ФАКТОРЫ ВЛИЯЮЩИЕ НА НАДЕЖНОСТЬ УСТРОЙСТВ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА НАДЕЖНОСТЬ УСТРОЙСТВ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Правильно дать анализ отказов и найти пути повышения надежности элементов и систем можно, зная факторы, влияющие на надежность, и причины появления отказов.

По характеру воздействия эксплуатацион ные факторы делятся на: объективные (воздействие внешней среды); субъективные (воздействие обслуживающего персонала). Объективные факторы можно разделить на две группы: внешние; внутренние.

К внешним факторам относятся воздействия, зависящие от внешней среды и условий применения устройств: температуры, влажности, атмосферной и контактной коррозии, биологической среды, солнечной радиации, пыли и песка, механических воздействий. К внутренним должны быть отнесены все изменения структуры материалов и параметров устройств, т. е. все процессы естественного старения и износа. В качестве субъективных факторов следует назвать квалификацию обслуживающего персонала и организацию его технического обучения, уровень технологической дисциплины обслуживания устройств, органи зацию сбора и анализа сведений об отказах, порядок хранения и транспортировки аппаратуры.

Действие тепла и холода Надежность устройств в определенной степени зависит от действия тепла и холода. Температура элементов может изменяться под действием солнечных лучей, нагревания аппаратуры от близлежащих источников высокой температуры, от внутренних источников. Перепады температуры элементов происходят при суточном изменении температуры, переносе аппаратуры из нагретого помещения в среду с холодным воздухом и обратно и т. д. Колебания температуры окружающей среды в течение суток имеют большое значение для эксплуатации аппаратуры. Максимальная разность температур в течение суток в одном месте характеризуется следующими данными: тропический климат плюс 10 °С, умеренные области плюс 25 °С, пустыни плюс 40 °С. Максимальная температура в тени на территории России плюс 50 °С, а минимальная минус 50 °С.

При работе аппаратуры часть электрической энергии преобразуется в тепловую, поэтому температура отдельных элементов может быть значительно выше температуры окружающей среды. Наиболее сильно нагреваются баллоны электронных ламп, температура которых достигает плюс (150— 250) °С. Смазочный материал в кодовых трансмиттерах нагревается до температуры плюс 100 °С.

Различают три вида температурного воздействия: постоянное, периодическое, апериодическое. Постоянное воздействие температуры характерно для аппаратуры, непрерывно работающей в помещении. Повреждение элементов в данном случае происходит из за несоответствия допустимой рабочей температуры элемента тепловому воздействию. Кроме того, аппаратура может отказать из за ускоренного старения элементов (монтажные провода, обмотки реле, смазочный материал и т. д. ), обусловленного высокой рабочей температурой и отсутствием средств охлаждения. Периодическое воздействие может быть обусловлено суточным изменением температуры, регулярным солнечным облучением и т. д. Особенно вредно сказываются переходы температуры через ноль при наличии влаги, что может в определенных условиях приводить к индевению контактов, примерзанию якорей реле, нарушению контакта в электроприводах и т. д. Апериодическое воздействие вызывается единичным воздействием тепла или холода, например при выносе аппаратуры из теплого помеще ния на холод или наоборот.

Тепло и холод сильно влияют на свойства металлов в аппаратуре, что приводит к изменению посадочных и установочных зазоров, ослаблению креплений деталей и узлов, смещению деталей относительно друга, возникновению значительных напряжений, вызывающих деформацию деталей, изменению электрических и магнитных параметров (удельное сопротивление и магнитная проницаемость).

Параметры ряда элементов в значительной степени зависят от температуры. Так, в процессе эксплуатации емкость электролитических конденсаторов только под влиянием изменения температуры от минус 60 до плюс 100 °С может изменяться в широких пределах. В зависимости от температуры меняются диэлектрические потери конденсаторов, сопротивление изоляции и диэлектрическая прочность. Применяемые в аппаратуре СЦБ резисторы очень чувствительны к отклонению температуры, и их сопротивление может изменяться на 15— 25 % в интервале от минус 60 до плюс 60 °С.

