Сравнение статистических методов испытаний надёжности РЭС Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 004.942

Костюков А.С., Бобъткин И.С., Никитин Л.Н. , Пирогов А.А.

ФГБОУ ВО «Воронежский Государственный технический университет», Воронеж, Россия СРАВНЕНИЕ СТАТИСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ИСПЫТАНИЙ НАДЁЖНОСТИ РЭС

В настоящее время существуют несколько способов определения надёжности, которые используются массово в производстве. Самыми распространенными считаются априорный и апостериорный анализы надёжности, а также метод граничных и матричных испытаний. В данной статье будет кратко изложено о каждом из методов определения надёжности. Каждый из выше перечисленных способов определения надёжности устройства имеет свои как достоинства, так и недостатки. Цель данной статьи сравнить все эти методы между собой и определить какой из них подходит для того или иного производства радиоэлектронных средств. Для этих целей были произведены эксперименты, благодаря которым и было произведено сравнение выше перечисленных методов. Полученные результаты представлены в конце статьи и описаны в выводе Ключевые слова:

АНАЛИЗ НАДЁЖНОСТИ, ГРАНИЧНЫЕ И МАТРИЧНЫЕ ИСПЫТАНИЯ

Введение. Исследования на надежность является важной частью проектирования радиоэлектронных средств (РЭС). В настоящие время существуют несколько наиболее распространенных способов определения надёжности РЭС [1]:

- априорный анализ надежности

- апостериорный анализ надёжности

- метод граничных и матричных испытаний.

Цель данной статьи сравнить эти методы между

собой, и выяснить их достоинства и недостатки. В настоящее время для первоначального расчёта надежности РЭС, которое только начали проектировать используют априорный анализ надежности. Данный вид анализа рассчитывается при помощи различный математических распределений, самым распространенным из которых является экспоненциальное распределение [1]. Для любого вида априорного анализа начальными данными для расчёта будут являться уже известные характеристики элементов. Достоинства априорного анализа заключаются в том, что можно оценить надёжность РЭС ещё на стадии проектирования изделия и при необходимости внести соответствующие изменения. Недостатки анализа заключаются в том, что для проведения данного расчёта необходимы уже известные характеристики.

Другим распространенным способом исследования надежности [1] является апостериорный анализ надёжности. Расчёт по данному виду анализа состоит в том, что первоначальными данными для расчёта являются данные полученные статистическим путём из экспериментов.

Точность данного анализа очень высока, но в связи с тем, что требуется обрабатывать большое количество статических данных, его трудоёмкость возрастает. К недостаткам данного способа анализа относится то, что для его реализации необходимо специальное оборудование, квалифицированные специалисты и большое количество времени на проведение самих испытаний и обработки полученных данных.

Также существует ещё один метод исследование надёжности, а именно метод граничных и матричных испытаний [2]. С помощью граничных испытаний можно определить область безотказной работы РЭС, предсказать место и время появления постепенного отказа элементов РЭС, а также можно сравнить запас надёжности элементов РЭС. В матричных испытания происходит определение параметров надёжности, благодаря которым можно оценить общую надёжность РЭС, как в априорном или же апостериорном анализе. Достоинства метода заключаются в том, что данный метод очень гибок, в нём можно определить много параметров, по которым оценивается надежность РЭС, что говорит, о высокой точности метода. Благодаря граничным испытаниям можно оценивать надёжность радиоэлементов РЭС, особенно это актуально для военной и космической техники, а также, если устройство используется новейшая элементная база. Также в отличие от апостериорного анализа, для граничных и матричных испытаний хватает единичного экземпляра РЭС, а не целой серии для проведения испытаний, что позволяет существенно экономить ресурсы при разработке новейшей радиотехники [2]. К недостаткам анализа можно отнести большую трудоёмкость, необходимость квалифицированного персонала, а также наличие специального оборудования, для проведения исследований.

Первый эксперимент по определению надёжности.

