CC BY
305
ОЦЕНКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
Карапузов Михаил Александрович,
магистрант 2-го года обучения, Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики", Москва, Россия, makarapuzov_1@edu.hse.ru
ПолесскийСергей Николаевич,
доцент, к.т.н.,
Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики", Москва, Россия, spolessky@hse.ru
Иванов Илья Александрович,
ст.преподаватель, к.т.н., Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики", Москва, Россия, i.ivanov@hse.ru
Королев Павел Сергеевич,
студент 4-го курса,
Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики", Москва, Россия, domopavel@rambler.ru
Ключевые слова: надежность, долговечность, радиоэлектронное устройство, электронная компонентная база, гамма-процентный ресурс, средний ресурс, срок службы.
Данное научное исследование (№15-05-0029) выполнено при поддержке Программы "Научный фонд НИУ ВШЭ" в 2015 г.
Согласно действующим стандартам в области надежности долговечность - это суммарная наработка объекта от начала его эксплуатации или ее возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние. В свою очередь, предельным состоянием является состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна, либо восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно и критерием этого состояния выступает признак или совокупность признаков предельного состояния объекта, установленные нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документацией. Работоспособное состояние электронной компонентной базы радиоэлектронных устройств определяется значением всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, когда они соответствуют требованиям нормативно-технической документации (или техническим условиям).
Рассматриваются вопросы задания показателей долговечности, критерия предельного состояния электронной компонентной базы для невосстанавливаемых и восстанавливаемых технических средств в соответствии с существующими стандартами в области надежности. Приводится анализ принципов назначения ресурса. Также предложена методика прогнозирования долговечности электронной компонентной базы, позволяющая сформировать исходные требования и провести расчет гамма-процентного ресурса отдельных электроради-оизделий радиоэлектронного устройства в зависимости от условий эксплуатации. Применение предложенной методики позволяет повысить достоверность рассчитываемых показателей долговечности за счет уточнения исходных данных и учета индивидуальных особенностей применения и эксплуатации как радиоэлектронных устройств в целом, так и составных частей, вплоть до электрорадиоизделий, в отдельности.
Для цитирования:
Карапузов М.А., Полесский С.Н., Иванов И.А., Королев П.С. Оценка показателей долговечности радиоэлектронных устройств //
T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2015. - Том 9. - №7. - С. 36-40.
For citation:
Karapuzov M.A., Polesskiy S.N., Ivanov I.A., Korolev P.S. Estimation of durability indices of electronic devices. T-Comm. 2015. Vol 9. No.7,
рр. 36-40. (in Russian).
■
T-Comm Том 9. #7-2015
Долговечность - это суммарная наработка объекта от начала его эксплуатации или ее возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние [I, 9]. В свою очередь, предельным состоянием радиоэлектронных устройств {РЭУ) называется состояние, при котором их дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна, либо восстановление их работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно и критерием этого состояния выступает признак или совокупность признаков предельного состояния объекта, установленные нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документацией. Работоспособное состояние РЭУ определяется значением всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, когда они соответствуют требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.
К показателям долговечности относятся [6, 9]: гамма-процентный ресурс, средний ресурс, гамма-процентный срок службы, средний срок службы. Гамма-процентный ресурс - это суммарная наработка, в течение которой РЭУ не достигнет предельного состояния с вероятностью у, выраженной в процентах. Средний ресурс - это математическое ожидание ресурса, где ресурс - это суммарная наработка РЭУ от начала его эксплуатации или ее возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние. Гамма-процентный срок службы - это календарная продолжительность эксплуатации, в течение которой РЭУ не достигнет предельного состояния с вероятностью у, выраженной в процентах. Средний срок службы - это математическое ожидание срока службы, где срок службы - это календарная продолжительность эксплуатации от начала эксплуатации РЭУ или ее возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние. Показатели долговечности, отсчитываемые от ввода объекта в эксплуатацию до окончательного снятия с эксплуатации, называются гамма-процентный полный ресурс (срок службы), средний полный ресурс (срок службы).
