CC BY
380
УДК 621.372
А.В. Волошкин, В.Ю. Косолап
НАДЕЖНОСТЬ - ОДИН ИЗ ГЛАВНЫХ ПАРАМЕТРОВ КОМПЛЕКСИРОВАННЫХ ИЗДЕЛИЙ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ
Предложены способы уточнения расчетов на надежность и обеспечение надежности комплексированных СВЧ на этапах проектирования и производства за счет учета внезапных отказов при воздействии внешних дестабилизирующих факторов и выбора времени необходимого прогона в процессе производства изделий.
A.V. Voloshkin, V.Yu. Kosolap
RELIABILITY - ONE OF THE PRINCIPAL PARAMETERS OF COMPLEX PRODUCTS IN RADIO-ELECTRONIC EQUIPMENT
Methods of reliability computation specification and reliability providing of microwave complex products during design and production stage by taking into account sudden refusals, caused by external destabilization factors, and design train time selecting are proposed.
Введение
Технический прогресс во всех областях предполагает самое широкое использование радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), которая должна надежно выполнять возложенные на нее задачи. Можно смело утверждать, что будущее РЭА в значительной степени зависит от ее надежной работы, стабильности. В настоящее время параметры надежности стали одним из главных параметров устройств, изделий радиоэлектронной аппаратуры и обеспечить их - довольно сложная задача.
Одной из главных причин возникновения проблемы надежности является значительное расширение круга задач, решаемых ими, и отсюда непрерывный рост сложности РЭА, который выражается в прогрессирующем увеличении количества используемых элементов, входящих в РЭА. Создаются сложные системы управления, в которых число деталей (элементов) доходит до миллиона штук. Трудность обеспечения высокой надежности обусловлена, кроме того, сложными условиями ее эксплуатации. Действительно, РЭА, работающая, например, в самолетах, как правило, работает в условиях интенсивных внешних воздействующих факторов (ВВФ). Это внешние температуры и давления и их перепады, вибрации и удары и т. п.
Нетрудно понять, что если одновременно с усложнением РЭА и отдельных изделий не будут повышаться надежностные характеристики входящих в нее элементов (КВВФ) или не будут приняты специальные меры повышения надежности схемного или конструктивного характера, то аппаратура практически окажется неработоспособной из-за очень частых отказов в работе, что приводит к тому, что стоимость новой аппаратуры во много раз (5 и более) превысит стоимость эксплуатации [1].
В настоящее время темпы роста сложности аппаратуры (появление в 70-е годы XX века новых классов изделий РЭА - комплексированных изделий СВЧ) опережают рост ее надежности. В связи с этим начало создаваться несоответствие между ними.
Например, не установлены зависимости интенсивности отказов X (^ KВВф) от многих воздействующих факторов в процессе эксплуатации, что не позволяет оценить надежность изделия на этапе проектирования.
К вопросам обеспечения требуемой надежности относятся также: установление научно обоснованных норм предварительного прогона (тренировок) изделия на этапе выпуска (производства), отчего время прогона колеблется в интервале от 50 до 200 часов; отсутствие оперативности передачи наработки изделий из эксплуатации на предприятие-изготовитель, отчего на предприятии накапливаются данные (банк данных) лишь по отказам изделий. Данные о наработках изделий в эксплуатации позволят сравнивать плановые показатели надежности с фактическими экспериментальными в эксплуатации. Такая информация поможет своевременно принимать решения о мерах по повышению надежности в эксплуатации.
В настоящей работе обсуждаются эти вопросы.
Комплектированные изделия СВЧ
Усложнение задач, решаемых современными средствами локации, навигации, управления и связи, требует все более сложных по своей структуре СВЧ-сигналов. Их формирование и первичная обработка осуществляется СВЧ-частью приемопередатчиков, генерирующих, преобразующих и усиливающих СВЧ-сигнал, соединенных между собой различными регулирующими и развязывающими пассивными СВЧ-элементами.
Функциональное усложнение этой части РЭА при традиционных методах конструирования привело к значительному росту ее массы и габаритных размеров, что стало серьезным препятствием в решении многих конкретных задач, в том числе надежности, особенно бортовой аппаратуры.
