CC BY
81
Влияние внешних воздействующих факторов на долговечность СВЧ-устройств
Ключевые слова: надежность, безотказность, долговечность, СВЧ-устройства, интенсивность отказов, ресурс
Рассматриваются методы повышения точности расчетов показателей безотказности и долговечности СВЧ-устройств, которые широко применяются как в бытовых приборах, так и в современных приборах и системах космической техники. Очевидно, что работоспособность таких СВЧ-устройств чрезвычайно важна, так как их отказ ведет отказу радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) в целом. Особенностью СВЧ-устройств является то, что в их состав входит большое количество конструктивных (механических) компонентов. При оценке показателей надежности РЭА учитывают только электронную компонентную базу, принимая все конструктивные (механические) компоненты высоконадежными, практически не влияющими величины показателей безотказности, долговечности и сохраняемости. В опровержение этого приведен пример расчета показателей надежности СВЧ-коммутатора и обоснована необходимость учета механических компонентов и временных графиков работы.
Карапузов М.А.,
НИУ ВШЭ МИЭМ магистрант кафедры "Информационные технологии и автоматизированные системы", факультет "Информационных технологий и вычислительной техники", makarapuzov_l@edu.hse.ru
Полесский С.Н.,
НИУ ВШЭ МИЭМ, к.т.н., доцент кафедры "Информационные технологии и автоматизированные системы", факультет "Информационных технологий и вычислительной техники', spolessky@hse.ru
Жаднов В.В., НИУ ВШЭ МИЭМ, к.т.н., профессор кафедры
"Радиоэлектроники и телекоммуникации",
факультет "Электроники и телекоммуникации", vzhadnov@hse.ru
Данное научное исследование (№ проекта 14-05-0038) выполнено при поддержке Программы «Научный фонд НИУ ВШЭ» в 2014 г. СВЧ-устройства широко применяются как в бытовых приборах, так и в современных приборах и системах космической техники. Очевидно, что работоспособность таких СВЧ-устройств чрезвычайно важна, так как их отказ ведет отказу бортовой аппаратуры в целом. Особенностью СВЧ-устройств является то, что в их состав входит большое количество конструктивных (механических) компонентов.
Виеырйниы ЧСС1
МеЛШМЧССКПН
50
зз
54
©©©(5)®®©
Рис. I. Дерево отказов коммутатора: I - СВЧ-коммутатор неработоспособен; 3 - нет обработки сигнала; 4 - нарушение крепления н герметизации; 6 - нет сигнала на и коде цени; 7 - нет обработки сигнала в платах; К - нет сигнала на выходе; 10 - нет сигнала на входе № !; I! - нет сигнала на входе №2; 13 - отказ XVI; 14 - отказ хи'); 15 - выгорание вентиля IV I; 16 - ныгорание разъема Х\У1; 18 - отказ \У2; 19 - отказ Х\У2; 20 - выгорание вентиля \У2; 21 - выгорание
разъема Х1У2; 23 - отсутствие питания диода платы ХЫ1; 24 - отсутствие питания диода платы ХМ2; 25 - отказ одною из диодов \'Ш-УШ; 26 отказ одного из диодов УШ-УШ; 28 - нет сигнала на мостах ХШ, ХМ9; 24 - отказ выходов изделия; 31 - отсутствие сигнала моста ХМ 8; 32 -отсутствие сигнала моста ХМ9; 34 - повреждение токоведуших дорожек моста ХЫ8; 35 - повреждение токоведущих дорожек моста ХЫ9; 37 - отказ выходных разъемов ХМУЗ-Х\У5; 38 отказ циркуля тора \УЗ; 40 выгорание циркулятора 41 - отказ разъема Х\УЗ; 42 - отказ разъема Х\У4; 43 - отказ разъема Х\У5; 44 - выгорание разъема ЗПУЗ; 45 - выгорание разъема XW4; 46 - выгорание разъема Х^А^; 48 отказ винтов крепления вентилей \У2; 49 - отказ паяного соединения перемычек плат ХМI, ХЫ2; 50 - отказ сварного соединения перемычек плат Х№>; 51 - отказ заглушки; 52 - отказ клеевого соединения плат ХМ4, ХЫ6; 53 - отказ винтов крышки; 54 — отказ прокладки крышки; 55 - ослабление крепления вентилей 1^2; 56 - разрушение паяного соединения перемычек плат ХМ I. ХЫ2; 57 - разрушение отказ сварного соединения перемычек плат ХМ5, ХЫ6; 58 - деформация заглушки; 59 - отслоение пленки клея н соединении плат ХМ4, ХМ; 60 - ослабление крепления крышки; 61 - деформация прокладки крышки.