Также существует нормативный документ, регламентирующий правила задания предельных состояний РЭУ и который гласит [8]:
а) Категории отказов и предельных состояний устанавливают с целью однозначного понимания технического состояния РЭУ при задании требований по надежности, испытаниях и эксплуатации. Определения критериев отказов и предельных состояний должны быть четкими, конкретными, не допускающими неоднозначного толкования. Критерии предельных состояний должны содержать указания на следствия, наступающие после их обнаружения (отправку РЭУ в ремонт определенного вида или списание).
б) Критерии отказов и предельных состояний должны обеспечивать простоту обнаружения факта отказа или перехода в предельное состояние визуальным путем или с помощью предусмотренных средств технического диагностирования (контроля технического состояния).
в) Критерии отказов и предельных состояний должны устанавливаться в той документации, в которой приведены значения показателей надежности.
В таблице 1 приведены показатели, которые необходимо задавать при проектировании РЭУ, исходя из возможности ремонта и последствий достижения средствами своих предельных состояний.
Таблица I
Выбор номенклатуры показателей долговечности РЭУ
Классификация РЭУ по признакам, определяющим выбор показателей
Возможные последствия перехода в предельное состояние Основной процесс, определяющий переход в предельное состояние Возможность и способ восстановления технического ресурса (срока службы)
Неремонти-руемые Ремонтируемые обезличенным способом Ремонтируемые необезличенным способом
1 2 3 4 5
Переход в предельное состояние при применении по назначению может привести к катастрофическим последствиям (контроль технического состояния возможен) Изнашивание Тр '1а Те Тч. Ту ; Ту рГсп р?к.р
Старение Т
Изнашивание и старение одновременно ^рТе** ■ елЯсп ^р'Гир' "^аГч, г. • т - р/сп* рУк-р1 т - т си Теп* слЛср
Переход е предельное состояние при применении по назначению не ведет к катастрофическим последствиям Изнашивание р. 1> со Р- ср. Я-Р р. ср. сяэ
Старение т сп_ ср. СП Г С-1 ::> ' 1> СЛ. ср, СП*
Изнашивание и старение одновременно Т ; Т р ср. СП СЛ— ср. СП ^р. ср. * 'СП ер. £р Т р. ср. СП р. ср. *.р СЛ.. Ср. СП сл. ср, *-р
Основной сложностью, с которой сталкиваются при прогнозировании долговечности - это задания критерия предельного состояния, так в приложении 6 нормативного документа [8] предложены примеры задания типичных критериев предельного состояния:
- отказ одной или нескольких составных частей, восстановление или замена которых на месте эксплуатации не предусмотрена эксплуатационной документацией (должна выполняться в ремонтных органах);
- механический износ ответственных деталей (узлов) или снижение физических, химических, электрических свойств материалов до предельно допустимого уровня;
- снижение наработки на отказ (повышение интенсивности отказов) РЭУ ниже (выше) допустимого уровня;
- превышение установленного уровня текущих (суммарных) затрат на техническое обслуживание и ремонты или другие признаки, определяющие экономическую нецелесообразность дальнейшей эксплуатации.
Показатели долговечности имеют в настоящее время двойное значение [3]. Во-первых, это техническая характеристика РЭУ, которая характеризует время возможного наступления предельного состояния РЭУ, Во-вторых, показатели долговечности являются юридическими и коммерческими характеристиками, в пределах которых соответствующими законодательными документами [4, 5] определена ответственность изготовителя. Этими двумя обстоятельствами и определяются необходимые подходы
Т-Сотт Уо!.9. #7-2015
при решении задач по оценке показателей долговечности расчетными методами.
Ниже представлена унифицированная методика прогнозирования показателей долговечности (ресурса) с учетом условий эксплуатации РЭУ {см. рис. I).
