CC BY
597
Анализ методов определения показателей долговечности электронных средств по справочным данным
Жаднов В.В.
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики», Московский институт электроники и математики ггкас1поу@кзе. ги
Аннотация. В докладе рассматриваются методы определения показателей долговечности электронных средств по справочным данным на примере показателей типа «ресурс». Показаны основные источники погрешностей принятых в настоящее время методов определения показателей долговечности электронных средств по справочным данным. Обоснована возможность применения математических моделей интенсивностей отказов электрорадиоизделий для уточнения значений коэффициентов математических моделей ресурса.
Ключевые слова: надежность, долговечность, ресурс, расчетный метод, электронное средство, электрорадиоизделие
Долговечность является одним из свойств, характеризующих качество электронных средств (ЭС), и входит в состав группы показателей надежности. В [ГОСТ, 1989] приведены основные понятия, термины и определения, относящиеся к свойству долговечности электронных средств, а именно:
Долговечность - свойство ЭС сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта. Показатели долговечности:
■ Гамма-процентный ресурс - суммарная наработка, в течение которой ЭС не достигнет предельного состояния с вероятностью у, выраженной в процентах.
■ Средний ресурс - математическое ожидание ресурса ЭС.
■ Гамма-процентный срок службы - календарная продолжительность эксплуатации, в течение которой ЭС не достигнет предельного состояния с вероятностью у, выраженной в процентах.
■ Средний срок службы - математическое ожидание срока службы ЭС.
Принципы формирования номенклатуры показателей долговечности для ЭС регламентированы в [ГОСТ, 1990].
Расчет количественных значений показателей долговечности ЭС является составной частью расчетов надежности электронных средств, предусмотренных в мероприятиях программ обеспечения надежности, регламентированных в [ГОСТ РВ, 1998].
Анализ методов определения показателей долговечности электронных средств
по справочным данным_
Рекомендации по методам расчета надежности приведены в [ГОСТ, 1995]. Однако в этом документе содержаться лишь общие положения и рекомендации по оценки показателей надежности. Что касается показателей долговечности, то методики их определения расчетными методами на этапе проектирования приведены в [ОСТ, 1984].
В соответствии с этими методиками расчет показателей долговечности проводится в два этапа:
- ориентировочный расчет;
- уточненный расчет.
Исходными данными для расчетов служат:
- критерий предельного состояния ЭС;
- вероятность, для которой определяется гамма-процентный ресурс ЭС;
- перечень электрорадиоизделий (ЭРИ), входящих в состав ЭС;
- гамма-процентные ресурсы ЭРИ;
- «критические» параметры ЭРИ и их значения в рабочем и предельно-допустимом по НТД режимам;
- временные графики работы ЭРИ.
Значение критерия предельного состояния ЭС определяется в зависимости от допустимого (заданного в ТЗ) уровня снижения эффективности функционирования ЭС.
В соответствии с [ОСТ, 1984] предельным состоянием ЭС из-за снижения эффективности его использования является выработка ресурса у определенного процента ЭРИ, входящих в состав ЭС. В этом случае значение критерия предельного состояния (Кпс) равно:
Кпс=^.100%, (1.1)
где: п - максимально-допустимое число ЭРИ, выработавших ресурс; N -суммарное количество число ЭРИ в ЭС.
Перечень ЭРИ формируется на основе конструкторской документации на ЭС (ведомости применяемых ЭРИ).
Гамма-процентный ресурс ЭРИ определяется по данным, приведенным в справочнике [Надежность ЭРИ, 2006], технических условиях (ТУ) или нормативно-технической документации (НТД).
Для ЭРИ, гамма-процентный ресурс которых задается в количествах циклов работы (срабатываний т.д.), перевод его в часы осуществляется по формуле:
_ ^РИунтд п
ЭРИунгд С ' У1'^'
где: Изри^ - гамма-процентный ресурс ЭРИ по НТД; С - число циклов в час.