В качестве эксперимента произведём анализ надёжности амплитудного детектора (АД) с помощью экспоненциального распределения и с помощью метода матричных испытаний, полученные значения сравним и сделаем вывод.

Определим надёжность АД по экспоненциальному распределению, схема которого представлена на рисунке.

Рисунок 1

Схема электрическая принципиальная амплитудного детектора

Согласно этой схеме выход из строя одного из элементов приводит к выходу из строя всего устройства, поэтому для расчёта воспользуемся последовательной схемой [2]. Интенсивность отказа всего изделия рассчитывается согласно формуле (1):

= N • Яш + N • Скер + N • Л1Сзл + N • Яот + N • Я!га + N • Л;се + «^ш + «^гст (1)

где: N - количество элементов; Я^ - интенсивность

отказа всего изделия;

Я,

¡R

интенсивность отказа

резисторов;

Я,

■¡Скер " интенсивность отказа керами-

ческих конденсаторов

Л,с

интенсивность отказа

электролитических конденсаторов; ность отказа транзисторов; ÄivD

- интенсив-

- интенсивность

отказа диодов диодов; лей; Я[СТ

Л,

■¡дм

_с_ - интенсивность отказа свето-Ящ - интенсивность отказа переключате-- интенсивность отказа стабилитронов;

- ин-

Я

(Пай

интенсивность отказа трансформаторо тенсивность отказа пайки;

Интенсивность отказов радиоэлементов приведена в таблице 1 [3].

Рассчитаем интенсивность отказа всего изделия:

Я; = 6 • 0,03 + 3 • 0,1 + 1 • 0,035 + 2 • 0,5 + 0,2 + 0,8 + 0,7 + 0,5 + 0,816 + 1,04 + 45 • 0,004 = 5,751 • 10-6

Время наработки на отказ рассчитывается согласно формуле (2):

Т =-

1сР Я;

Рассчитаем время наработки на отказ:

(2)

Т =_1_

ср 1,3985 -Ю-6

= 0,174 • 106 = 1,74 • 105.

Теперь произведём расчет по методу матричных испытаний, для этого было проведёно исследование, а именно произведено 4 5 измерений выходных параметров АД. Измерения проводились каждые 5 мин, общее время работы амплитудного детектора за время исследования составило 3,75 часов, из 4 5 снятых характеристик 8 выходят за допустимые нормы, из полученных данных была составлена матрица испытаний, которая представлена ниже.

Я

Таблица 1

Интенсивность отказа радиоэлементов для АД

Название Количество шт. Интенсивность отказа 6часов

Резисторы 6 0,03

Конденсаторы (керамические) 3 0,1

Конденсаторы (электролитические) 1 0,035

Транзисторы 2 0,5

Диоды 1 0,2

Светодиоды 1 0,8

Переключатели 1 0,7

Стабилитроны 1 0,5

Диодные мосты 1 0,816

Трансформаторы 1 1,04

Пайка 45 0,004

Произведём расчёт боты АД [3]:

Р =

Рисунок 2 - Матрица испытаний вероятности безотказной ра-

Я = -

20

(4)

к-С

„ (3)

где: Я - общее число измерений; 0 - характеристики, которые выходят за допустимые нормы;

Подставив соответствующие значения, получаем:

Р = ^ = 0,82.

45

Далее произведём расчёт общей отказов амплитудного детектора:

интенсивности

(К+(К-С))Собщ

где: -ибщ - общее число измерений; Соответственно получаем:

Я =--= 5,2 • 10-6.

(45+(45-8))-3,75

Далее рассчитаем время наработки на отказ согласно формуле (2):

Тср = —Цг = 1,92 • 105.

ср 5.2-10-6

Далее составим таблицу для сравнения полученных данных.