Это привело к созданию (в начале 70-х годов ХХ века) в нашей стране, а затем и за рубежом нового типа изделий электронной техники - комплексированных изделий (КИ) СВЧ. [2]. В соответствии с принятым в нормативных документах электронной
промышленности определением - «КИ СВЧ представляет собой изделие, состоящее из нескольких (двух и более) активных элементов, в т.ч. электровакуумных приборов СВЧ, функциональных узлов и (или) модулей, а также элементов тракта, отдельных комплектующих электрорадиоизделий, несущей конструкции, ремонтопригодное, взаимозаменяемое, в котором конструктивно-технологическими решениями осуществляется оптимальное согласование, включая селективный подбор входящих в его состав элементов и отдельных узлов, обеспечивающее повышение технических и эксплуатационных параметров, характеристик как самого комплексированного изделия, так и аппаратуры в целом» [4]. К сожалению, в работах [2, 3] не приведены конкретные значения параметров надежности, достигнутые в описанных КИ СВЧ.
Методика расчета надежности, приведенная в работе [5], дает расчет показателей надежности РЭА при учете лишь постепенных отказов элементов.
В работе [2] предложены все КИ СВЧ, которые можно условно разделить на три
типа:
1) мощные КИ СВЧ (МКИ СВЧ);
2) твердотельно-вакуумные (ТВКИ СВЧ);
3) твердотельные КИ СВЧ, (ТТКИ СВЧ).
1-2-й типы КИ СВЧ описаны в работе [2]. Третий тип (ТТКИ СВЧ) описан в работе
[3]; такие КИ, в основном, являются возбудителями для вакуумных МКИ или используются самостоятельно. К ним можно отнести синтезаторы частот [3].
К сожалению, показатели надежности в этих работах представлены неполно, как в части требований по надежности, так и в части реализации (обеспечения) их в
представленных конструкциях. Следует отметить также, что КИ СВЧ могут рассматриваться уже и как составные части (СЧ) конструкций РЭА, поэтому требования по надежности к ним должны соответствовать комплексу стандартов «Мороз-6» в отличие от классических методов конструирования СВЧ-приборов (изделий), которые проектировались в соответствии с комплексом стандартов «Климат-7».
Расчет надежности КИ СВЧ с учетом внезапных отказов на этапе проектирования
Под расчетом надежности обычно понимают определение числовых значений показателей надежности по тем или иным исходным данным (приближенные и полные расчеты [5]).
В качестве основного метода расчета надежности КИ СВЧ должен быть принят полный метод расчета, при котором необходимо знание принципиальной схемы изделия (до элемента); Х„^) - характеристики элементов (для постепенных отказов) и Хв^, К,) - при внезапном воздействии на изделие внешних воздействующих факторов КВВФ; их (элементов) режимы работы; сведения о количестве групп и типов комплектующих элементов, количество мест соединения элементов конструкции (сварки, пайки, винтовых соединений и т. д.).
Сущность расчета сводится к определению показателей надежности изделия по известным (базовым) данным Хп на основании справочных данных или специально спланированных экспериментов.
В настоящее время такие расчеты можно проводить с помощью появляющихся компьютерных систем типа [8]. Вероятность безотказной работы изделия с учетом внезапных и постепенных отказов определяется выражением [5]:
где п, - общее число элементов, подверженных внезапным отказам; Ь - общее количество элементов, подверженных постепенным отказам.
Под внезапными отказами понимают отказы, характеризующиеся скачкообразными изменениями одного или нескольких заданных параметров изделия (при воздействии, например, ВВФ). Под постепенными отказами - постепенное изменение значений одного или нескольких заданных параметров (например, напряжения, мощности и др.).
Внезапные отказы часто происходят на первом этапе эксплуатации изделия, показанном на рис. 1 (на этапе тренировки, воздействии внешних факторов).
В этом случае внезапные отказы ликвидируются, в основном, конструктивными методами, либо с помощью применения специальных защитных мер, позволяющих снижать опасные для конструкции воздействия (вибродемпфирование, виброизоляция, специальные и т. д.). Постепенные отказы происходят в основном на третьем этапе эксплуатации и характеризуют старение изделия. В этом случае необходима замена стареющих элементов на новые элементы.
Для оценки надежности изделий с учетов воздействия внешних дестабилизирующих факторов (внезапные отказы) используется соотношение:
в котором значение X зависит от воздействующего фактора К;.
Так, в работе [9] определены Хі(Кі) в случае воздействия вибрационных нагрузок, а в работе [10] предложено соотношение общего вида для учета всех ВВФ, заданных на изделие.
ре(і) = ра(0• р (0 = е І -пр.(0,
;=1
(1)
(2)
со (1), 1/ч
Рис. 1. Характерная зависимость интенсивности отказов ю© от времени наработки изделия в эксплуатации
Для времени наработки при воздействии ВВФ для БИС [10] получено соотношение:
Т(Г) = СКа • Ка К^п . (3)
Выражение (3) получено с применением метода размерностей и подобия [11, 12], где К, - фактор внешнего воздействия; а1,а2,^,ап - показатели степени; С - постоянная величина.
