуры в рамках программно-целевого подхода.
Практическая реализация и внедрение результатов работы
Методы исследований. Для решения поставленных задач применялись методы теории вероятностей и математической статистики, теории планирования эксперимента, теории автоматического управления, методы математического анализа, численные методы решения уравнений. Основные теоретические положения проверены экспериментально и путем компьютерного моделирования
Научная новизна работы:
1 В результате анализа выявлены проблемы количественной оценки показателей механической надежности датчиков, развиты теоретические и практические положения обеспечения надежности на этапах проектирования, производства и эксплуатации датчиков в условиях воздействия на них комплекса влияющих величин.
2. Предложены и исследованы методы и модели прогнозирования и количественной оценки показателей механической надежности датчиков на основе структуризации их критичных элементов, что позволяет получать новые и существенно уточнять имеющиеся расчетные соотношения оценки вероятности безотказной работы датчиков на ранних, средних и поздних этапах их проектирования с учетом экстремальных условий эксплуатации
Предложены и исследованы методы и модели оптимального контроля показателей механической надежности датчиков и качества планов их создания на этапах проектирования, изготовления и эксплуатации датчиков, что позволяет существенно уменьшить объемы выполнения контрольных процедур путем сокращения временных и материальных затрат на проведение указанных операций
Развиты существующие, разработаны и исследованы новые методы и модели оценки конструкторской документации и контроля показателей механической надежности датчиков в процессе их конструкторской, производственно-технологической отработки и промышленного освоения, применение которых позволило добиться существенного сокращения процента брака проектируемых и изготавливаемых изделий
Развиты методы и предложены модели исследования и повышения точности технологических процессов и показателей механической надежности датчиковой аппаратуры на этапах ее проектирования, серийного освоения и установившегося производства, позволяющие повышать стабильность и механическую надежность функционирования датчиков в экст-ре-мальных условиях эксплуатации изделий и систем ракетно-космической и авиационной техники
Предложены и исследованы новые модели и алгоритмы автоматизированного управления качеством и показателями механической надежности датчиков на этапах их проектирования, что позволило существенно сократить сроки проектирования и повысить качество вновь создаваемых образцов датчиковой аппаратуры.
Разработан и внедрен ряд основополагающих нормативных документов общего руководства по качеству системы менеджмента качества предприятия ФГУП «НИИ физических измерений» (г. Пенза), регламентирующих нормативные требования и методы оценки качества и показателей механической надежности датчиков на этапах их проектирования и эксплуатации в условиях воздействия на датчики комплекса влияющих величин.
Практическая ценность результатов:
1 Применение моделей расчета показателей механической надежности датчиков, базирующихся на прогнозной информации об однотипных, ранее созданных изделиях, позволило повысить качество и показатели механической надежности на этапах проектирования датчиков, работающих в экстремальных условиях воздействия на них комплекса влияющих величин
Предложенные конкретные методы и модели по выбору оптимальных контрольных интервалов оценки показателей механической надежности датчиков позволили существенно сократить количество контрольных процедур технологических процессов изготовления датчиков на этапах выполнения эскизного и технического проектов и повысить качество планов создания их новых модификаций
Усовершенствованные и вновь разработанные методы и модели оценки конструкторской документации и контроля показателей механической надежности датчиков в процессе их конструкторской, производственно-технологической отработки и промышленного освоения позволили существенно сократить процент брака проектируемых и изготавливаемых изделий Учет в моделях априорной информации позволяет прогнозировать результаты испытаний для апостериорной оценки качества изделий и существенно сократить количество необходимых испытаний
Предложенные оценки интегральной точности техпроцессов, как количественной меры их стабильности, позволили своевременно осуществлять регулирование параметров этих процессов в случае их отклонений из-за дефектов разработки документации и производства в процессе конструктор-ско-технологической отработки и серийного освоения датчиков, что способствовало существенному сокращению брака на этапах их проектирования, изготовления и эксплуатации с учетом воздействия на датчики комплекса влияющих величин.