При оценке показателей надежности радиоэлектронной аппаратуры учитывают только электронную компонентную базу, принимая все конструктивные (механические) компоненты высоконадежными, практически не влияющими величины показателей безотказности, долговечности и сохраняемости. Рассмотрим в качестве примера С ВЧ-коммутатор, который входит в состав бортовой радиоэлектронной аппаратуры космической техники. Для расчета показателей безотказности было построено дерево отказов (рис. 1).
Как видно из рисунка 1, работоспособность СВЧ-коммутатора зависит как от отказа электронной части (событие 3), так и от отказа механической части (событие 4).
Для оценки степени влияния механической части на показатели безотказности СВЧ-коммутатора проведен расчет ин-тенсивностей отказов с помощью программного комплекса АСОНИКА-К [4], результаты которого приведены на рис. 2.
Рис. 2. Интенсивности отказов электронной и механической части С Г) Ч-коммутатора
Как видно из рисунка 2 механическая часть имеет лаже большую интенсивность отказов, чем электронная, что подтверждает необходимость учета механических элементов при расчетах показателей безотказности СВЧ-устройств.
Теперь рассмотрим, как влияют механические элементы СВЧ-коммутатора на его показатели долговечности, например, гамма-процентный ресурс.
'Значения гамма-процентного ресурса для предельных и облегченных условий эксплуатации приведены в ТУ на компоненты. Методы оценки значений гамма-процентного ресурса приведены в ОСТ 4Г0.012.013 [1]. Однако в этих методах временной график работы изделия учитывается весьма приближенно (с помощью коэффициента эффективности эксплуатации), который учитывает только два режима применения «работа» - «ожидание», в то время как реальная аппаратура до запуска в космос проходит различные проверки на земле, транспортируется к месту запуска, хранится и т.д. Поэтому при оценке значения гамма-процентного ресурса необходимо учитывать неравномерность расходования ресурса в зависимости от режимов применения.
Одним из возможных путей решения этой задачи является использование нормировки ресурса относительно одного, предварительно выбранного режима применения (для определенности назовем его «ресурс при нормальных условиях» — Триу). В результате такой нормировки можно получить коэффициент пропорциональности расходования ресурса К(Тг)" дчя Тр.,., он будет равен единице, для более легких
условий применения этот коэффициент будет строго больше единицы, для более жестких условий - строго меньше едини цы:
>1, при Г > Трм у
1, при Г,-Г^. (1)
< I, прн Тр < Тр„у
т = т
р рм.у.
I
ВД)
(2)
где I ^ - суммарное время нахождения в режиме работы и режиме ожидания за период эксплуатации.
(5)
ном
где ч* - значение критичного параметра в режиме работы; Ч* — номинальное значение критичного параметра согласно ТУ.
На рисунке 3 приведен временной график эксплуатации С В Ч - ко м м у татора
к,
, 1|.9 ,5*.] ,
III 1 J 1 I 1 III 1 111 1 III 1
1 1 1 1 1 1 : ) 1
-1-1-1- ( --1—в-
Выражение (I) не противоречит и данным из ТУ, так как для облегченных условий ресурс больше, чем для предельных, а следовательно и результат нормировки относительно ТР1„_У.
