CC BY
198
ГоворенкоГ. С.
ОАО «КБ ЭЛЕКТРОПРИБОР» Саратов
МЕТОДЫ И МОДЕЛИ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ БОРТОВЫХСИСТЕМУПРАВЛЕНИЯ СИЛОВЫМИ УСТАНОВКАМИЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
Введение. С развитием научно-технического прогресса возрастает сложность бортовых систем управления (БСУ) силовыми установками летательных аппаратов.Одной из ключевых проблем, которая должна быть решена разработчиками БСУ, является проблема обеспечения высокой надежности. К сожалению, повысить надежность только схемотехническим путем не представляется возможным.
В настоящей статье раскрытыконструктивные методы повышения надежности бортовой радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Методыпозволяют создать такие условия работы для электро-радио изделий (ЭРИ), при которых отсутствует превышение норм технических условий (ТУ) на ЭРИ при учетевоздейст-вующих факторов (ВФ).Такие условия получили название комфортных.Оценка устойчивости РЭА к дестабилизирующим воздействиям является сложной, трудно формализуемой задачей, которая может решаться только на основе натурных испытаний или математического моделирования физических процессов в конструкциях изделий [1, 2] .
Весьма важной на этапе проектирования является задача прогнозирования надежности. Учет результатов прогнозированияпозволяет предложить такие конструктивные и схемотехнические решенияБСУ, которые снизят уровень влияния ВФ как на ЭРИ, так и на РЭА в целом. Перспективным методом прогнозирования надежности является метод ускоренных испытаний, который рассмотрен в статье.
1. Формализация дестабилизирующих воздействий.Формализуем дестабилизирующие воздействия на РЭА и ЭРИ с разделением их по источнику воздействий [3,4] .
Внешние воздействия на РЭА и ЭРИ можно разделить на три класса.
I класс - вызывающие быструю реакцию РЭА и ЭРИ:механические (вибрация, ударные нагрузки, линейные ускорения, акустический шум); климатические; космические; электромагнитные; радиационные.
II класс - вызывающие накапливающую реакцию РЭА и ЭРИ:повышенная влажность; иней и роса; плесневые грибы; агрессивные среды; соляной туман; песок и пыль; пониженное давление; специальные среды.
III класс - учитывающие специфику объекта, на котором установлена РЭА:наземные; морские; самолетные; ракетные; космические; комбинированные.
Внутренние воздействия на РЭА и ЭРИ, возникающие в результате воздействия внешних ВФ, можно разделить на три класса:
!класс - электрические (электродинамические, электростатические, электрохимические).
Ыкласс - тепловые(перегрев, зависящий от электрических режимов ЭРИ и РЭА).
Шкласс - механические (резонансно-ударные явления и конструкционно-деформационные напряжения и т. п.).
2. Оценка интенсивности отказовРЭА с учетом режима работы ЭРИ.Выбор метода является наиболее существенным моментом при разработке методики испытаний, учитывающей конструктивнотехнологические особенности изделия, нормы контролируемых параметров, требуемую надежность и точность. Методы испытаний конкретных изделий РЭА должны предусматривать воздействие на изделие объективных факторов, как прямых, так и косвенных, по нормам, установленным в техническом задании (ТЗ) и нормативно-технической документацией (НТД) на разработку РЭА. Проведенный анализ методов показал преимущество неразрушающих методов испытаний, применение которыхэффективно для РЭА с наличием микросхем высокойстепени интеграции.
Рассмотрим неразрушающий метод с учетом дополнительных мер защиты для РЭА и ЭРИ на основе принятия рациональных конструкторских решений.
Интенсивность отказов РЭА с учетом режима работы ЭРИ, условий эксплуатации и уровня производства определяется выражением: n
1РЭА = 2 1ЭРИ І ' КРІ' КЭІ ' К А,
І=1 n
где 2 1эРИ І -суммарная интенсивность отказов ЭРИ по НТД; n - число элементов ЭРИ; К р i - коэффи-i=1
циент разработчика:зависит от коэффициентов электрической нагрузкиKн , температуры окружающей
среды Т0Кр Среды , температуры корпуса ЭРИ ТкорпэРИ ; Кэ / - коэффициент эксплуатации. Он зависит:
а) от коэффициента Кмf жесткости механических нагрузок (внешних Км внешi и внутренних Км вНутрi
К причем КМ i = К М внеш. i' КМ. внутр . i ;
б) коэффициента КQnj повышенной влажности;
в) коэффициента Кді атмосферного давления.