Разработанная на базе функционально-параметрического подхода модель управления показателями качества позволила существенно сокращать сроки проектирования новых модификаций датчиков и прогнозировать получение требуемых по нормативным документам показателей
Укрупненные алгоритмы, как комплексы функциональных задач, позволили создать диалоговые человеко-машинные процедуры по автоматизированному управлению, оценке и контролю качества датчиковой аппаратуры на этапах ее проектирования
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований положены в основу единой концепции обеспечения качества и механической надежности датчиков, предназначенных для работы в экстремальных условиях эксплуатации, что обеспечило более высокую прогнозируемость показателей датчиков на ранних, средних и поздних этапах их проектирования, производства и эксплуатации
Результаты диссертационной работы использованы при разработке нормативных документов системы менеджмента качества, внедренных на предприятии ФГУП «НИИФЙ» (г Пенза) по завершенным научно-исследовательским работам В их числе СТП ВтО.005 009-2000* «СК Преобразова-
тели измерительные Требования к программам обеспечения надежности и стойкости изделий к воздействию спецфакторов при ОКР», СТП 783-22-2000 «СК Применение статистических методов оценки и управления качеством на этапах жизненного цикла изделий», СТП BmO 000.014-96* «Порядок проведения работ по отработке конструкций изделий на технологичность», СТП BmO 005 010-99* «Порядок проведения испытаний при разработке КД на изделие» и др.
Разработанные автором модели также внедрены в ФГУ «ПЦСМС» в технические регламенты по оптимизации межповерочных и межкалибровочных интервалов средств измерений.
Предложенная в монографиях и учебных пособиях методика оценки показателей механической надежности датчиковой аппаратуры используется сотрудниками НИИ г Пензы и при обучении студентов Пензенского государственного университета архитектуры и строительства (ПТУАС), Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С П Королева и Воронежской государственной лесотехнической академии по дисциплинам «Метрология, стандартизация и сертификация», «Электрические измерения неэлектрических величин», «Микромеханические устройства и приборы», «Автоматика и телемеханика» и др
Основные положення, выносимые на защиту.
1. Общая методологическая концепция исследования и оценки показателей механической надежности датчиков на основе структуризации их критичных элементов
Модель получения прогнозной обобщенной статистически однородной информации по однотипным датчикам типовых унифицированных рядов
Модель оценки показателей механической надежности датчиков, предусматривающая учет статистически значимого влияния на них вариаций конструктивно-технологических параметров и экстремальных условий эксплуатации датчиков
4. Модель статистической оценки вероятности безотказной работы датчиков, предусматривающая многократную имитацию конструктивно-технологических параметров и технических характеристик датчиков-типопред-ставителей, вычисление оценок показателей механической надежности всех их критичных узлов и дальнейшее использование полученной информации в новых модификациях датчиковой аппаратуры
Методологический подход и модели выбора оптимальных контрольных процедур при обеспечении показателей механической надежности датчиков
Модели оценки показателей механической надежности конструкций датчиков при хорошем, среднем и недостаточном уровнях процесса их конструкторской, производственно-технологической отработки и промышленного освоения. Модель контроля априорной и апостериорной оценок показателей механической надежности датчиковой аппаратуры с учетом априорной информации.
Общий методологический подход к оценке стабильности показателей механической надежности датчиков на этапах их проектирования и модели оценки данных показателей в процессе серийного освоения и установившегося производства датчиков при аномальных значениях нагрузок и проч-
ностей, характеризующих наличие в них дефектов производства и отклонений от требований НТД
8 Модели и алгоритмы автоматизированного управления показателями качества и механической надежности датчиков
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях, совещаниях, симпозиумах и семинарах, а также ежегодных научно-технических конференциях в Пензенском государственном университете архитектуры и строительства.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 46 работ, включая две монографии, 17 статей в журналах, входящих в перечень ВАК, 19 статей в сборниках научных трудов ведущих вузов и научных организаций, 7 тезисов научных докладов, 1 авторское свидетельство СССР
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка использованной литературы
Характеристики датчиков
Ударные воздействия. Удар представляет собой затухающий переходной процесс с высокой интенсивностью фронтального импульса.
Удар характеризуется длительностью импульса и амплитудой ударного ускорения. Диапазон ударных ускорений имеет значения от 1 до 10 м/с . Существенное значение для проведения испытаний датчиков имеет количество ударов и их частота.
Вибрации вызывают повреждения конструкции в местах сочленения узлов, обрыв проводников вследствие относительного перемещения, повреждения усталостного характера при продолжительном действии вибраций, перенапряжение конструкции вследствие приложения больших усилий.
