CC BY
69
Avtomatizatsiia protsessov upravleniia [Automation of Control Processes], 2020, No. 4 (62), pp. 85-92.
Гладких Анатолий Афанасьевич, доктор технических наук, окончил Военную академию связи им. С. М. Будённого, адъюнктуру ВАС, профессор кафедры «Телекоммуникации» Ульяновского государственного технического университета. Имеет монографии, учебные пособия, статьи и патенты РФ в области помехоустойчивого ко-
дирования и защиты информации. [e-mail: a_gladkikh@ulstu.ru].
Бакурова Анастасия Денисовна, студент магистратуры кафедры «Телекоммуникации» Ульяновского государственного технического университета по направлению «Инфокоммуникаци-онные технологии и системы связи». Имеет публикации в области помехоустойчивого кодирования и защиты информации. [e-mail: bakurova.ad@mail.ru].
Поступила 30.09.2021 г.
УДК 629.7.018
А. В. КОМИССАРОВ, В. В. ШИШКИН
АНАЛИЗ ТИПОВЫХ МЕТОДИК ЭКВИВАЛЕНТНО-ЦИКЛИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ НА БЕЗОТКАЗНОСТЬ АВИАЦИОННОГО БОРТОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Рассмотрены типовые методики ОСТ 1 01204-2012 эквивалентно-циклических испытаний на безотказность авиационного бортового оборудования на возможность проведения многофакторных эквивалентно-циклических испытаний.
Ключевые слова: многофакторные эквивалентно-циклические циклические испытания, испытания на безотказность.
испытания, эквивалентно-
Введение
Многофакторные эквивалентно-циклические испытания (МФЭЦИ) на безотказность элементов и устройств бортовых систем управления воздушным судном являются контрольными ускоренными стендовыми испытаниями на надёжность, в ходе которых на изделие оказывается комплексное воздействие внешних эксплуатационных факторов [1].
До настоящего момента многофакторные испытания не нашли широкого применения в авиационной отрасли для контроля параметров безотказности. Во многом это объясняется отсутствием испытательных стендов, которые могли бы воспроизводить комплексные воздействия эксплуатационных факторов. Однако с появлением различных вариантов испытательного оборудования, например, таких как камеры HALT (механическое и тепловое воздействие) или камеры HAST (воздействие повышенной влажности и температуры) стало возможным прово-
© Комиссаров А. В., Шишкин В. В., 2021
дить отбраковочные и ускоренные испытания на надёжность для различных видов электроники. Хотя нужно учитывать, что действующие методические указания не в полной мере обеспечивают возможность проведения таких испытаний.
В области авионики основным нормативным документом по проведению испытаний является отраслевой стандарт ОСТ 1 01204-2012, который определяет типовые методики эквивалентно-циклических нормальных и ускоренных испытаний однородных групп авиационного бортового оборудования (БО) и предполагает возможность использования многофакторных испытаний.
Многофакторные испытания на безотказность
Первые публикации по вопросу многофакторных испытаний на надёжность относятся к работам д. т. н. Острейковского В. А. (1978 г.), где в основу метода многофакторных испытаний положена математическая теория эксперимента [2]. Сущность этого метода заключается в идентификации изменения текущего значения
параметра у(1) во времени, с последующим прогнозированием его значения в момент отказа под воздействием влияния факторов (климатических, электрических, механических и др.). Однако современное авиационное оборудование, которое представляет собой совокупность информационных, вычислительных и исполнительных средств, с высокой стоимостью и небольшими объёмами выпуска, не позволяет в полной мере использовать теорию многофакторного эксперимента по следующим причинам:
1) трудность нахождения определяющих надёжность параметров;
2) практическая невозможность установления определяющих параметров допустимых значений объекта, что не позволяет прогнозировать момент наступления отказов;
3) отсутствие достаточного количества экспериментальных данных и длительность их получения.