Из-за теплового расширения деталей и изменения электрических свойств материалов в зависимости от температуры меняются параметры катушек индуктивности, что влечет за собой уход резонансной частоты контура. В большей степени влиянию температуры подвержены полупроводниковые диоды и триоды. При изменении температуры окружающей среды от минус 50 до плюс 60 °С их параметры меняются на 10— 25 %. Так, из-за изменения параметров полупроводниковых приборов кодовые устройства диспетчерской централизации могут отказывать в работе при температуре минус 40 °С.

Действие влаги. Определенный процент отказов обусловлен действием влаги на применяемые в аппаратуре материалы и элементы. Влиять могут водяные пары, находящиеся в виде мельчайших частиц в окружающем воздухе. Элементы аппаратуры могут непосредственно соприкасаться с водяными каплями или водой при конденсации водяных паров на поверхности аппаратуры, при смачивании брызгами воды или дождем, попадании и таянии снега. Влага изменяет электрические характеристики материалов, способствует их гидролизу, ускоряет процессы старения, вызывает интенсивную коррозию металлов, способствует образованию плесени и т. д. В различных географических районах относительная влажность колеблется в широких пределах (5— 95 %).

На механические и электрические свойства металлов, если исключить явление коррозии, протекающее под действием влаги, изменение влажности воздуха и конденсации влаги практически не влияет. Но у диэлектрических материалов под действием влаги изменяются механические и электрические характеристики. Некоторые материалы, обладающие объемной гигроскопичностью, при впитывании влаги увеличивают свои линейные размеры, отчего возрастают внутренние напряжения, изменяются зазоры и посадочные размеры, возникает коробление и т. д. Еще большее влияние оказывает влага на электрические характеристики диэлектриков. Проникновение влаги в поры диэлектрика в значительной степени повышает диэлектрическую проницаемость, что вызывает, например, соответствующее изменение емкости конденсаторов. Влага, поглощенная изоляционным материалом, уменьшает пробивное напряжение и увеличивает тангенс угла диэлектрических потерь.

Наличие влаги приводит к следующим характерным изменениям параметров элементов аппаратуры: для конденсаторов — к возрастанию емкости, тока утечки, танген са угла потерь, снижению электрической прочности; для постоянных непроволочных резисторов — к увеличению сопро тивления; для контуров — к увеличению диэлектрической проницаемости, собственной емкости и потерь; для кабелей и проводов — к уменьшению электрической прочности, снижению сопротивления изоляции, увеличению емкостной связи между проводами; ' для трансформаторов и дросселей — к уменьшению сопротивления изоляции и росту диэлектрических потерь, приводящим к местному и тепловому пробою, уменьшению пробивного напряжения между вит ками и выводами, усилению коррозии. Поглощение влаги трансформа торным маслом ускоряет его окисление и образование шлама; для реле — к увеличению числа отказов вследствие обрыва обмоток из за коррозии и электролиза, уменьшению сопротивления изоляции и пробоям между контактами, между контактами и корпусом, наруше ниям контактов из за их окисления, заеданиям в подвижной системе.

Для обеспечения влагостойкости материалов и элементов аппаратуры могут быть рекомендованы следующие меры: применение негигроскопичных изоляционных материалов, покрытие деталей и узлов негигроскопичными и гидрофобными материалами (пластмассы, лаки, крас ки и т. д. ) гальваническое или лакокрасочное покрытие поверхности металлов, герметизация отдельных элементов аппаратуры (трансформаторов, реле, дросселей, релейных шкафов и т. д. ), пропитка деталей и узлов негигроскопичными материалами, введение в аппаратуру реагентов влагопоглотителей.

Из этих мер особо следует остановиться на применении влагопоглотителей. Силикагель (Si. O^) может поглощать до 60 % воды от собственной массы. Адсорбированная силикагелем влага прочно удерживается, для ее удаления требуется нагревание силикагеля до температуры свыше плюс 500 0 С. Применение силикагеля удобно также тем, что по мере по глощения влаги он меняет свой цвет, позволяя легко контролировать его состояние.