Акустическое давление. Для характеристики эксплуатации датчиков в условиях воздействия акустических давлений обычно задается их максимальный уровень и частотный диапазон звуковых колебаний. При испытании современных технических устройств и в процессе их эксплуатации на датчики могут действовать акустические давления интенсивностью 150 -195 дБ и выше в диапазоне частот (3-20)10 Гц.
Влажность постоянно присутствует в числе характеристик комплекса внешних условий. Высокая влажность приводит к быстрому -разрушению электрических и механических элементов датчиков, снижению сопротивления изоляции, электрическому пробою, коррозии металлических элементов, снижению их механических характеристик. Основные способы защиты от влажности - герметизация, применение влагостойких покрытий и различного рода влагопоглотителей.
Пониженное давление. В условиях пониженного давления датчики работают на самолетах, радиозондах, пространстве, и реальных случаях датчик оказывается в условиях пониженного давления, равного 10" 6Па (10"8 мм. рт. ст.). В условиях пониженного давления происходит выделениє газов различными материалами и резко понижается сопротивление изоляции воздушных промежутков. Основное средство защиты - герметизация.
Колебания питающих напряжений оказывают влияние на выходные характеристики практически всех датчиков, в основном приводя к изменению их чувствительности. Это в равной степени относится как к напряжению переменного тока промышленной сети, так и к автономным источникам питания, находящимся на борту различных движущихся объектов. Основное средство защиты - стабилизация напряжения и использование автономных источников питания (батарей, аккумуляторов).
Магнитные и электрические поля. Влияние магнитного поля Земли и других источников электромагнитного излучения на датчики проявляется в возникновении паразитных ЭДС, наводимых в катушках индуктивности. Защита от электромагнитных полей, как правило, заключается в использовании проводящих металлических материалов для изготовления корпусов (кожухов и т. п.) датчиков, использовании гальванической развязки и качественного заземления.
Агрессивная среда. Работа в агрессивных средах имеет место при контроле и исследовании режимов и параметров различных химических процессов, измерении давлений и расходов химически активных веществ в резервуарах, баках, трубопроводах и др.
Элементы датчика, находящиеся в процессе эксплуатации в контакте с агрессивной средой, выполняют из материалов, стойких к воздействию соответствующей среды, например из различных марок нержавеющих сталей. В противном случае возможно быстрое разрушение материалов, ухудшение их механических и электрических свойств. Внутренние полости датчиков, как правило, герметизируются. Иногда используются газовые и жидкостные разделители.
Радиация представляет сооои потоки протонов, электронов, нейтронов, у -излучение и др., обладающих определенной энергией. Энергия частиц или / -квантов, проходящая в единицу времени через единицу поверхности, пер 31 пендикулярной к излучению, называется интенсивностью излучения. Интенсивность излучения может оцениваться его ионизационной способностью, определяемой значением экспозиционной дозы.
Основные методы защиты датчиков от воздействия радиации: экранирование слоем материала с высокой плотностью или мощным магнитным полем.
В числе прочих факторов, определяющих условия эксплуатации датчиков, можно назвать статическое давление (для датчиков пульсирующих давлений), линейные и угловые низкочастотные ускорения и др.
В отдельных руководствах и нормалях условия эксплуатации датчиков разделяются на категории и группы в соответствии с интенсивностью и количеством воздействующих факторов.
Метрологическое обеспечение датчиков включает в себя использование эталонов и образцовых мер, эталонных и образцовых измерителей различных физических величин, поверочных схем передачи размера единицы от образцовых средств измерений рабочим средствам, системы нормативных документов, регламентирующих деятельность в области метрологии. Развитие специального приборостроения, связанного с проектированием датчиков, предназначенных главным образом для использования их в ракетно-космической технике, авиации, автомобилестроении, судостроении, энергетике, атомной технике, а также в смежных отраслях, потребовало проведения фундаментальных исследований в области создания автоматизированных испытательных и градуировочных установок, воспроизводящих на высоком метрологическом уровне и в широких диапазонах изменения параметры рабочих и дестабилизирующих величин. Эта работа проводилась при непосредственном участии автора начиная с 80-х годов прошлого столетия [31-37].