С начала 80-х ХХ в. в СССР (России) для контроля надёжности изделий авиационной техники использовались методические указания МУ-150 по проведению эквивалентно-циклических испытаний на безотказность, где проведение многофакторных испытаний предполагалось по наиболее длительному к-му фактору из ¡-факторов воздействия:
Тэци = тах{Тк}1 . (1)
В 2003 году в диссертации Луговского С. В. по разработке методологических основ испытаний радиоэлектронной аппаратуры и комплектующих её изделий на комплексное воздействие механических и климатических внешних воздействующих факторов была определена недостаточная адекватность принятых в методических указаниях МУ-150 моделей эквивалентно-циклических ускоренных испытаний на безотказность авиационного бортового оборудования реальным условиям эксплуатации [5].
Такой подход не учитывает синергетический эффект комплексных воздействий факторов. В различных источниках отмечается, что при воздействии, например температуры и широкополосной случайной вибрации, происходит ускорение процессов накопления усталости. В работе элементов и устройств бортовых систем управления воздушным судном в широком температурном диапазоне с циклическими воздействиями ударов и вибрации, вследствие разности температурных коэффициентов линейного и несвободного расширения конструктивных элементов из различных материалов, возникают циклические напряжённо-деформируемые состояния, приводящие к усталостным изменениям
в таких элементах конструкции, как проводники, металлизация переходных отверстий, паяные и клеевые соединения, полупроводниковые кристаллы, платы и подложки. Эти процессы возможно коррелировать на основе принципа Седя-кина через коэффициент ускорения [3]. В общем виде модель коэффициента ускорения многофакторных испытаний:
„ = Тэ =Лн = ^=1ЛИ П?=1 Куа
У ти лэ
= Э]
Е^! П;=1 Куц £¡N1 П;=1 Куц
ЫхЛИ.
N
(2)
где интенсивность отказов Аи. при испытаниях под воздействием 1-го фактора ускоряет один и только один у - механизм отказа, при этом модель интенсивности отказов в эксплуатации Аэ является произведением базовой интенсивность отказов в нормальном режиме А0 на произведение коэффициентов, учитывающих изменения интенсивности отказов в эксплуатации от различных факторов.
В 2012 году взамен МУ-150 был ввёден в действие ОСТ 1 01204-2012, однако изменений касательно методик многофакторные испытаний проведено не было.
В 2013 в Европе был введён стандарт 1ЕС 62506 по методам ускоренных испытаний на надёжность, где применяется модель (2) многофакторных испытаний в виде коэффициента ускорения, однако в ней не учитывается модель эксплуатации ВС.
В связи с тем, что ОСТ 1 01204-2012 является основным регламентирующим документом для проведения испытаний на безотказность авиационного бортового оборудования, был проанализирован порядок проведения многофакторных испытаний. После чего были сделаны следующие выводы:
1) Отсутствует типовая методика (рисунок 1) многофакторных эквивалентно-циклических испытаний на безотказность авиационного БО в форсированных режимах (допустима только модель (1) для расчёта продолжительности многофакторных испытаний).
2) Отсутствует ранжирование и оценка влияния воздействующих факторов на безотказность изделий. На рисунке 2 изображено распределение долей отказов радиоэлектронной аппаратуры по видам воздействующих факторов при испытаниях и эксплуатации.