Соотношение (2) может быть использовано и для оценки Х,(К,), приняв
м к, )=кк кап, (4)
где Х,(К,) - искомая функция от воздействующего фактора; Хбаз - базовая величина интенсивности отказов без влияния К, (справочная, известная величина для элемента); К1, К2,...,Кп - заданные значения величины ВВФ, влияющие на интенсивность отказов (безразмерная функция); а1, а2,.,ап - показатель степени.
Например, в случае воздействия вибрации элементов в качестве К, может быть принят коэффициент динамичности, определяемый по формуле [13]:
г = А(0) = -уа- = 1
аег
Уп
( пЛ2 г»2
(5)
О2 ..
+ 4 --2- А 2
- для амплитудных колебаний, перемещений, или
= А(2) =
Уа -7 -2
ус
Г О2 X лХ2 О2
1-----г I + 4 А2 —
ю2 J ю0
(6)
V шо У шо
- для амплитудных ускорений, где обозначено:
А(0) - коэффициент увеличения (динамичности), показывающий, во сколько раз амплитуда вынужденных колебаний уа превышает статическое смещение уст, которое получилось бы при статическом приложении силы Га к массе М; А(2) - коэффициент чувствительности системы к силе по ускорению (безразмерная величина); О -вынужденная частота, Гц или об/с; ю0 - круговая собственная частота, Гц или об/с; Д -коэффициент затухания (безразмерная величина).
Таким образом, интенсивность отказов при учете воздействий вибрационных нагрузок (вибропрочность) будет определяться соотношением для амплитуд ускорения:
О2/ш
2
0
2
Виброустойчивость изделия является более тонким параметром и поэтому для этого параметра Хг(Квибр) предлагается принять как
Аналогичные соотношения могут быть найдены и для других видов внешних воздействий (тепло, повышенная влажность и др.).
Удобство выбора Кдин заключается и в том, что он может быть определен экспериментально путем снятия амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) практически для любого изделия и элемента конструкции современными способами, изложенными, например, в [7].
В этом случае Кэв'Ксбр будет определяться как
где Кэв1сбр - коэффициент динамичности, определяемый экспериментально; /д а - величина
ускорения на исследуемом элементе КИ СВЧ; /З, а - величина ускорения при заданном ускорении на КИ СВЧ в соответствии с ТУ, ТЗ.
Известно, что надежность изделия закладывается на этапе разработки изделия, обеспечивается при изготовлении его в производстве и поддерживается в эксплуатации. Поэтому обеспечение надежности имеет важное значение и состоит из следующих операций [4]:
1) выбор соответствующей технологии и ее соблюдение;
2) входной контроль материалов и элементов изделия;
3) предварительная тренировка элементов и основных узлов изделия (модулей) и изделия в целом;
4) выбор методики настройки и налаживания изделий;
5) текущий и выходной контроль.
Предварительная тренировка сокращает этап приработки изделия, позволяет оценить правильность выбранного коэффициента нагрузки, отбраковать малонадежные элементы. Выбирая нужное значение коэффициентов нагрузки (например, с учетом коэффициентов запасов, заложенных в конструкцию изделия), при тренировках создают необходимые условия для ускоренных испытаний, соответствующие его длительной работе в эксплуатации. Все описанные мероприятия позволяют уменьшить вероятность появления внезапных отказов. Важным моментом при выборе тренировок являются режимы и продолжительность тренировок. Вопросы режимов тренировок рассмотрены в работе [11], а продолжительность их, на наш взгляд, зависит от теоретического значения средней наработки на отказ, определяемой по ^-характеристикам элементов изделия. Продолжительность периода приработки (участок 1 на рис. 1) зависит от типа аппаратуры и составляет обычно десятки и сотни часов. Этот участок определяется распределением отказов Вейбулла [4] и вероятностью безотказной работы:
где а, Ь (Ь < 1) - параметры заданного распределения отказов, определяющие качество и стабильность производства для конкретных изделий.