Идентификация однотипных датчиков на этапе «Техническое предложение»
Проведенные расчеты показывают, что предельное значение вероятности безотказной работы мембраны Р =0,999621, полученное с учетом воздействия на нее номинальных рд и критических (предельных) ркр давлений, характерных для экстремальных условий эксплуатации данной мембраны, значительно превышает величину вероятности безотказной работы / =0,9964 подобной мембраны (см. рисунок 1.7), полученную на основе традиционного подхода к ее расчету [5]. Результаты проведенных исследований позволили разработчикам проводить расчет вероятности безотказной работы датчиков на этапах их разработки, изготовления и эксплуатации для номинальных и предельных значений нагрузок на датчики, действующих в условиях воздействия на них комплекса влияющих величин.
Предложенный диссертантом алгоритм, основанный на данной оценке показателей механической надежности датчиковой аппаратуры на этапе "Эскизный проект", включает в себя [74] следующий комплекс типовых функциональных задач: - структуризацию типовых датчиков и построение СФСМН; - определение функциональных и (или) регрессионных зависимостей определяющих параметров Xj и х" от влияющих параметров ztJ; - оценку средних значений и среднеквадратических отклонений определяющих параметров х р и xf по числовым значениям параметров zfJ; : нахождение вероятностей безотказной работы Р и среднеквадратических отклонений аР , а также нижних доверительных пределов Ру типовых критичных элементов и узлов датчиковой аппаратуры; - нахождение вероятностей Р. и интервальных Ру показателей механической надежности для типовых датчиков в целом.
Изложенный диссертантом алгоритм в виде последовательного решения перечисленных функциональных задач является основой для построения соответствующих диалоговых человеко-машинных процедур по автоматизированной оценке показателей механической надежности новых модификаций датчиковой аппаратуры на стадии "Эскизный проект".
Модель оценки показателей механической надежности датчиков, предусматривающая учет статистически значимого влияния на них вариаций конструктивно-технологических характеристик и экстремальных условий эксплуатации датчиков позволяет получать более точную оценку данных показателей по сравнению с традиционной оценкой.
Специфика оценки показателей механической надежности датчиков на этапе проектирования «Технический проект» состоит в следующем. Исходные расчетные соотношения вида (2.77), связывающие значения определяющих параметров датчиковой аппаратуры х с их конструктивно-технологическими и эксплуатационными характеристиками zu имеют достаточно громоздкие выражения. Особенно это касается тех случаев, когда в расчетных соотношениях учитываются поправки вида (2.80)-(2.82), или значения определяющих параметров находятся из соответствующих систем дифференциальных уравнений. В основном это характерно для этапа разработки "Разработка рабочей конструкторской документации для изготовления опытного образца изделия". На этом этапе обычно проводят различные поверочные и уточненные расчеты с учетом уже имеющихся к данному моменту экспериментальных данных конструкторско-доводочных испытаний. В таких случаях для уточненных проектных оценок показателей механической надежности проектируемого датчика применяются методы статистического моделирования [76-88]. Эти данные используются при написании соответствующих разделов по показателям механической надежности в комплекте конструкторско-технологическои документации и инструкциях по эксплуатации. Сущность всех методов статистического моделирования сводится к многократной имитации процессов, а также значений определяющих параметров x j = l,N;N - число определяющих параметров для каждого конкретного датчика или его ответственных узлов и элементов), лежащих в основе количественных методов оценки показателей механической надежности датчиковой аппаратуры.
Применение метода статистического моделирования к расчету вероятности безотказной работы датчика в одномерной постановке, когда модель отказа датчика или его отдельных узлов и элементов описывается одним определяющим параметром х, сводится к многократному исследованию функции работоспособности вида Д. = %)- %) (2.89) где - х"у ЫЛ - критическое (предельное) значение определяющего параметра х; хд(zy) - действующее (рабочее) значение определяющего параметра х.
Предлагаемая оценка показателей механической надежности датчиковой аппаратуры основана на двух методологических подходах.
При первом подходе моделируются значения функции Ах = хКР - хд случайных аргументов zip имеющих соответствующие законы (плотности) распределения р[гЛ. При этом моделью предусматривается подсчет числа га значений At в соотношении (2.89) меньших или равных нулю, что соответствует модели отказа рассматриваемого датчика или его отдельного узла (элемента). При этом вероятность Р безотказной работы датчика находится как где т - число реализаций значения Ад. при Ах 0; п - общее число реализаций.