Атмосферная коррозия На работу аппаратуры может влиять атмос ферная коррозия, которая бывает: мокрая, возникающая при относи тельной влажности, близкой к 100 %, или при непосредственном попада нии капель воды на элементы аппаратуры; влажная, протекающая под тонким, порой невидимым слоем жидкости, образованной при относи тельной влажности менее 100 %; сухая, происходящая без конденсации влаги на поверхности.

Скорость коррозии зависит от относительной влажности воздуха, а также от степени загрязненности воздуха и поверхности элементов аппаратуры. Коррозия связана с образованием слоя влаги на поверхности элементов. При загрязнении этого слоя различными химическими элементами, солями, кислотами, всегда находящимися в воздухе, он превращается в электролит, ускоряющий процесс разрушения элементов аппаратуры. Сухая атмосферная коррозия протекает в виде роста на поверхности элемента окисной пленки и может быть объяснена встречной диффузией ионов металла и атомов или ионов кислорода. Примером сухой атмосферной коррозии может служить потускнение серебряной поверхности контактов штепсельных реле. При этом поверхностное (переходное) сопротивление контактов увеличивается.

Защита от коррозии сводится к нанесению антикоррозийных металлических или лакокрасочных покрытий, применению герметизации или влагопоглотителей, а иногда и к периодическому удалению окисной пленки, образовавшейся вследствие сухой атмосферной коррозии.

Контактная коррозия. Контактная, или электролитическая коррозия является следствием соприкосновения металлов, имеющих различные электрохимические потенциалы, при наличии между ними проводящей пленки воды. Образовавшаяся электрохимическая микропара, в которой металл с более отрицательным потенциалом играет роль катода, приводит к интенсивному разрушению последнего. В контактах реле эффект электрического разрушения усугубляется эрозией — физическим разрушением контактов. К контактной коррозии относят также интенсивное разрушение некоторых металлов при их соприкосновении с определенными сортами древесных пород. Так, железо, сталь, алюминий и свинец интенсивно корродируют при соприкосновении с дубом, каштаном и некоторыми другими породами. Борьба с электролитической коррозией ведется прежде всего тщательным подбором конструктивных материалов. При этом всегда необходимо подбирать пары с наименьшей разностью потенциалов. Допустимым значением разности потенциалов считается 0, 5 В (абсолютное зна чение) для средних широт и 0, 25 В для аппаратуры предназначенной для работы в морском и тропическом климате. В тех случаях, когда подбо ром материалов не удается исключить контактную коррозию, прибегают к гальваническим покрытиям (никелирование, хромирование, серебре ние, золочение и др. ).

Действие биологической среды К биологической среде относят : грибковые образования (плесень), насекомых (жуки, термиты, му равьи) , грызунов (крысы, мыши и т. д. ). Наибольшее повреждение аппаратуре причиняет плесень. Она может развиваться на металлах, стекле и керамике. В этом случае питательной средой служит слой пыли (микро организмы), покрывающий поверхность материалов. Разрушительное действие плесени проявляется в виде: изменения механических и электтрических свойств материалов, служащих питательной средой для развития плесени; коррозии металлов под действием выделяемых плесенью органических кислот (лимонной, угольной, щавелевой и др. ); изменения оптических свойств материалов. Кроме того, покрытая плесенью аппаратура, даже при исправном ее действии, естественно, не внушает доверия эксплуатационному штату. Защита от влияния плесени проводится подбором материалов, не являющихся питательной средой. Наряду с плесенью, серьезные повреждения наносятся аппаратуре термитами и некоторыми видами муравьев. Термиты проникают внутрь аппаратуры и поедают деревянные изделия, пластмассу, кожу и т. д. К вредным насекомым следует также отнести некоторые виды жуков, которые зарываются в землю и, натыкаясь на кабель, нарушают его обо лочку. Кабели и провода (монтаж) часто повреждаются грызунами, особенно часто — провода и кабели в хлорвиниловой оболочке или рези новой изоляции. Основными мерами защиты от насекомых и грызунов являются механическая защита аппаратуры и кабелей, а также примене ние ядохимикатов.