Для ЭРИ, гамма-процентный ресурс которых в справочнике [Надежность ЭРИ, 2006], приведен для вероятности унтд, отличной от заданной для ЭС, гамма-процентный ресурс ЭРИ для требуемого значения вероятности у пересчитывается по формуле [ОСТ, 1984]:
т _ И'З Хэс) т (1 3)
где: хэсу - квантиль нормального распределения для вероятности уэс, заданной для ЭС; %нтду - квантиль нормального распределения для вероятности унтд, приведенной для ЭРИ в НТД; тЭри, - гамма-процентный ресурс ЭРИ по НТД.
Расчет гамма-процентного ресурса ЭС проводится в следующей последовательности.
1) Для каждого ЭРИ: -по Справочнику [Надежность ЭРИ, 2006] (или НТД) определяется значение гамма-процентного ресурса (при необходимости значение гамма-процентного ресурса пересчитывается по формулам (1.2) и (1.3));
- определяется «критический» параметр и его значения:
Нэрирав - нагрузка ЭРИ по критическому параметру в режиме работы;
Нэрн™ - предельно-допустимая нагрузка ЭРИ по «критическому» параметру
по НТД;
- рассчитывается коэффициент нагрузки (Кн) ЭРИ по «критическому» параметру:
(1.4)
н,
ЭРИнгд
- по временному графику работы ЭРИ определяется его суммарное время работы (ьри) за период применения ЭС в рабочем режиме Оэс).
- рассчитывается коэффициент интенсивности эксплуатации (Ки.э) ЭРИ за единицу времени:
ки.э=тш-; (1-5)
ЭС
- рассчитывается уточненное значение гамма-процентного ресурса (т*,) ЭРИ по формуле:
(1.6)
7 ки э-кн
Типовая зависимость ту от Ки.э и Кн приведена на рис. 1. 2) Полученный массив значений ресурсов ЭРИ упорядочивается по возрастанию и определяются число временных интервалов (К) и границы их диапазонов (Тнк, Ткк):
ГТ Л
КНгй
Уж
1000
+1; (1.7)
исходя из условия:
тНк^т;<тКк (1.Ю)
Анализ методов определения показателей долговечности электронных средств по справочным данным_
РИС. 1. ЗаВИСИМОСТЬ Тг от Ки.э И Кн (при Тэриунтд = 40000 ч.)
ТНк=(к-1)-1000+1; ТКк=к-1000, (1.8)
где: Тутах - максимальное значение в массиве ресурсов ЭРИ; к = 1, 2, ..., К.
3) Определяется процент ЭРИ (%к), попавших в к-й интервал:
%к=^-100%, (1.9)
к N
где: Пк - число ЭРИ, попавших в к-й интервал; N - количество ЭРИ в ЭС.
4) Вычисляется суммарный процент (%яс) путем «последовательного» суммирования значений %к от К-того интервала к 1-му (нарастающим итогом) и проверятся условие:
%Ек=%,ы+%^(100-Кпс), (1.11)
где: %£к-1 - суммарный процент ЭРИ, попавших в интервалы от К до (к-1); %к - процент ЭРИ, попавших в к-й интервал.
5) Значение т„ ЭС принимают равным значению Ткк интервала, для которого первый раз выполняется условие (1.11).
Представленный выше материал позволяет сделать следующие выводы:
■ ресурс и ЭС, и ЭРИ, является случайной величиной, распределенной по нормальному закону - см. формулу (1.3);
■ значение гамма-процентного ресурса ЭС не зависит от количества ЭРИ, у которых гамма-процентный ресурс удовлетворяет критерию предельного состояния, а определяется только теми ЭРИ, которые имеют наименьшие значения гамма-процентного ресурса - см. формулу (1.11);
■ значения гамма-процентного ресурса ЭС зависят от коэффициентов нагрузки ЭРИ по «критичному» параметру и от временных графиков их работы в режиме применения ЭС - см. рис. 1;
■ значения гамма-процентного ресурса ЭС не зависит от жесткости внешних воздействующих факторов (групп аппаратуры по [ГОСТ РВ, 1998] - см. формулу (1.6);
■ методики ориентированы на проведение «ручных» расчетов, что при большом количестве ЭРИ делает их достаточно трудоемкими и увеличивает вероятность ошибок.