Стандартное испытательное оборудования
ВВФ авиационного оборудования
Удары
Влажность
Вибростенд
Тер кг и б a |Jt> к а м «г р а
ч- н-
j / /
/ /
N к 4
Гч s
Подготовка к полет пс t Здка
полету
- Давление: от 33 до 1273 мт.рт.ст
- Вибрация: от 10 до 2000 Гц, 0,5в
- Температура: от -55°С до 85°С
Влажность: 9594 при 55°С ------- удары: б& 11 мс
Рис. 1. ЭЦИ с комплексным воспроизведением нагрузок
Комплексные стенды воспроизведения ВВФ
О
Камера HALT
■ Пыль, песок В Влажность
Электрические нарузки
■ Вибрация Температура □стальное
При испытаниях
При эксплуатации
Рис. 2. Распределение долей отказов радиоэлектронной аппаратуры по видам воздействующих факторов
В [3] уже отмечалось, что для более достоверной оценки общего коэффициента ускорения при МФЭЦИ, необходимо отдельно учитывать каждый доминирующий механизм отказа за счёт введения относительной доли вероятности отказа ду. Такой подход был использован, например в ГОСТ Р 57394-2017.
3) При планировании испытаний последовательным методом (по критерию Вальда) отсутствует расчётная оценка средней продолжительности испытаний от ускоряющего эффекта при форсировании воздействующих факторов (коэффициента ускорения):
Ь-Та
Тэци < —.
По разъяснению ГосНИИАС применение коэффициентов ускорения при планировании ЭЦИ допустимо и не противоречит требованиям стандарта.
4) Испытания реализуются в виде базовых циклов, которые имитируют один типовой год эксплуатации летательного аппарата, учитывая сезонные (лето-зима, весна-осень) изменения
температуры и изменения факторов, возникающих на борту при выполнении различных типовых задач. Однако связь между сезонным изменением времен года и отказами в эксплуатации для гражданских типов судов не выявлена, это потому, что высокая интенсивность полётов, определяющая коммерческую эффективность эксплуатации современного ВС и составляющая около 4000-7000 ч в год, не допускает длительных перерывов. Тем более около 90% бортового авиационного оборудования воздушных судов гражданской авиации устанавливается в защи-щённом отсеке, где температура во время полёта сохраняется на уровне не менее 20-30оС.
5) При испытаниях на механические воздействия не рассматривается возможность одновременного воздействия широкополосной случайной вибрации (ШСВ) по трём взаимно перпендикулярным осям (рисунок 3).
6) При оценке коэффициента ускорения Ку шсв при воздействии ШСВ по одной оси в зависимости от испытательного уровня спектральной плотности, показатель наклона линии долговечности к, характеризующий скорость накопления усталости, принимается равным 4,
Период приработки 1Л О II Период нормальной эксплуатации 1 1ериод старения
1 4 п » „ ///
Рис. 4. Изменение интенсивности отказов Х(1) на протяжении жизненного цикла изделий
однако для различных типов материалов значение к варьируется от 2,5 до 26.
к
К
( $ЭЦИ \ К$Э_Мах)
УШСВ- — ~к'
' 1 \^Э_Мах/
где — спектральная плотность в эксплуатации и вероятная продолжительность Р^ воздействия ¡-х уровней спектральной плотности для _)-х классов летательного аппарата;
§Э\=0,2$Э_Мах.
§эцИ — спектральная плотность в ходе эквивалентно-циклических испытаний.
7) При отказе изделия:
- испытания прерываются для восстановления изделия, при этом согласно последовательному методу планирования с ограничением числа отказов продолжительность испытаний возрастает при их продолжении с каждым следующим полученным отказом до критического числа отказов в зависимости от выбранного плана;
- учитываются как внезапные отказы, так и параметрические отказы (выход параметров за пределы допуска).
Однако при контрольных испытаниях на безотказность необходимо существенно снизить
число внезапных отказов и учитывать только отказы с деградационными признаками, в ином случае оценка показателя безотказности будет не соответствовать и-образной кривой отказов, прогнозируя интенсивность отказов только на I участке (приработочном) (рисунок 4).
8) Предположение экспоненциального закона распределения отказов используется по умолчанию, при этом подтверждение гипотезы, подтверждающей достижения участка II (периода нормальной эксплуатации с Ц1;)=соп81 на рисунке 4)в ходе ЭЦИ не предполагается.