Коэффициент эксплуатации определяют из выражения Кэ і = К мвнеш і 'Кмвнутр і 'Квлі К д і ;
К а - коэффициент технического уровня производителя РЭА: зависит от технического уровня производства К произвол. и от технического уровня технологии К технологии , К А = К произвол. ' К технологии.
Такая сложная зависимость надежности от многих факторов требует от конструктора нового подхода к разработке и производству РЭА с учетом ВФ на ЭРИ (внешних и внутренних). Разработчику также
следует учитывать, что интенсивность отказов 1эРИ i по многим позициям увеличивается за счет снижения качества поставляемых комплектующих ЭРИ.
Рассмотрим механизм влияния на коэффициент Кэі конструктивных решений, вводимых в РЭА для
повышения ее надежности. Эти решения направлены на создание комфортных условий работы ЭРИ, (отсутствие превышения норм ТУ на ЭРИ) при действии ВФ (внешних и внутренних), что снижает коэффициенты эксплуатации ЭРИ, уменьшает их интенсивность отказов и повышает надежность РЭА.
Расчет величины изменения Кэ і можно производить на основе пересчета одного или нескольких значений коэффициентов Км і , К Влі , К ді по формуле [5]
K ' = 1 +
Ki -1 N
гдеKj ’ - приведенное значение i-го коэффициента с учетом дополнительных мер защиты; Kj - значение i-го коэффициента без учета дополнительных мер защиты; i- вид воздействующего фактора, по которому произведены мероприятия по дополнительной защите,j = 1, m ; m - число учитываемых ВФ; N -величина, которая характеризует, во сколько раз уменьшается значение i-го ВФ. Она зависит от выбранных конструктивных мер защиты РЭА, рассчитывается или экспериментально определяется разработчиком и согласовывается с заказчиком РЭА.
3. Конструктивные методы и модели повышения надежности РЭА.Рассмотрен конструктивный метод (крепление плат осуществляется в 4-х точках) путем введения нелинейного элемента в межплатное соединение центральных узлов пакета плат в виде нелинейного демпфирующего устройства [б].
В такой конструкции вынужденные колебания плат гасятся демпфирующим устройством центрального узла крепления. Часть энергии, излучаемая более активной колеблющейся платой с большей амплитудой, будет погашена в противофазе платой, колеблющейся с меньшей амплитудой.
Предлагается модель повышения надежности РЭА, предотвращающая возможность колебаний любой из плат на частоте, близкой к резонансной, что снижает перегрузки на ЭРИ и повышает надежность РЭА в условиях вибрационных динамических нагрузок.
Проведем расчет влияния дополнительных мер защиты в условиях воздействия вибрационных нагру-зокнаБСУ, платы которого доработаны с использованием авторского свидетельства [б] . Определим
среднюю наработку на отказ -ТСр , ТСр ’ , соответственно до и после доработки без изменения схемно-
технических решений.
Известно
что вероятность
n
безотказной работы определяется из соотношения Р = П ■
i=1
Pj
гдеп
чис-
ло ЭРИ вБСУ; Pj - вероятность безотказной работы i-го ЭРИ, i = 1, П .
С учетом значений коэффициентов эксплуатации K3j , K '3.jполученных соответственно до доработки и после доработки РЭА интенсивности отказов равны:
1 = 1ЭРИ j ■ K Зі ■ KS > 1 Зі = 13РИ j ■ K Зі ■ KS ,
где ізриj - исходная базовая интенсивность отказов для конкретного ЭРИ по НТД; K3j , K 'зі - коэффициенты эксплуатации, зависящие от воздействия внешних условий;
Ks - коэффициент, зависящий от других S факторов (электрических, вида приемки и т.п.),
S = 1, ns, ns - число факторов .
Для упрощения расчета примем KS = 1 . Коэффициенты ваем, т. е. рассматривается относительное изменение
K
Ср
= const
и ТСр
и Kді = const в расчете не учиты-только для механических нагру-
зок. Тогда имеем K зі = K Mi = 1 +
KMi -1 N
С учетом количества ЭРИ в каждой группе, коэффициентов эксплуатации Kзі и K ’3j определены сум-
марные интенсивности отказов и Тср , ТСр :
а) без доработкиб) с учетом доработки n n
XІ3РИ j = 1580, 5 ■ 10-6 учас , 213РИ j = 618, 6 ■ 10-6
i=1 i=1
час
Тср = 632,7 час; Т 'ср = 1646 час.
Тогдакоэффициент надежности
(долговечности) a =
ср _
ср
1646
632,7
= 2,6 .