Кроме того, расчет среднего ресурса (ТэрИСр„тд) по [ОСТ, 1984] проводится по приведенной выше методике при ТЭР^а = ТЭРиор нтд. в то же время, в в справочнике [Надежность ЭРИ, 2006] значений Т^.^ для ЭРИ не приводится. Поэтому, исходя из формулы (1.3) необходимые значения среднего ресурса ЭРИ по НТД определяются по формуле:
т
-р _ 1 ЭРИунщ
ЭРИСР'ВД 1-0Д5-ХнтДу '
Еще одним аспектом, затрудняющим расчет показателей долговечности ЭРИ, является то, что в [ОСТ, 1984] нет однозначной трактовки параметра «Нагрузка по «критическому» параметру» - нЭРи. В работах [Жаднов, 2013] и [Жаднов, 2014] показано, что в качестве такого параметра используется коэффициент режима (Кр), определяемый по справочнику [Надежность ЭРИ, 2006].
Нельзя не упомянуть и о том, что методики [ОСТ, 1984] не учитывают расходования ресурса ЭРИ в режиме ожидания (хранения) - см. формулу (1.5). В работе [Жаднов, 2014] приведена модель для Киэ, позволяющая учитывать этот режим. В работах [Карапузов и др., 2014] предложен альтернативный подход к оценке ресурса и срока службы, позволяющий учитывать модель эксплуатации ЭС.
Таким образом, для повышения точности и снижения трудоемкости расчетов показателей долговечности ЭС по справочным данным
Анализ методов определения показателей долговечности электронных средств
по справочным данным_
необходима модификация методик [ОСТ, 1984], направленная на учет режимов и условий применения ЭРИ, модели эксплуатации ЭС, а также создание соответствующего программного обеспечения.
Благодарности
Данное научное исследование (№ проекта 15-05-0029) выполнено при поддержке Программы «Научный фонд НИУ ВШЭ» в 2015 г.
Список литературы
[ГОСТ, 1989] ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения.
[ГОСТ, 1990] ГОСТ 27.003-90. Надежность в технике. Состав и общие правила задания требований по надежности.
[ГОСТ РВ, 1998] ГОСТ РВ 20.39.302-98. Комплексная система общих технических требований. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Требования к программам обеспечения надежности и стойкости к воздействию ионизирующих и электромагнитных излучений.
[ГОСТ, 1995] ГОСТ 27.301-95. Расчет надежности. Основные положения.
[ОСТ, 1984] ОСТ 4.012.013-84. Аппаратура радиоэлектронная. Определение показателей долговечности.
[Надёжность ЭРИ, 2006] Надёжность ЭРИ: Справочник. - М.: МО РФ, 2006. - 641 с.
[ГОСТ РВ, 1998] ГОСТ РВ 20.39.304-98 Комплексная система общих технических требований. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Требования стойкости к внешним воздействующим факторам.
[Жаднов, 2013] Жаднов, В.В. Повышение точности расчётной оценки показателей долговечности бортовой космической аппаратуры. / В.В. Жаднов. // Радиовысотометрия-2013: Сборник трудов Четвертой Всероссийской научно-технической конференции. / Под ред. A.A. Иофина, J1.H. Пономарева. - Екатеринбург: Форт Диалог-Исеть, 2013.-е. 164-169.
[Жаднов, 2014] Жаднов, В.В. Расчетная оценка показателей долговечности электронных средств космических аппаратов и систем. / В.В. Жаднов. // Надежность и качество сложных систем. - 2014. - № 2. - с. 65-73.
[Карапузов и др., 2014] Карапузов, М.А. Влияние внешних воздействующих факторов на долговечность СВЧ-устройств. / М.А. Карапузов, С.Н. Полесский, В.В. Жаднов. // Т-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2014. - № 12. - с. 29-31.
[Карапузов и др., 2014] Карапузов, М.А. Влияние внешних возмущающих факторов на долговечность СВЧ-устройств. / М.А. Карапузов, С.Н. Полесский, В.В. Жаднов. // Надежность и качество сложных систем. - 2014. - № 2. - с. 14-21.
