Общая характеристика условий работы автоматических систем

 

Автоматические системы, а также их отдельные элементы при эксплуатации находятся под воздействием различных факто­ров, которые будем называть нагрузками. Характерной особен­ностью электронных автоматических систем по сравнению с меха­ническими системами является большое разнообразие нагрузок, воздействующих на систему.

По физической природе нагрузки можно разделить на следующие основные классы:

1) механические нагрузки — вибрации, удар, постоянно дейст­вующие ускорения;

2) климатические нагрузки — температура, влажность и влага, атмосферное давление, солнечная радиация, пыль, песок;

3) электрические нагрузки — ток, напряжение, рассеиваемая мощность;

4) радиоактивные нагрузки — поток нейтронов, гамма-лучей

Механические нагрузки воздействуют на автоматические си­стемы, работающие на подвижных объектах: летательных аппара­тах, электровозах, кораблях и др. Кроме того, механические на­грузки возникают при транспортировке, а также при эксплуатации оборудования.

В результате воздействия механических нагрузок отказы авто­матических систем имеют следующий характер:

1) смещение скользящих и вращающихся деталей и узлов;

2) обрыв элементов;

3) разрушение паек;

4) разрушение нитей накала ламп;

5) стук контактов;

6) короткое замыкание близко расположенных проводников и деталей;

7) размыкание нормально-замкнутых контактов;

8) замыкание нормально-разомкнутыхконтактов;

9) повреждение обмоток трансформаторов;

10) разрушение элементов конструкции.

Климатические нагрузки, воздействующие на автоматические системы, зависят от географического места, в котором работает система, а также от условий работы системы (стационарные, поле­вые и т. д.).

В результате воздействия климатических нагрузок отказы автоматических систем имеют следующий характер

1) изменение значений электрических констант (R, L, С и т. д.);

2) размягчение изоляции;

3) снижение эластичности изоляции;

4) уменьшение поверхностного и объемного сопротивлений изоляции вплоть до коротких замыканий вследствие образования льда;

5) замерзание движущихся частей;

6) размыкание и замыкание контактов вследствие коробления;

7) изменение прочности конструкционных элементов;

8) потеря смазочных свойств, а следовательно, чрезмерный механический износ подвижных частей вследствие попадания пыли и песка;

9) короткие замыкания вследствие ухудшения изоляционных характеристик воздуха с изменением высоты.

Так же, как и в случае механических нагрузок, климатические нагрузки в отдельных местах системы могут в значительной сте­пени отличаться от их значений в окружающей атмосфере.

Электрические нагрузки обычно определяются для элементов и реже для узлов. Величина электрической нагрузки зависит от принципиальной электрической схемы и конструкции системы. Электрическая нагрузка определяет режим работы элемента. Для большинства электрических элементов устанавливается номи­нальное значение электрической нагрузки.

Характерными отказами автоматических систем вследствие воздействия электрических нагрузок являются:

1) обрыв элементов в результате перегорания;

2) короткое замыкание элементов в результате пробоя.

Величина электрических нагрузок в значительной степени за­висит от режима работы системы. В установившемся режиме работы действительное значение нагрузки близко к ее расчетному значе­нию, всегда меньшему, чем номинальное значение, поэтому обычно коэффициент нагрузки меньше единицы. В переходных режимах величина нагрузки может в несколько раз превышать расчетное значение, тогда коэффициент нагрузки становится большим еди­ницы. Это обстоятельство характерно для моментов времени вклю­чения и выключения автоматической системы. В этом случае обычно появляется большее число отказов, чем при работе в установившемся режиме.

Радиоактивное излучение имеет место в случае применения автоматических систем в установках, использующих термоядерные двигатели. Наибольшее влияние на электронные системы оказывают нейтроны и гамма-лучи. При оценке влияния термоядерного излучения на эле­менты автоматических систем в первую очередь определяется ха­рактер влияния радиации, а затем уже допустимая доза радиации.