Примем а = ТО, Ь = 1/2, Дt - рассматриваемый промежуток времени (время прогона)
(8)
(9)
Способы снижения интенсивности отказов на этапе изготовления изделия в производстве
р^) = еКА1: / а )Ь
А! = *2 - *1 . (11)
Интенсивность отказов для 1-го участка в этом случае определяется соотношением:
®(*) = - Г~
а V а
Ь-1
откуда
ш(*) =
2Т0
1
Т Л 2
■'о
V *од у
Ло
2
V 2
(12)
(13)
При этом должно соблюдаться неравенство 0 < А* < Т0, где Т0 - известное из расчетов на надежность значение средней наработки на отказ (ч); !тр - необходимое время тренировки
(ч).
За оптимальное значение продолжительности тренировки следует принять условие равенства
ю(* ) = Л о. (14)
В этом случае т < Т0/4 (ч) и тренировка проводится по методу НИТМЦ [11]. Циклограмма тренировки модулей изделия типа «О» показана на рис. 2.
Рис. 2. Циклограмма тренировки модуля
Заключение
В данной работе предлагаются способы уточнения расчетов на надежность и обеспечения надежности КИ СВЧ на этапах проектирования и производства за счет:
- учета внезапных отказов при воздействии внешних дестабилизирующих факторов (вибрация);
- выбора времени необходимого прогона (тренировки) в процессе производства изделий.
Исследования влияния других воздействующих факторов для одного типа (ТТКИ СВЧ) описаны в работах [12, 13]. Вместе с оргмероприятиями по налаживанию
информационной связи «эксплуатация-изготовитель», касающейся учета наработок КИ СВЧ в эксплуатации, могут быть получены хорошие результаты по поддержанию высокой надежности КИ СВЧ.
ЛИТЕРАТУРА
1
1
1. Надежность и эффективность в технике: справочник в десяти томах / под ред.
В.С. Авдуевского. М.: Машиностроение, 1987. Т. 1. 480 с.
2. Гельвич Э.А. Комплексированные изделия СВЧ: основные особенности и тенденции развития / Э.А. Гельвич, А. С. Котов // Радиотехника. 2004. № 2. С. 31-33.
3. Семенов Э.А. Основные принципы модульного построения и результаты разработок СВЧ-синтезаторов для радиолокационных систем / Э.А. Семенов, Э.В. Мичурин, В.С. Посадский // Радиотехника. 2002. № 2. С. 66-70.
4. Основы эксплуатации радиотехнической аппаратуры / под ред. В. Лавриненко. М.: Высшая школа, 1978. 622 с.
5. Жаднов В.В. Управление качеством при проектировании теплонагруженных радиоэлектронных систем / В.В. Жаднов, А.В. Сарафанов. М.: Солон-Пресс, 2004. 464 с.
6. Коненков Ю.К. Вопросы надежности радиоэлектронной аппаратуры при механических нагрузках / Ю.К. Коненков, И.А. Ушаков. М.: Советское радио, 1975. 322 с.
7. Кейджян С.А. Прогнозирование надежности микроэлектронной аппаратуры на основе БИС / С. А. Кейджян. М.: Радио и связь, 1987. 140 с.
8. Астраханский Ю.Л. Аналитическая модель миграционной поляризации МОП-структур / Ю.Л. Астраханский // Электронная техника. 1981. Сер. 8. Вып. 4(90). С. 12-15.
9. Волков С.И. Моделирование коррозионных отказов интегральных схем / С.И. Волков, Ю.Е. Григорошвили // Электронная техника. 1981. Сер. 8. Вып. 4 (90). С. 24-27.
10. Иориш Ю.И. Виброметрия / Ю.И. Иориш. М.: ГАТИ машиностроительной литературы, 1963. 308 с.
11. Горелов М.И. Тренировка ИЭТ и электронных блоков с их применением / М.И. Горелов, П.Ю. Коваленко // Петербургский журнал электроники. 2001. № 2. С. 22-27.
12. Волошкин А. В. К вопросу оценки надежности комплексированных изделий модульного построения / А.В. Волошкин, Ф.З. Хамидуллин // Радиотехника и связь: материалы третьей Междунар. науч.-техн. конф. Саратов: СГТУ, 2006. С. 390-396.
13. Волошкин А. В. Стойкость изделий электронной техники к внешним воздействиям. Термоциклирование / А.В. Волошкин, Е.А. Куриленко // Радиотехника и связь: материалы второй Междунар. науч.-техн. конф. Саратов: СГТУ, 2005. С. 348-352.
Волошкин Александр Владимирович -
ведущий инженер ЗАО «НПЦ «Алмаз-Фазотрон», г. Саратов
Косолап Вадим Юрьевич -
аспирант кафедры «Радиотехника»
Саратовского государственного технического университета
Статья поступила в редакцию 12.11.07, принята к опубликованию 15.01.08