Рассмотрим еще один изконструктивных методов [7] и расчетную модельповышения надежности РЭА (за счет уменьшения механических воздействий на ЭРИ), основанный на введении нелинейного элемента в межплатное соединение угловых узлов. На корпусерадиоэлектронного блока установлены«плавающие» разъемы. Пакет плат поджимается планками с эластичными прокладкамик разъемам РЭА.
Построение модели представляется тремя узлами, соединенными упругими связями. В каждом узле сосредотачивается часть массы платы и ЭРИ. Связи между узлами плат представляются набором жесткостей, определяющих упругое взаимодействие узлов и вязких характеристик, выражающих диссипативные компоненты сил. Модель позволяет учесть различные варианты соединения плат в блоке путем подбора для каждой пары узлов соответствующих жесткостей, а также нелинейные характеристики амортизационных втулок, полученных экспериментально.
Модель рассмотренной конструкции проверена экспериментально на различных частотах c величиной ускорения внешнего вибровоздействия 7g.
4. Модель ускоренных испытаний.Перспективным методом прогнозирования надежности БС является метод ускоренных испытаний в форсированных режимах (УИФР). Метод УИФР основан на эксперименталь-но-статистической информации, позволяющей получить более точные данные по сравнению с методом адекватных моделей.
Он, в последующем, экстраполируется к условиям испытаний при нормальных нагрузках, при этом физико-химические процессы, приводящие к отказу РЭА, ускоряются за счет повышения уровня воздействующих факторов: вибрации, ударов, повышенного значения температуры, напряжения питания, частоты включения и т.д., как раздельно для каждого вида, так и совместно. Выбор величины прикладываемой нагрузки для ускорения испытаний РЭА определяется не только требованием сохранения механизмов отказов, характерных для нормальных нагрузок, но и прочностными характеристиками испытываемой аппаратуры.
Разработчик на этапепроектирования обязан прогнозировать УИ и закладывать научно-технический уровень конструктивных и схемотехнических решений, позволяющий снизить уровень ВФ на РЭА и ЭРИ.
Опыт показывает, что механизм отказов при испытании изделий в форсированном режиме остается тем же самым, что и при испытании в нормальном режиме, если вид закона распределения вероятности безотказной работы остается неизменным. Для УИФР при испытании БС на надежность, так и на ресурс устанавливаются одинаковые виды и объемы ВФ. Только испытания на надежность (безотказность) связывают с отказами РЭА в соответствии с планом обеспечения надежности (ПОН), а ресурсные - с достижением определенного технического состояния изделия.
Математическая модель УИФР с учетом коэффициентов К 3j. Кні эксплуатации и нагрузок, 1-характеристик может быть представлена, например, следующей системой уравнений
\Рн ((н, Пн) = f [ Рф (ф Пф)]
I1 ' tф — 1ф ' ф ,
где Рн,Рф - вероятности безотказной работы в нормальном и форсированном режимах;
Пн, Пф - параметры в нормальном и форсированном режимах;
бн, бф- время безотказной работы в нормальном и форсированном режимах; n
1 = 21 і - сумма интенсивностей отказов ЭРИ при испытании в форсированном режиме без превы-
i—1
шения норм ТУ на ЭРИ;
1 - интенсивность отказов ЭРИ при испытании в нормальномрежиме с учетом введения дополнительных мер защиты.
Значения 1 и 1ф вычисляют по выражениям:
Ан — 2 1 ' К ні — 2 1 ' К зін ' Кні , Аф — 2 Ар/' ' K эн ' Кні , і—1 і—1 і—1
где K зін - коэффициент эксплуатации, полученный после доработки РЭА, вычисленныйв нормальном
режиме.
Предполагается, что вероятность безотказной работы Рнизвестна из предварительных исследований (испытаний) или расчетов. По результатам испытаний в форсированном режиме находят Рф и сравнивают его с Рн, после чего по кривымПн, Пф находят значениябн,бф и коэффициент ускорения Ку:
4. 1 21ф ' Кзі ф ' Кніф
к — — 1ф — і—1________________
4 у t 1 n
ф 1 21 ■ кэн ■ Кні
i —1
n
Учет коэффициента эксплуатации К3 в нормальном и форсированном режимах дает более достоверные результаты связи уравнений между форсированными и нормальными испытаниями.
Фактические значения нагрузок на ЭРИ в нормальных и форсированных режимах измеряются экспериментально вибрографированием, термометрированием и замером электрических режимов. Результаты заносятся в карты рабочих режимов. При этом коэффициент нагрузок К Hj для нормального режима К Hj =
0.3 - 0.5 (режим работы для пассивных ЭРИ -резисторы, конденсаторы и.т.д.).Кні = 0.5 - 0.75 (режим работы дляактивных ЭРИ -транзисторы, ИМС и.т.д.).Кніф £ 1 (режим работы дляфорсированных испытаний при всех ВФ).