Использования такого коэффициента позволяет рассчитать израсходованный ресурс за время эксплуатации изделия в условиях каждого режима применения. Для каждого отрезка времени эксплуатации в данном режиме можно найти разницу между значением ресурса в атом режиме и нормальным:
•слс
Рис. 3, Временной график эксплуатации СВЧ -ком мутатора
Как видно из рис. 3 сначала коммутатор хранится в помещении (на складе) в течении одного года (8760 часов), что соответствует группе 1.1 [81, в дальнейшем транспортируется каким-либо видом транспорта (группа 1.3 — для автомобильного, 3.1 авиационного, 1.9 железнодорожного) к месту пуска ракеты-носителя в течении 5 дней (120 часов), после чего происходит запуск в составе ракеты-носителя и вывод на орбиту (Группа 4.1) в течении 2 суток {48 часов) и, наконец, осуществляет свои основные функции (прием и передача в сигнала СВЧ-диалазона) до окончания срока активного существования в условиях группы 5.3. Исходя из временного графика эксплуатации СВЧ-коммутатора, можно сделать вывод, что его ресурс расходуется неравномерно.
Результаты расчета показателей надежности составных частей СВЧ-коммутатора приведены в табл. I,
Таблица I
Показатели надежности СВЧ-коммутатора
где т - значение ресурса для нормального режима применения; п - количество режимов применения (исключая нормальный); - время работы в /-ом режиме; - ко-
эффициент пропорциональности расходования ресурса для ¡-га режима,
В ТУ обычно приводятся значения ресурса для предельных и облегчённых условий эксплуатации. Методика расчета ресурса для режима циклического применения приведена в [2], в основе которой лежит соотношение:
7;,=И (3)
Ки ■ кн
где тг(ПУ) - заданное в ТУ значение ресурса для предельных условий эксплуатации; Кн - коэффициент использования; Кц - коэффициент нагрузки (по критичному параметру),
К = (4)
Тип н:|делия Эксплуатационная интенсивность отказов Интенсивность отказов я режиме ожиланнк Ресурс
1.1 1.9 4.1 5.3 Ито1\> В1.ЕН
Электронная часть
МТБН2-Е8 7.3[к>0Я 8,76с-К) 120000 80000 2 1 800 ьоооо 64300
ОТДГТ2-13 1.90е-07 8,93е-10 120000 80000 21800 60000 64300
СРГ-50 [ВР0.364.026ТУ) 5,49с-09 7.69с-09 зооооо (ззооо 53300 юоооо 104000
Пайка ЭРИ асаной 6.90е-!0 6,90с-12 131400 87600 35000 65700 70000
2А517Л-2Н, ь-:н 4.50С-08 1.68С-09 5(1000 47600 10000 17800 23400
1 [ечатный монтаж 3,40е-11 3,40е-13 500000 230800 95200 178600 184000
Мсмашгич'кая часть
Винт креплении вентиля 1.00е-09 1.00с-И 876000 584500 233600 438000 442400
1 1айка лерсьш- 1СК 1.20е-09 1,20с-1 1 В1400 87600 35000 65700 70000
Сварка мровода к контактным площадкам 2.40е-!0 2,40с-12 87600 58400 23300 43800 ■18100
Заглушка ра п. емн фторопласт ®М (или Ф51 3,60е-07 3.60С-08 175200 116800 46700 87600 31970
Клееное сасли-иение платы 2.40и-03 2,40с-09 61300 40800 16300 30600 34900
В11Н1 крепления крышки й.00е-09 6,00с-1 [ 876000 584500 233600 438000 442400
Прокладка крышки 2.88е-07 2,88е-ок 43800 24200 1 1600 21400 26200
Пайка крышки и герметизация 2,40с-07 2.40с-09 131400 87600 35000 65700 70000
При расчете итогового ресурса в табл. I с помощью выражения (2) за «нормальный» режим приняты условия группы аппаратуры 5.3 по [3]. Как следует из табл. I итоговый ресурс в среднем на 4000 часов выше, чем ресурс для группы аппаратуры 5,3 (чуть менее полугода).