9) При расчёте количества испытательных термоциклов, эквивалентных этапу использования объекта (ВС) по назначению Nфункц и этапу хранения в составе объекта НСохр:
12
12
N
функц
¡ = 1 ¡ = 1
ДТ
И
ДТ
колебаний;
-к
12
N
Сохр
= 1^
¡=1
ДТи \ к /ДТИ ~ "к
ДТ
'-11 у/
+
(ДгИк \
\ДТ„) '
где Ыи. — количество циклов испытаний, эквивалентных одному календарному месяцу;
ЭЦИ (наработка 1100 ч)
Эксплуатация (наработка 4212 л.ч)
Рис. 5. Физико-технический анализ образцов по методике ОСТ 1 01204-2012
количество взлётов/посадок ВС за год; ДТИ — абсолютное значение диапазона изменения температуры при испытаниях; ДТколебаний. -диапазон изменения колебаний температуры в отсеке ВС в течение календарного месяца; Р; -вероятное распределение среднегодового количества взлётов-посадок по ьм календарным месяцам года (при равномерном распределении Р! принимается равным 0,0833); - среднемесячное количество колебаний суточной температуры в течение года при хранении ВС в УХ или УХВ климатических районах в неотапливаемом помещении; ДТих - абсолютное значение диапазона изменения температуры при ях; ДТхс. - абсолютное значение диапазона изменения температуры хранения в течение суток, как разность между дневной и ночной температурой (ДТХС. = Тд. - Тхн.) в зоне УХ (УХВ); ДТхг. - абсолютное значение диапазона изменения температуры хранения в течение года, как разность между максимальным значением и минимальным значением температуры
(ДТ =Т - Т )
V Хг1 Хгтах ^тт7*
Показатели долговечности при расчёте Nфункц к=6 и при расчёте ^оХр к=3,5 соответственно.
Однако в ходе эксплуатации бортового оборудования в составе самолёта Сухой 8ирег1е1;-100 (КЯ1-95) в 35% случаев было разрушение паянного соединения БОЛ-компонентов, изготовленных по бессвинцовой технологии (РЬ-1тее). Современные исследования [6] предполагают использование более объективных моделей, например Норриса-Ландзберга, для расчёта коэффициента ускорения и количества циклов воздействия, отличающихся в зависимости от типов корпусов отличными коэффициентами
долговечности a, b, c:
Ку
у \&ТЭ) \-дэ>
(Г
тахэ 1 тахи
где АТИ, АТэ — диапазон температур в испытательном цикле и в режиме эксплуатации; ди, дэ - скорость изменения температуры в цикле испытаний и в режиме эксплуатации, оС/мин; Ттахи, ТтаХэ ~ максимальная абсолютная температура в ходе испытаний и абсолютная темпе -ратура в эксплуатации соответственно.
Вышеперечисленные несоответствия и расхождения с современным состоянием вопроса испытаний на безотказность проявились в ходе исследования отказов блока концентратора данных самолёта RRJ-95 в эксплуатации с наработками более 2000 ч. Физико-технический анализ образцов наиболее часто отказывающей микросхемы после проведённых эквивалентно-циклических испытаний по методике ОСТ 1 01204-2012 деградационных процессов не обнаружил (рисунок 5).
Задача по разработке методических указаний к проведению многофакторных испытаний на безотказность элементов и устройств бортового авиационного оборудования при комплексном воздействии факторов является актуальной и требует разработки новых подходов к обеспечению и совершенствованию контроля безотказности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Комиссаров А. В., Шишкин В. В. и др. Разработка методики многофакторных эквивалентно-циклических испытаний на основе процедур HALT для оценки долговечности БРЭО // Автоматизация в промышленности. - 2019. - №5. -С. 56-61.
2. Острейковский В. А. Многофакторные испытания на надёжность. - М.: Энергия, 1978. -152 с.