Наряду с плесенью, серьезные повреждения наносятся аппаратуре термитами и некоторыми видами муравьев. Термиты проникают внутрь аппаратуры и поедают деревянные изделия, пластмассу, кожу и т. д. К вредным насекомым следует также отнести некоторые виды жуков, которые зарываются в землю и, натыкаясь на кабель, нарушают его оболочку. Кабели и провода (монтаж) часто повреждаются грызунами, особенно часто — провода и кабели в хлорвиниловой оболочке или резиновой изоляции. Основными мерами защиты от насекомых и грызунов являются механическая защита аппаратуры и кабелей, а также применение ядохимикатов.

Влияние солнечной радиации. В процессе эксплуатации и при хранении на открытом воздухе на аппаратуру действуют прямые солнечные лучи. Длинноволновая часть солнечных лучей переносит тепловую энергию, которая способствует повышению температуры внутри релейных шкафов, блоков и др. Коротковолновая часть солнечного спектра (фиолетовая и ультрафиолетовая) — основной фактор фотохимического воздействия. Эффект коррозии возрастает с увеличением относительной влажности воздуха. Контактная коррозия становится значительно больше, если через места соприкосновения различных металлов протекает электрический ток, обусловленный электрической схемой аппаратуры (контакт действия, приводящего к окислению органических материалов, изменению их свойств, выцветанию и разрушению красок и т. д.

Под действием солнечных лучей резко усиливается. Процесс распада полихлорвинила, фторопласта, поливинилхлорида, пластмассы. Натуральный каучук и резина под действием солнечных лучей твердеют и трескаются. Также под действием солнечных лучей растрескиваются и разрушаются лакокрасочные покрытия, теряя свои защитные свойства. Основные способы борьбы с солнечной радиацией заключаются в создании микроклимата в аппаратуре, подборе материалов.

Влияние пыли и песка. Пыль и песок, проникая в аппаратуру и оседая на поверхности элементов, могут оказать отрицательное влияние на ее работоспособность. С одной стороны, пыль и особенно песок вследствие своего абразивного эффекта способствуют быстрому износу движущихся частей аппаратуры. С другой стороны, песок и пыль обладают достаточно большой гигроскопичностью. Поэтому слой пыли может оказаться достаточно хорошим проводником, что приведет к нарушению режима работы аппаратуры. Пыль и песок, оседая на контактах реле и переключателей, часто приводят к образованию электрической дуги и непроводящего слоя между контактами. Особенно часто может отказывать аппаратура с печатным монтажом элементов, так как из за малого расстояния между параллельными проводниками пыль вызывает резкое падение сопротивления между ними.

Следует отметить, что пыль органического происхождения представляет собой хорошую среду для развития плесени. Поэтому без борьбы с пылью перечисленные выше способы борьбы с грибковыми образованиями не дают нужного эффекта. Из мер борьбы с пылью и песком наиболее эффективным является: создание пыленепроницаемых корпусов (релейный шкаф, батарейный колодец, блоки, приборы и др. ). Однако создание таких корпусов в сильной степени затрудняет тепло отвод. Необходимой мерой поддержания надежности в условиях эксплуатации является периодическая очистка аппаратуры от пыли.

Действие механических нагрузок. Механические нагрузки на аппаратуру возникают во время хранения, транспортировки и эксплуатации и делятся на два вида: ударные , вибрации. В результате удара в аппаратуре возникают затухающие колебания на собственной частоте. Этим колебаниям подвержены конструкции в целом и их отдельные элементы. Амплитуда колебаний может быть значительной, что приводит к излому хрупких деталей, обрыву прово дов, разрушению паек, деформации гибких материалов и др. Вибрацией называется длительное знакопеременное движение, вызванное внешними силами. Следствием вибрации могут быть поломка деталей, обрыв проводов, нарушение регулировки и т. п. В целом механические нагрузки на аппаратуру могут вызвать выскакивание приборов из гнезд, ослабление винтовых и заклепочных соединений, обрыв проводов в местах изгибов, паек и т. п. , деформацию и поломку деталей, обрыв конденсаторов, резисторов и полупроводниковых приборов, закрепленных на собственных выводах, перемещение элементов относительно базы, уменьшение контактного и межконтактного зазоров.