Нижний доверительный предел Рг (часто задаваемый как показатель механической надежности в технической документации) вероятности безотказной работы датчика по общему количеству реализаций п, числу реализаций т (At 0) и доверительной вероятности у вычисляется v[ 77] с помощью соотношения: С:Р;{\-РГ)"-"=\-У, т к п, (2.91) где С - число возможных перестановок т значений функции Ах (Ах 0) при общем числе реализаций п\ Р_г - нижний доверительный предел вероятности Р при доверительной вероятности у.
Модели и алгоритмы выбора оптимальных контрольных интервалов в процессе проектирования и производства датчиков
Проведем сравнительный анализ представленных моделей выбора рациональных интервалов с точки зрения их практического использования в задачах обеспечения показателей механической надежности датчиковой аппаратуры. Модель 1. Модель является наиболее универсальной и поэтому успешно используется практически в любом из инженерных приложений в задачах обеспечения требуемых показателей механической надежности при создании и производстве новых модификаций датчиковой аппаратуры. Основными принципиальными моментами в данной модели являются [94]: — достаточно адекватное описание статистического поведения исследуемых параметров ответственных узлов (элементов) конкретных видов (типов) датчиков и законов их распределения на подконтрольных участках [0, 1] (см. рисунок 3.2); - удачный подбор шага дискретности А случайной непрерывной функции х(Ґ), который может быть переменным на участке [0, 1].
Модель 2. Данная модель наиболее эффективно используется при решении задач об оптимальном соотношении толщин элементов конструкции датчиковой аппаратуры типа «основной материал - наносимое покрытие - связующий адгезионный слой» [94]. При этом реализуется конструкторско-технологическое решение по выбору соотношения толщины, обеспечивающее максимальную прочность сцепления наносимого покрытия (например, защитной пленки SW) с поверхностью элемента датчика при некотором заданном уровне показателя механической надежности данного элемента (узла).
Модель 3. Данная модель применяется в тех случаях, когда предельные значения определяющих параметров датчиковой аппаратуры установить достаточно трудно или практически невозможно, например, по экономическим соображениям или из-за большого дефицита времени [96J. Основная трудность практического использования данной модели заключается в том, что в ряде случаев достоверное значение коэффициента , входящего в расчетное соотношение (3.35), определить не всегда удается.
Кроме того, определение условной вероятности РІА ІАЛ, на основе которой базируется формула (3.35), также требует достаточно серьезных предварительных исследований, связанных с нормированием показателя вероятности безотказной работы конкретных типов (видов) унифицированных рядов датчиковой аппаратуры на контрольных интервалах. Поэтому в практических случаях представляется целесообразным установление приближенного значения коэффициента Ъ из рассмотрения степени коррелированности определяющего параметра х в контрольных точках 1, 2,..., N на подконтрольном участке длиною L (см. рисунок 3.2). Здесь следует воспользоваться соотношением (3.36).
Модель 4. Основным достоинством данной модели является удобство графоаналитических представлений показателей механической надежности соответствующих унифицированных рядов датчиковой аппаратуры в функции определяющих параметров хДу = 1, N; N - число параметров) [97, 98]. Эти представления в виде аналитических аппроксимаций используются в различных инженерных приложениях, в которых рассматриваются оптимизационные контрольные задачи для вновь разрабатываемых модификаций датчиковой аппаратуры. Эти представления используются при написании программ обеспечения показателей механической надежности, а также при отработке типовых конструкторско-технологических решений унифицированных рядов датчиковой аппаратуры.
Модель 5. Данная модель представляет собой некоторый комплекс моделей, основанных на теории чувствительности [94]. Применительно к оптимизационным контрольным задачам датчиковой аппаратуры данная модель нашла применение при исследовании процессов устойчивости оптимальных планов пли уппявлении тпяектопиями пячтштия к-ячрслгая создаваемых новых модификаций унифицированных рядов датчиков.. 142 Изложенные диссертантом методы выбора рациональных контрольных ингервалов позволили проводить построение укрупненных алгоритмов применительно к каждой из разработанных моделей. Эти алгоритмы включают в себя следующие комплексы задач [94]. По модели 1: - таыбор шага дискретности Л для моделирования случайного процесса л{ґ) на подконтрольном участке [0, 1]. Данная задача решена отдельно для верхнего хв и нижнего хн значений определяющего параметрах; - моделирование реализаций x,(Z ) случайного процесса х[) по верхнему хв и нижнему хн значениям определяющего параметра х; - построение огибающих кривых x(Z j по верхним хв и нижним хн значениям определяющего параметрах; - установление конкретных контрольных интервалов А,, Л, ,..., Ак для верхнего хв и нижнего хн значений определяющего параметра х. По модели 2: - определение параметра потока Л[Ґ) для верхнего ХдР предельного значения определяющего параметра х на интервале [0, 1] с использованием соотношения (3.32); - проверка гипотезы о нормальности и стационарности случайной функции X\L ) на интервале [0, 1] для верхнего xf предельного значения параметра х;
Оценка показателей механической надежности конструкций датчиков при среднем уровне отладки процесса проектирования
В ходе реализации технологических процессов при освоении серийного изготовления датчиковои аппаратуры и при установившемся производстве возможны различные отклонения от заданных технологических маршрутов и требований нормативно-технической документации. Можно указать на различные факторы, которые в той или иной мере влияют на эти технологии. Подавляющее большинство из этих факторов [146-147], можно условно свести к двум основным группам.