Таблица 2

Сравнение полученных данных расчёта АД

Экспоненциальное распределение Метод матричных испытаний

Вероятность без отказной работы Р 0,82

Интенсивность отказов А 5,751- 10-6 5,2- 10-6

Время наработки на отказ Тср 1,74 • 105 1,92 • 105

Анализируя результаты, приведенные в таблице 2 можно сделать вывод, что определение надёжности с помощью метода матричных испытаний показывает более точный результат, чем метод расчета надёжности по экспоненциальному распределению, если сравнивать оба метода относительно времени наработки на отказ.

Второй эксперимент по определению надёжности.

Проведём повторный эксперимент для конкретизации полученных выше данных, для этого определим надёжность другого устройства. В качестве подопытного образца был выбран преобразователь напряжения (ПН), схема электрическая принципиальная которого представлена на рисунке 3.

Определим надёжность ПН по экспоненциальному распределению, так, для расчёта надёжности воспользуемся последовательной схемой расчета. Для чего рассчитаем интенсивность отказов всего изделия согласно формуле:

Я; = N • Яш + N • Я!С + N • Яот + N • Я!га + N • Я!СВ + N • ¿¡ст + N • Яш + N • Я!Тр + N • ЯШай (5) где: N - количество элементов; Я^ - интенсивность отказа всего изделия; Яш - интенсивность отказа резисторов; Я!с - интенсивность отказа конденсаторов; Яот - интенсивность отказа транзисторов; Лто - интенсивность отказа диодов; Я!СВ - интен-

- интенсивность

сивность отказа светодиодов; Я!с

отказа стабилизаторов напряжения; сивность отказа микросхемы; А отказа трансформаторов; ЯШай каза пайки;

¡Тр - интенсивность интенсивность от-

Рисунок 3 - Схема электрическая принципиальная преобразователя напряжения

Интенсивность отказов радиоэлементов приведена в таблице 3 [3]:

Таблица 3

Интенсивность отказа радиоэлементов для ПН

Название Количество шт. Интенсивность отказа 6часов

Резисторы 20 0,03

Конденсаторы 6 0,035

Транзисторы 9 0,5

Диоды 1 0,2

Светодиоды 1 0,8

Стабилизаторы напряжения 1 0,5

Микросхемы 1 0,21

Трансформаторы 1 1,04

Пайка 99 0,004

Яш - интен-

Рассчитаем интенсивность отказов всего изделия:

Я; = 20 • 0,03 + 6 • 0,035 + 9 • 0,5 + 0,2 + 2 • 0,8 + 0,5 + 0,21 + 1,04 + 99 • 0,004 = 9,256 • 10-6

Время наработки на отказ будет рассчитано согласно формуле (2):

Т =-^-

СР 9,256-Ю-6

= 0,108 • 106 = 1,08 • 105,

Рисунок 4 - Матрица испытаний

Далее как в предыдущем опыте рассчитаем надёжность устройства с помощь матричного метода. Для этого, как и в прошлый раз был проведён

опыт, условия которого такие же, так из 45 снятых характеристик 13 выходят за допустимые нормы, из полученных данных была составлена матрица испытаний рисунок 4.

Произведём расчёт вероятности безотказной работы согласно формуле (3):

45-13

р =45_13 = 0,711,

45

Теперь рассчитаем общую интенсивность отказов (4):

Я = -

2-13

(45+(45-13))-3,75

= 9,004 • 10-

В конце произведём расчёт времени наработки на отказ по формуле (2):

1

Т = -

ср 9.004-10-6

-= 1,11 •Ю5,

9.UU4-1U 6

Из полученных данных сравнения:

составим таблицу для

Таблица 4

Сравнение полученных данных расчёта ПН

Экспоненциальное распределение Метод матричных испытаний

Вероятность без отказной работы Р 0,711

Интенсивность отказов А 9,256 • 10-6 9,004 • 10-6

Время наработки на отказ Тср 1,08 • 105 1,11 • 105

Анализируя таблицы 2 и 4 можно прийти к выводу, что определение надёжности с помощью метода матричных испытаний показывает более точный результат, чем метод расчета надёжности по экспоненциальному распределению, если сравнивать оба метода относительно времени наработки на отказ Тср. Данное утверждение подтверждается как при определении надёжности амплитудного детектора, так и при определении надёжности преобразователя напряжения.