По результатам моделирования и вибрографированияполучено снижение виброперегрузокв БСУ с учетом его доработки вЫ=5,5 раза.
Введение дополнительных мер защиты позволило снизитьперегрузки до величин, не более 9факт — 13g при воздействии на пакет гармонической вибрации по оси Y с перегрузкой, равной 7g.
Допустимая перегрузка по ТУ на ЭРИ не более доп — 40g , следовательно, запас по перегрузкам на ЭРИ
равен Ад — даоп - дфакт — 27д .
Увеличивая перегрузки на крепежном основании БСУ с таким расчетом, чтобы перегрузки на ЭРИ не превышали допустимых норм по ТУ( д^ — 40д ),можно ускорить проведение испытаний на механические воздействия. Определим при этом коэффициент ускорения
К — /н — (дфп
Ку—ф -1 дт
где дн, дн. дф- ускорение нагружения при нормальном и форсированном режимах соответственно;
n — 2 - 6 - показатель, который задается разработчиком объекта и учитывает специфику объекта , конструктивные особенности объекта, место установки РЭА на объекте. ЗначениеП — 2соответству-
етжесткому режиму. Значения коэффициентов ускорения К у , с учетом экспериментальных данных, сведены в табл.1.
Таблица 1- Значения коэффициентов ускорения от показателя n
n 2 3 4 5 6
КУ 9,5 29 89,5 275,4 847
На примере БСУ можно сделать оценку надежности РЭА и определить коэффициент ускорения в форси-рованномрежиме:
Надежность (долговечность) БСУ увеличивается в# — 2.6 раза.
Испытание по механическим воздействиям БСУ можно сократить по времени, воздействием форсированного режима с коэффициентом К у = 9,5 .
Заключение.Рассмотрена важная в прикладном плане задача повышения надежностиБСУ летательных аппаратов на основе принятия рациональных конструкторских решений с учетом влияния на БСУ внешних и внутренних ВФ. Предложены методы и модели разработки высоконадежной РЭА на ранних этапах проектирования и модель ее ускоренных испытаний.
Предложенные методы и модели могут быть использованы при разработке, модернизации, оценке эффективности конструкторских решений РЭА с целью повышения ее надежности и проведения ускоренных испытаний в форсированном режимедля сокращения сроков испытаний.
ЛИТЕРАТУРА
1. Буловский П.И., Зайденберг М.Г. Надежность приборов систем управления. Справочное пособие. Л.: Машиностроение (Ленинградское отделение), 1975.328 с.
2. Говоренко Г.С.Логико-алгебраические дискретно-непрерывные модели исследования динамики пластинчатых конструкций электронной аппаратуры/Г.С. Говоренко, В.А. Ушаков, Т.В. Андреева
//Алгебраические логики, импликативная и предикатная алгебры выбора в задачах науки и техники: Труды международной конференции «Континуальные алгебраические логики, исчисления и нейроинформатика в науке и экономике - КЛИН-2003» / Под общей ред.Л.И. Волгина. Ульяновск: УлГТУ, 2003.Т.
2.С. 39 - 41.
3. Говоренко Г. С. Модели и методы управления процессами обеспечения показателей надежности и качества бортовых систем управления летательных аппаратов на всех этапах жизненного цикла // Доклады академии военных наук.2008.№5 (34). С. 34-43.
4. Говоренко Г.С.Методы обеспечения надежности бортовых систем управления летательных аппара-
тов на этапе проектирования /Г.С. Говоренко, А.В. Гориш, В.С. Дрогайцев, К.Ю. Парфенов // Надежность и качество: Труды международного симпозиума / Под ред. А.Н.Андреева, В.И.Волчихина,
Е.А.Мокрова, Н.К.Юркова, В.А.Трусова.Пенза: Информационно-издательский центр Пенз. гос. ун-та,
2001. С. 183-187.
5. Горбачева В. М., Власов В. Л. Методы уточнения значений эксплуатационных коэффициентов при введении дополнительных мер защиты от воздействующих факторов // Труды 22 ЦНИИИ МО. Методический материал. 1988. 125 с.
6. Говоренко Г.С., Овчинников Б.В. Устройство для соединения печатных плат впакет.А.с. №1266022 МКИ4 НО5К7/12. Бюл. №39 от 23.10.86г.
7. Говоренко Г.С., Овчинников Б.В., Тартаковский А.М.Радиоэлектронный блок.А.с. № 1499536 МКИ4 НО5К7/12. Бюл. №29 от 07.08.89г.