3. Комиссаров А. В., Шишкин В. В., Кожен-ков В. А., Степашкина Е. В. Разработка методики определения коэффициента ускорения многофакторных эквивалентно-циклических испытаний на основе процедур HALT для оценки долговечности и безотказности БРЭО // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. -2020. - Т. 9, №4 (52). - С. 57-61.
4. Комиссаров А. В., Шишкин В. В. Основные методы оценки надёжности бортового радиоэлектронного оборудования современных гражданских судов перед этапом серийного производства // Известия Самарского научного центра РАН. - 2018. Т. 20, №4(3). - С. 319-326.
5. Луговской С. В. Методы и средства испытаний и отработки бортовых электронных средств летательных аппаратов на надёжность и стойкость к воздействию внешних факторов на этапах их разработки и производства: дис.... канд. техн. наук: 05.12.04/ФГУП МНИРТИ. -М., 2003. -147 с.
6. Shirgaokar A., Arunachalam D. Norris-Landzberg Acceleration Factors and Goldmann Constants for SAC305 Lead-Free Electronics. Journal of Electronic Packaging. Vol. 134. - 2012.
REFERENCES
1. Komissarov A. V., Shishkin V. V i dr.
Razrabotka metodiki mnogofaktornyh ekvivalentno-ciklicheskih ispytanij na osnove procedur HALT dlya ocenki dolgovechnosti BREO [Development of a methodology for multivariate equivalent cyclic tests based on HALT procedures for assessing the durability of avionics]. Avtomatizaciya v promyshlennosti [Industrial automation]. 2019, No. 5, рр. 56-61.
2. Ostrejkovskij V. A. Mnogofaktornye ispytaniya nanadezhnost [Multi-factor reliability tests]. Moscow, Energiya, 1978, 152 p.
3. Komissarov A. V., Shishkin V. V., Kozhenkov V. A., Stepashkina E. V. Razrabotka metodiki opredeleniya koefficienta uskoreniya mnogofaktornyh ekvivalentno-ciklicheskih ispytanij na osnove procedur HALT dlya ocenki
dolgovechnosti i bezotkaznosti BREO [Development of a methodology for determining the acceleration factor of multifactor equivalent-cyclic tests based on HALT procedures to assess the durability and reliability of avionics]. XXI vek: itogi proshlogo i problem nastoyashchego plyus [XXI century: the results of the past and the problems of the present plus]. 2020, T. 9, No. 4 (52), pp. 57-61.
4. Komissarov A. V., Shishkin V. V. Osnovnye metody ocenki nadezhnosti bortovogo radioelektronnogo oborudovaniya sovremennyh grazhdanskih sudov pered etapom serijnogo proizvodstva [The main methods for assessing the reliability of on-board radio-electronic equipment of modern civil ships before the stage of serial production]. Izvestiya Samarskogo nauchnogo centra RAN /Proceedings of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences]. 2018, T. 20, No. 4(3), pp. 319-326.
5. Lugovskoj S. V. Metody i sredstva ispytanij i otrabotki bortovyh elektronnyh sredstv letatel'nyh apparatov na nadezhnost' i stojkost' k vozdejstviyu vneshnih faktorov na etapah ih razrabotki i proizvodstva [Methods and means of testing and development of on-board electronic means of aircraft for reliability and resistance to external factors at the stages of their development and production]: dis. kand. tekhn. nauk: 05.12.04/FGUP MNIRTI. -Moscow, 2003, 147 p.
6. Shirgaokar A., Arunachalam D. Norris-Landzberg Acceleration Factors and Goldmann Constants for SAC305 Lead-Free Electronics. Journal of Electronic Packaging. Vol. 134. 2012.
Комиссаров Александр Владимирович, главный конструктор по серии АО УКБП. Шишкин Вадим Викторинович, кандидат технических наук, доцент, директор Института авиационных технологий и управления, доцент кафедры «Измерительно-вычислительные комплексы», УлГТУ.
Поступила 07.10.2021 г.