Рассматривая приведенные в [3] выражения для количественной оценки показателей долговечности используем понятие уровня недостаточности ресурса - Уиг, значение которого определяется по следующей формуле:
у„ = -Ц^), (I)
где К™ - требуемое значение коэффициента готовности.
По данным из выше приведённого примера, значение У„,, = 0,0253178.
При условии постоянства интенсивности отказов (Д=сопк1) и ряда математических преобразований [3], конечная формула Уцр выглядит следующим образом:
(2)
Рис. I. Методика прогнозирования показателей долговечности (ресурса) РЭУ
На стадии проектирования основным расчетным методом, по которому проводиться оценка выполнения требований к показателям долговечности РЭУ (см. рис. I, блок А1), является сопоставление значений, требуемых и установленных для материалов, электронная компонентная база (ЭКБ), готовых комплектующих. Окончательная проверка выполнения требований по долговечности проводиться по результатам соответствующих испытаний. Разработка рекомендаций по установлению количественных значений показателей долговечности может быть проведена расчетом с использованием либо экономического критерия, либо с использованием в качестве критерия ожидаемых значений по коэффициенту готовности для восстанавливаемых РЭУ или вероятности безотказной работы за время эксплуатации для невосстанавливаемых.
Расчет допустимых значений показателей долговечности может быть проведен по критерию безотказности, когда в процессе эксплуатации контролируемые составные части (электронная компонентная база) в случае их отказа могут быть восстановлены или возможна полная их замена на новые. В этом случае, в качестве одного из критериев для оценки возможности выполнения требований по долговечности применяется верхнее значение коэффициента готовности. Требуемое значение величины параметра ресурса для восстанавливаемых РЭУ (см. табл. I столбцы 4 и 5) определяется исходя из расчетов коэффициента готовности или на основании требований технического задания (ТЗ) (см, рис. I, блок А1).
Например, для восстанавливаемых РЭУ в соответствии с [9], задают следующие требования по надежности: «Надёжность РЭУ в условиях и режимах эксплуатации, установленных в ТЗ, характеризуется следующими показателями:
- коэффициентом готовности для всех уровней, равным 0,975;
- средним временем восстановления - не более 0,5 часа;
- средним ресурсом - не менее 50000 часов;
- средним сроком службы - не менее 5 лет;
- средним сроком сохраняемости - не менее 1,5 года»
где; т - тип ресурса в зависимости от условий эксплуатации; у - коэффициент полноты контроля; Тр, — значения /-ого типа ресурса; /.¡- интенсивность отказов при использовании 1-го вида ресурса.
Следует отметить, что формула (2) справедлива при условии независимости скоростей расходования ресурса в различных условиях эксплуатации.
Для определенности примем, что имеется один ресурса в конкретных условиях эксплуатации, значение у не превышает 0,5 и Яг=20-1I/ч. Тогда используя формулу (2) и значение У,!Г равное 0,0253178, получаем значение расчетное ресурса 7);/ =2531,84 ч, которое существенно ниже заданного в ТЗ значения. Выходом из этой ситуации является либо изменение коэффициента полноты контроля, либо уменьшение интенсивности отказов (т.е. увеличению уровня безотказности).
На рисунке 2 приведены результаты моделирования коэффициента полноты контроля при фиксированном значении А,. Анализ графика показал, что для обеспечения требуемого уровня среднего ресурса, равного 50000 ч, необходимо принять значение коэффициента полноты контроля РЭУ не менее 0,975.
О OLI 0.J 0.3 0.4 O.S 0.G ..' 0.5 0.9 0.ÏI 0.И О.Н ÍL9Í 0.96 OiftS О.Н 0.99 Копфф Еинент полнот и ко ht pal к. ont. pq.
Рис. 2. График зависимости ресурса от изменения коэффициента полноты контроля при фиксированном значении интенсивности отказов
Аналогичным образом проводиться исследование требований показателей долговечности для невосстанавли-ваемых РЭУ, но в качестве требуемого показателя безотказности используется вероятность безотказной работы за время эксплуатации [3].