Заключение. Как видно из анализа расчёта устройств метод граничных и матричных испытаний является перспективным способом исследования надёжности. Он обладает, гибкостью и объемным охватом исследований характеристики надёжности, а также необходимой точностью полученных данных.

ЛИТЕРАТУРА

1. Матвеевский В.Р. Надёжность технических систем: учебное пособие / В.Р. Матвеевский. - М.: Московский государственный институт электроники и математики, 2002. - 113 с.

2. Никитин Л.Н. Испытания, контроль и диагностика радиоэлектронной аппаратуры / Л.Н. Никитин. -Воронеж: ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет", 2009. - 252 с.

3. Средства инженерного анализа конструкций радиоэлектронных модулей третьего уровня / С.Ю. Белецкая, П.В. Иевлев, А.В. Муратов, Т.Л. Тураева, А.В. Турецкий, Ю.В. Худяков // Труды международного симпозиума надёжность и качество, Издательство: Пензенский государственный университет (Пенза). 2017. Т.2. С. 82-85.

4. Исследование возможности определения вероятности безотказной работы распределительной системы наблюдения с учётом деградации / А.П. Журков, С.С. Мирошниченко, А.К. Матвиенко, А.А. Демин // Труды международного симпозиума надёжность и качество, Издательство: Пензенский государственный университет (Пенза). 2017. Т.2. С. 41-42.

УДК 681.518

Волошин Е.В., Кузнецов Р.С., Чипулис В.П.

ФГБУН Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук, Владивосток, Россия

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИБОРНОГО УЧЕТА И РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

Предложен метод количественной оценки эффективности регулирования теплоснабжения с использованием регрессионного анализа. Описан подход адекватной оценки энергосбережения, основанный на сравнении двух моделей теплопотребления здания соответствующих разным режимам регулирования теплоснабжения. Разработаны программные средства анализа режимов погодного регулирования и контроля эффективности функционирования контроллеров отопления для поддержки принятия решений при настройке систем автоматического регулирования теплоснабжения

Ключевые слова:

ТЕПЛОСЧЁТЧИК, ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ, ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ, ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА, ТЕПЛОВАЯ ЭНЕРГИЯ, РЕГУЛЯТОР ОТОПЛЕНИЯ

Введение

Одной из стратегических задач в настоящее время является повышение эффективности производства, передачи и потребления энергоресурсов, в частности, тепловой энергии и теплоносителей. В последние годы наблюдается прогрессирующий процесс установки систем тепловой автоматики, обеспечивающей регулирование, направленное на экономию тепловой энергии и/или горячей воды [1]. Выделяют два принципиально различных способа регулирования теплоснабжения - количественный и качественный [2]. В системах централизованного теплоснабжения в нашей стране используется качественный способ регулирования, при котором отпуск теплоты на источнике осуществляется путем изменения температуры теплоносителя подаваемого в теплосеть. При этом расход теплоносителя в тепловом узле каждого потребителя должен оставаться постоянным в течение всего отопительного сезона. Однако качественный способ регулирования

осуществляется для всей теплосети и не учитывает тепловой режим каждого потребителя в отдельности. Помимо этого он выполняется зачастую со значительными отклонениями от нормы, что связано как с занижением температуры теплоносителя в холодное время года, так и с ее превышением в периоды межсезонья. В результате потребители устанавливают автоматику на своих индивидуальных тепловых пунктах, совмещая качественное централизованное и количественное местное регулирование.

Объект исследования

Объектом исследования является здание, на тепловом узле которого установлен прибор учёта (теплосчетчик, ТС) с системой автоматического регулирования (САР) теплоснабжения. В состав САР входит: регулирующий клапан с электроприводом РКЭ, циркуляционные насосы НС и контроллер отопления КР. КР предназначен для погодного регулирования поступающей в здание тепловой энергии,