Первая группа систематических факторов: отсутствие обоснованных технологических маршрутов на проведение всех необходимых видов работ - заготовительных, механообработки, сборочных работ; отсутствие на рабочих местах комплекта рабочих чертежей и необходимых описаний, или их недостаточно детализированное исполнение для качественного выполнения текущих технологических операций (переходов); недостаточная разработанность пооперационных технологических маршрутов по определенным видам работ; отсутствие закрепления конкретных видов работ (операций, переходов) за определенными исполнителями, приводящее к нарушению принципа специализации, как основного фактора выпуска качественной продукции; незавершенность выполняемых операций и несоблюдение заданной по технологическим маршрутным картам последовательности выполнения работ (операций, переходов); несвоевременное предъявление на контроль первой детали (работы, операции); нечеткость оформления сопроводительной документации,- приводящая к неоднозначному толкованию технологических маршрутов; несоблюдение указаний маршрутных карт по использованию требуемой технологической оснастки, испытательного оборудования, режущего и измерительного инструмента и т.д.; применение материалов, полуфабрикатов и комплектующих не предусмотренных технологическими процессами, в том числе с просроченными сроками годности; несоблюдение установленных нормативно-технической документацией методов, приемов и режимов обработки изделий и проведения заводских испытаний; использование средств контроля, технологической и испытательной оснастки с истекшими сроками годности; неудовлетворительное состояние средств технологического оснащения, измерительных средств, испытательной базы, вычислительных средств и т.д.
Подавляющая часть отклонений, обусловленная этими факторами, в процессе освоения выпуска продукции устраняется путем проведения соответствующих организационно-технических мероприятий. Эти мероприятия обычно составляют организационную основу программ, обеспечения надежности датчиковой аппаратуры конкретных типов.
Вторая группа факторов, которые классифицируются как случайные, включает в себя естественные разбросы: характеристик (геометрических, физических, массовых, габаритных) материалов, полуфабрикатов, комплектующих изделий; параметров технологических процессов - температуры окружающей среды и рабочих тел, давлений окружающей среды и рабочих тел, скоростей перемещения объектов технологической обработки и т.д.; характеристик и параметров средств технологического оснащения производства - режущего и мерительного инструмента, испытательного оборудования; допусков в размерных технологических цепочках и т.д. 198 Отклонения, обусловленные второй группой факторов, во многих практических случаях необходимо учитывать при количественных исследованиях стабильности технологических процессов в связи с оценкой показателей механической надежности осваиваемых в производстве новых модификаций датчиков типов (видов, унифицированных конструктивных рядов).
Конкретными задачами, поставленными автором по количественному исследованию стабильности технологических процессов при изготовлении датчиковой аппаратуры в условиях освоения серийного и установившегося производства являются: - разработка общего методологического подхода к оценке стабильности технологических процессов изготовления датчиковой аппаратуры через оценку параметров точности (мгновенной и интегральной) изготавливаемой продукции; - разработка модели интегральной оценки точности параметров технологического процесса, как количественной меры его стабильности при обеспечении требуемых технических характеристик и показателей механической надежности датчиковой аппаратуры; - разработка модели оценки и контроля показателей механической надежности конструкций датчиков при наличии в них дефектов производства и нарушений технологических процессов; - разработка модели исследования и учета особенностей обработки статистических данных при наличии смещения центров группирования параметров, характеризующих показатели механической надежности конструкций датчиков на этапах серийного освоения и установившегося производства.