При определении возможности установления тех или иных значений показателей долговечности используются данные, приведенные в паспортах или технических условиях на применяемые в составе РЭУ материалы, комплектующие элементы, готовые изделия, а также материалы по эксплуатации устройств-аналогов (см, рис. I, блок А1).
К сожалению, некоторые значения, указываемые в технических условиях, не учитывают особенности эксплуатации РЭУ, Наглядным примером может послужить оценка гамма-процентного ресурса Тр, у элемента. Необходимо еще на этапе проектирования анализировать зависимость ресурса РЭУ от жесткости условий эксплуатации. Продемонстрируем данную зависимость на примере одного элемента, входящего в состав многих РЭУ, трансформатора.
Так как задача расчета ресурса ставится для конкретного перечня элементов, входящего в состав проектируемого РЭУ, то для каждого электрорадиоизделия (ЭРИ) определяется из технических условий (ТУ) показатели надежности, а именно минимальная наработка Т„л, и (или) гамма-процентный ресурс Тм. Часто в ТУ не указывают значение Трф поэтому возникает необходимость обращения к справочнику [7]. По виду и типу ЭРИ в таблице «Характеристика надежности и справочные данные отдельных типов электрорадиоизделий» проводится поиск значения Тр). и уточняется минимальная наработка Т„Л1,
Следующим этапом (см, рис. I, блок А2) является расчет коэффициента перехода К„ер , который показывает зависимость минимальной наработки элемента Т„м от гамма-процентного ресурса Тру\
(3)
Так как нас интересует расчет гамма-процентного ресурса с учетом особенностей условий эксплуатации элемента, то непосредственное влияние можно оценить за счет использования формулы оценки эксплуатационная интенсивность отказов
л, = 4,-кгкгк„г, (4)
где: - интенсивность отказов, 1/ч.; К, ~ коэффициент, учитывающий влияние изменение температуры окружающей среды (корпуса); К, - коэффициент жесткости условий эксплуатации. К,,? - коэффициент приемки (уровень качества изготовления элемента).
Для определения критических коэффициентов модель (4) рассмотрим более подробно (см. рис. I, блок АЗ). Эксплуатационная интенсивность отказов А, принимает разные значение в зависимости от группы эксплуатации (Кэ). Поправочные коэффициенты модели безотказности, такие как К, и К„р принимают фиксированные значения, взятые из справочника «Надежность ЭРИ» [7]. Как показывает анализ, значительный вклад в значение Я, вносит коэффициент жесткости условий эксплуатации К, - он не может быть постоянным в зависимости группы эксплуатации, поэтому берем значения для каждой группы индивидуальное [7]. Из выражения (3) нетрудно выразить Тру,
При этом согласно [2]:
т _ 0,001
(6)
Исходя из выражений (3) - (6) получим выражение для расчета показателей гамма-процентного ресурса (см. рис. I, блок А4):
0,001 • К
т =_^__(7}
г-:" ] V ж жг У/
%"ЛГЛз) "
Формула (7) позволяет оценить гамма-процентный ресурс Т„7ЭР\Л от условий применения.
Переход от гамма-процентного ресурса Тру к сроку службы ТСс имеет следующий вид:
Т.,- = ■
К,п ■ 8760
(8)
где: - коэффициент интенсивности эксплуатации.
Для проверки достоверности методики и необходимости учета условий применения РЭУ и ЭКБ, был рассмотрен пример расчета гамма-процентного ресурса трансформатора импульсного типа «БТИ I- 5».
Согласно справочнику [7], Тнм = 15 тыс, ч„ а Тру — 33 тыс. ч. с пометкой «», что означает подтверждение по результатам проведенных испытаний. Отсюда следует по выражению (3), что Кш,п = 2,2.
Значения Трг для исследуемого класса ЭРИ, полученные по (7) приведены в табл. 2 (расчет проведен в предельных режимах: температура корпуса /,„=85 "С, с учетом значения перегрева 95-105 "С).