Вредное воздействие механических нагрузок на аппаратуру уменьшают, увеличивая прочность конструкции, применяя элементы с повышенной механической прочностью, изоляцию элементов или аппаратуры от механических воздействий (амортизаторы, упаковка и т. д. ), рационально размещая аппаратуру в таре и на объектах.

Старение и износ материалов. Старением называется относительно медленное изменение физико химических свойств материалов в процессе хранения и эксплуатации. Старению подвержены все металлы и изоляционные материалы. Время старения зависит от степени воздействия окружающей среды и режимов работы. Как следствие, старение материалов вызывает соответствующее старение элементов аппаратуры. Так, старение непроволочных резисторов характеризуется медленным необратимым увеличением сопротивления. Среднее изменение сопротивления составляет 1, 5 — 3 % в год. Скорость старения некоторых резисторов до стигает 5 — 10 % в год. Уменьшение влияния процессов старения на надежность аппаратуры можно добиться применением качественных материалов с малыми скоростями старения; соответствующих режимов, определяющих малые скорости старения; правильно выбранных схемных решений, в которых значительные изменения параметров элементов не приводят к отказам.

Влияние квалификации обслуживающего персонала В процессе обслуживания устройств, хранения и транспортировки приборов не исключается возможность различных ошибок работников эксплуатации (неправильное включение, неточная регулировка, случайные удары и т. д. ). Очевидно, что число ошибок будет тем меньше, чем выше квалификация обслуживающего персонала, чем лучше он знает технику и чем больше имеет опыта в работе. Возможность ошибок увеличивается при усложнении обстановки и ухудшении внешних условий (возникновение одновременно нескольких отказов, большие морозы и т. п. ). При проведении мероприятий по техническому обслуживанию работники эксплуатации также могут совершать ошибки, связанные с нарушением: сроков и небрежным проведением профилактических и ремонтных работ, с неправильной заменой приборов, неточным отсчетом по шкале измерительных приборов и т. д. Все эти ошибки могут привести к немедленным отказам или значительно снизить эксплуатационную надежность при последующей работе аппаратуры. Поэтому первостепенным требованием к обслуживающему персоналу является внимательное отношение к делу и строгая технологическая дисциплина в выполнении установленного порядка обслуживания.

Большое влияние на исправность работы устройств оказывает не только квалификация обслуживающего персонала, но и степень его натренированности в выполнении профилактических работ и устранении отказов. В этой связи следует рекомендовать применение широко используемых так называемых тренажеров, на которых создаются искусственные отказы и затем ликвидируются обслуживающим персоналом в лабораторных условиях. Уменьшить влияние квалификации обслуживающего персонала на эксплуатационную надежность можно так же автоматизацией контроля параметров аппаратуры, использованием устройств, фиксирующих место отказа, автоматизацией поиска отказов, упрощением контрольнопроверочной аппаратуры.

Техническое обслуживание В процессе эксплуатации элементов и систем приходится устранять отказы, а также предотвращать возможность их появления. Эти меры включают в себя проведение регулировок и замену еще работоспособных приборов (в зависимости от их наработки, отклонения параметров от номинальных или каких либо других признаков старения и износа). Правильная организация, своевременное, полное и качественное проведение этих мер в существенной степени определяют надежность элементов и систем в условиях эксплуатации. Особое значение имеют профилактические мероприятия.

В условиях эксплуатации большое значение имеет выполнение графика технологического процесса, когда все регламентные работы проводятся в заданные сроки и в объеме, который обеспечивает сохранение надежности элементов и систем в заданных пределах. При этом, естественно, важное значение имеет контроль за выполнением технологического процесса со стороны руководителей.