Краткое рассмотрение условий работы автоматических систем показывает, что они работают под воздействием сложного ком­плекса нагрузок. Кроме того, задача аналитического описания на­грузок усложняется также и тем, что некоторые из них характери­зуются несколькими параметрами. Например, вибрации характери­зуются частотой и амплитудой вибраций. Задачу можно упростить при предположении, что для каждого из элементов можно выделить одну или несколько главных нагрузок. С этой точки зрения целесо­образно классифицировать нагрузки не по их физической природе, а по их влиянию на систему или ее отдельные элементы.

Выделим три класса нагрузок:

1) нагрузки-напряжения;

2) нагрузки-катализаторы;

3) пассивные нагрузки.

Нагрузки-напряжения связаны с созданием в элементах или системе напряжений. К ним отнесем механические нагрузки — виб­рации, удар, ускорения и электрические нагрузки — ток, напряже­ние, рассеиваемую мощность. Таким образом, нагрузки-напряже­ния вызывают разрушение элементов системы в том случае, если они превышают допустимые значения.

Нагрузки-катализаторы сами по себе практически не вызывают напряжений в элементе или системе и, следовательно, без нагру­зок-напряжений они не приводят к отказам. Однако нагрузки-катализаторы изменяют прочность материалов или ухудшают фи­зические, химические и электрические параметры. К этой группе нагрузок отнесем климатические нагрузки: температуру, влаж­ность, атмосферное давление, солнечную радиацию. Действительно, повышенные температуры изменяют, например, прочность мате­риалов на разрыв; влажность изменяет электрическую прочность изоляционных материалов и т. д. В дополнение к климатическим нагрузкам можно иногда отнести и накопленное время работы системы или число циклов работы системы. Очевидно, что это мо­жет быть сделано в тех случаях, когда время работы изменяет прочностные характеристики элементов или системы в целом.

К, пассивным нагрузкам следует отнести такие условия работы системы и элементов, которые сами по себе не вызывают напря­жений в элементах системы и не изменяют ее способности противо­стоять нагрузке, например воздействие пыли, песка, а также био­логических факторов. Эти нагрузки в основном определяют выбор соответствующих материалов и конструктивных форм элементов и систем.

В большинстве случаев нагрузки являются случайными функ­циями времени, т. е. представляют случайный процесс.

В наиболее простейших случаях можно не учитывать корреля­ционных связей между различными типами нагрузок, т. е. считать нагрузки статистически независимыми. Кроме того, если измене­ние нагрузок во времени является стационарным случайным процес­сом, можно в качестве количественных характеристик нагрузок использовать распределения нагрузок как случайных величин.

Представляет интерес оценка, как возможных значений нагрузок, так и их максимальных значений. Для определения плотности вероятности нагрузок по известным реализациям случайного процесса (в случае стационарного про­цесса достаточно знать одну реализацию в течение длительного времени) необходимо разделить общее время наблюдения на до­статочно малые интервалы и определить нагрузку в каждом интер­вале.

 

Рис. 6.1. Плотности вероятности нагрузки и плот­ности ее максимальных значений.

 

Таким образом может быть построена функция плотности ве­роятности нагрузки и плотность вероятности максимальных значений нагрузки в резуль­тате фиксирования в течение продолжительного отрезка времени максимальных нагрузок. Взаимное расположение указанных плот­ностей вероятностей показано на рис. 6.1.

Использование для расчетов надежности автоматических си­стем, плотностей вероятности нагрузок ni(Z) и (Zmax), соответ­ствует условию приложения к системе статических нагрузок.

 

Рекомендуемая литература для дополнительного чтения:

 

1. Надежность АСУ. Учеб. пособие для ВУЗов. / под ред. Я.А. Хетагурова. – М.: Высшая школа, 1979. – 287 с.

2. Курочкин Ю.А. Надежность и диагностирование цифровых устройств и систем. – М.: Энергоатомиздат, 1993. – 240 с.

3. Северцев Н.А. Надежность систем в эксплуатации и отработке. Учебник для ВУЗов. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 140 с.