Таблица 2
Зависимость гамма-процентного ресурса Тм от условий эксплуатации К,
ъ м Группа эксплуатации Соответствие оси абсцисс (см. рис. 3) К,
366400 1.1 1 1
183200 1,2 2 2
73280 1.3-1.10 3 5
73280 2.1.1, 2.1.2, 2.3.1, 2.3.2 4 5
61070 2.1.3, 2.3.3 5 6
52350 2.1.5, 2.3.5 6 7
40710 2.2, 2.4, 2.1.4, 2,3.4 7 9
24430 3.1 8 15
36640 3.2 9 10
16660 3.3, 3.4 10 22
14660 4,1-4.9 (в условиях запуска) 11 25
52350 4.1-4.9 (в условиях свободного полета) 12 7
36640 4.6 (в условиях бреющего полета) 13 10
366400 5.1, 5.2 14 1
91610 5.3, 5.4 15 4
График зависимости гамма-процентного ресурса Тру от коэффициента жесткости условий эксплуатации К, для каждой группы показан на рис. 3.
Анализ табл. 2 и рис. 3 позволяет выявить недостаток справочных данных [7], а именно отсутствие данных о гамма-процентном ресурсе для каждой группы эксплуатации. Так для условий эксплуатации в герметизированном отсеке космического аппарата (точка 14, см. табл. 2 и
рис. 3) гамма-процентный ресурс отличается почти в 11,1 раза, что говорит о необходимости учета конкретных условий применения (температуры окружающей среды, коэффициента электрической нагрузки, атмосферном давлении и др.).
Рис, 3. График зависимости Трг от Кс учетом (I), без учета (2)
Это приводит к получению недостоверных данных о прогнозировании показателей долговечности всего РЭУ и необходимости принятия серьезных мер по обеспечению показателей надежности, такие как: выбора новой элементной базы; схемотехнические решения, уменьшения временного графика работы, использования высокого
уровня качества элементов и др. - это можно избежать, если использовать уточненных подход для оценки показателей долговечности (см, рис. I).
Литература
1. Беляев Ю.К., Бегать/рее В А, Болотин В.В. и др. Надежность технических систем: справочник под ред. И.А, Ушакова. -М.: Радио и связь, 1985. - 608 с.
2. Жадное В.В. Расчетная оценка показателей долговечности электронных средств космических аппаратов и систем // Надежность и качество сложных систем. 2013. № 2. С. 65-73.
3. Животкевич И.Н., Смирнов А.П. Надежность технических изделий. - М.: Институт испытаний и сертификации вооружений и военной техники, 2004. - 472 с,
4. Закон Российской Федерации от 07.02.1992 "О защите прав потребителей", N 2300-1.
5. Закон Российской Федерации от 26.01.1996, "Гражданский кодекс Российской Федерации. Часть Вторая" N 14-ФЗ (в ред. Федеральных законов от 12.08.1996 N I 10-ФЗ, от 24.10.1997 N 1ЭЗ-ФЗ, от 17.12.1999 N213-03).
6. Острейковский В.А. Теория надежности: Учеб. для вузов/В. А, Острейковский. - М.: Высш. шк., 2003, - 463 с.
7. Справочник «Надежность ЭРИ». - М.: МО РФ, 2006. - 641 с.
8. Яхьяев Н.Я., Кораблин А.В. Основы теории надежности и диагностика: Учебник для студ высш. учеб. заведений, - М.: Издательский центр Академия, 2009. - 256 с.
9. IEC 60050 (191): 1990-12 «Dependability and quality of service», (NEQ). Дата обращения 24.02.2015. [Эпектронный ресурс]: URL: http://www .el ectropedia.org/iev/iev.nsf/ind ex ?а pen fa rm&part= 191.