Результаты расчета показателей надежности СВЧ-коммутатора приведены в табл. 2,
Таким образом, можно сделать вывод о том, что проведенные расчеты подтвердили необходимость учета механических компонентов СВЧ-усгройств и временных графиков их работы. В свете ужесточения требований к показателям надежности аппаратуры не всегда можно позволить себе роскошь получения лишь приближенной оценки как показателей безотказности, так и показателей долговечности, так как это может дать как завышенную, так и заниженную оценку.
Литература
1. ОСТ 4ГО.012.013-84. Аппаратура радиоэлектронная. Определение показателей долговечности.
2. Жадное ВВ. Расчетная оценка показателей долговечности электронных средств космических аппаратов и систем H Надежность и качество сложных систем, 2013. - №2. - С. 65-73.
3. ГОСТ PB 20.39.304-98. KÇOTT. Требования к стойкости внешних воздействующих факторов.
4. Абрамешин А.Е., Жадное В В., Полесский С.Н. Информационная технология обеспечения надёжности электронных средств наземно-космических систем: научное издание. — Екатеринбург: Форт Диалог-Исеть, 2012. - 565 с.
Таблица 2
Результаты расчета показателен надежности СВЧ-коммутатор а
Наименование компонента Эксплуатационная интенсивность отказов, ]/ч Интенсивность отказов в режиме ожидания, 1/4 Г ам Mali рнцситн i,i il ресурс, ч
Электронная часть 7,27е-07 5,56е-08 23400
Механическая часть <Ше-07 7,26е-08 26200
Коммутатор 1,71806079201876Е-6 1.281957368Î--7 23400
Addiction of environment factors to of SHF devices
Karapuzov M.A., NRU HSE MIEM, undergraduate of the first year of training faculty "Faculty of Information Technology and Computer Engineering",
makarapuzov_ 1 @edu.hse.ru
Polesskiy S.N., NRU HSE MIEM, associate professor faculty "Faculty of Information Technology and Computer Engineering", spolessky@hse.ru Zhadnov V.V., NRU HSE MIEM, professor faculty "Electronics and telecommunications", vzhadnov@hse.ru
Abstract
In article methods of increase of accuracy of measure calculations of non-failure operation and durability of microwave devices which are widely applied both in household appliances, and in modern devices and systems of space engineering are considered. It is obvious that operability of such microwave devices is extremely important as their refusal conducts to failure of the radio-electronic equipment (REA) as a whole. Feature of microwave devices is that a large number of constructive (mechanical) components is their part. However, in case of an assessment of indicators of reliability of REA consider only electronic component base, accepting all constructive (mechanical) components highly reliable, almost not influencing sizes of indicators of non-failure operation, durability and a keeping. In confutation of it in article the example of measure calculation of reliability of the microwave switchboard is given and need of accounting of mechanical components and temporary working schedules is proved.
Keywords: reliability, non-failure operation, durability, microwave devices, failure rate, resource.
References
1. OST 4G0.012.013-84. Radio-electronic equipment. Tion-defined indicators of longevity.
2. Zhadnov VV The estimated parameters of durability of electronic means of spacecraft and systems / Reliability, and quality of complex systems, 2013. No 2. Pp. 65-73.
3. GOST RV 20.39.304-98. KSOTT. Requirements for resistance external influencing factors.
4. Abrameshin A.E., Zhadnov VV, Poiesskiy S.N. Information-technology onnaya ensure the reliability of electronic means of ground and space systems: scientific publication. Yekaterinburg, 2012. 565 p.
T-Comm #12-2014
31