ESTIMATION OF DURABILITY INDICES OF ELECTRONIC DEVICES
Karapuzov Mikhail Aleksandrovich, National Research University Higher School of Economics, graduate student of the 2nd year of study, Mosocow, Russia,
makarapuzov_l@edu.hse.ru
Polesskiy Sergey Nikolaevich, National Research University Higher School of Economics, associate professor, Ph.D., Mosocow, Russia, spolessky@hse.ru Ivanov Ilya Aleksandrovich, National Research University Higher School of Economics, senior lecturer, Ph.D., Mosocow, Russia, i.ivanov@hse.ru Korolev Pavel Sergeevich, National Research University Higher School of Economics, student, Mosocow, Russia, domopavel@rambler.ru
Abstract. According to the present standards in the field of reliability, durability - is the total operating time of the object from the beginning of its operation or its resumption after repairs before moving to limit state. In turn, the ultimate state is the state of the object at which its continued operation is unacceptable or impractical, or restoration of its operating condition is impossible or impractical, and the criterion of this state stands feature or combination of features of the limit state of the object, set the technical and (or) design ( design) documentation. Usable state electronic component base of radio-electronic devices is determined by the value of all parameters characterizing the ability to perform specified functions, when they meet the requirements of the technical documentation (or technical requirements). The paper dwells on the issues with the task durability indices, limit state criteria of electronic component base for recoverable and non-recoverable technical means in accordance with existing standards of reliability. The paper shows the analysis of principles of resource allocation. Also the report offers the prediction technique of electronic component base durability, which permits to form base requirements and to carry out calculation of gamma-percentile life of separate radio-electronic devices depending on maintenance conditions. Application of offered method allows to increase the reliability of calculated indices of durability due to the specification of basic data and taking into account individual features of using and exploitation both electronic means in whole and component parts, right up to the radio-electronic devices taken separately. This study (research grant No 15-05-0029) was supported by The National Research University-Higher School of Economics' Academic Fund Program in 2015. Keywords: reliability, durability, radio-electronic device, electronic component base, gamma-percentile life, mean resource, service life. References
1. Beljaev, Ju & Bogatyrev, V & Bolotin, V 1985, Nadezhnost tehnicheskih sistem: spravochnik, Radio i svjaz', pp. 608. [in Russian]
2. Zhadnov, V 2013, Raschetnaja ocenka pokazatelej dolgovechnosti jelektronnyh sredstv kosmicheskih apparatov i system, Nadezhnost' i kachestvo slozh-nyh system. no. 2, pp. 65-73. [in Russian]
3. Zhivotkevich, I & Smirnov, A 2004, Nadezhnost' tehnicheskih izdelij, Institut ispytanij i sertifikacii vooruzhenij i voennoj tehniki, pp. 472. [in Russian]
4. Zakon Rossijskoj Federacii ot 07.02.1992 "O zashhite prav potrebitelej", N 2300-1. [in Russian]
5. Zakon Rossijskoj Federacii ot 26.01.1996. "Grazhdanskij kodeks Rossijskoj Federacii. Chast' Vtoraja" N 14-FZ (v red. Federal'nyh zakonov ot 12.08.1996 N 110-FZ, ot 24.10.1997 N 133-FZ, ot 17.12.1999 N213-03). [in Russian]
6. Ostrejkovskij, V 2003, Teorija nadezhnosti: Ucheb. dlja vuzov, Vyssh. shk., p. 463. [in Russian]
7. Spravochnik "Nadezhnost' JeRI", MO RF, 2006, pp. 641. [in Russian]
8. Jahjaev, N & Korablin, A 2009, Osnovy teorii nadezhnosti i diagnostika: Uchebnik dlja stud. vyssh. ucheb. zavedenij, Izdatel'skij centr Akademija, pp. 256. [in Russian]
9. IEC 60050 (191): 1990-12 "Dependability and quality of service", (NEQ), viewed 24.02.2015, http://www.electropedia.org/iev/iev.nsf/ index?openform&part=l9l.
T-Comm Том 9. #7-2015
